1、- 1 -單閉環不可逆直流調速系統設計目錄第一章中文摘要- 1 -第二章英文摘要- 1 -第三章課程設計的目的和意義- 2 -1電力拖動簡介- 2 -2.課程設計的目的和意義- 3 -第四章課程設計內容- 3 -第五章方案確定- 4 -5.1方案比較的論證- 4 -5.1.1總體方案的論證比較- 4 -5.1.2主電路方案的論證比較- 6 -5.1.3控制電路方案的論證比較- 7 -第六章主電路設計- 8 -6.1主電路工作設備選擇- 8 -第七章控制電路設計- 9 -第八章結論- 12 -第九章參考文獻- 12 - 11 -第一章中文摘要摘要：為了提高直流調速系統的動態、靜態性能，通常采用閉

2、環控制系統（主要包括單閉環、雙閉環）。而在對調速指標要求不高的場合，采用單閉環即可。閉環系統較之開環系統能自動偵測把輸出信號的一部分拉回到輸入端，與輸入信號相比較，其差值作為實際的輸入信號；能自動調節輸入量，能提高系統穩定性。在對調速系統性能有較高要求的領域常利用直流電動機，但直流電動機開環系統穩定性不能夠滿足要求，可利用轉速單閉環提高穩態精度，而采用比例調節器的負反饋調速系統仍是有靜差的，為了消除系統靜差，可采用積分調節器代替比例調節器。課程設計是我們在校期間的一次綜合訓練，它將從思方法、理論知識以及動手能力方面給予我們嚴格的要求。使我們綜合能力有一個整體的提高。它不但使我們鞏固了本專業所學

3、的知識，還使我們了解、熟悉了國家能源開發策略和有關的技術規程、規范以及各種設備的圖形、符號等。它將為我們以后的學習、工作打下良好的基礎。本次設計主要介紹了單閉環不可逆直流調速系統的方案比較及其確定，主電路設計控制電路等。設計的內容符合國家有關經濟技術政策，包括可靠性、經濟性等方面。該設計為單閉環不可逆直流調速系統電動機參數：PN=3KW, nN=1500rpm, UN=220V, IN=17.5A, Ra=1.25。主回路總電阻R=2.5，電磁時間常數Tl=0.017s, 機電時間常數Tm=0.075s。 三相橋式整流電路，Ks=40。測速反饋系數 =0.07。調速指標：D=30，S=10%。

4、本次設計中進行了計算，主要設備調試，關于主電路設計和控制電路設計是基礎部分，對晶閘管和電機的調試是非常重要的部分。計算書部分通過數據的形式對設計的要求和需要的參考價值等以直觀的描述。關鍵詞：穩態性能 ；穩定性；開環；閉環負反饋；靜差第三章課程設計的目的和意義1電力拖動簡介電力拖動是利用電動機拖動生產機械的工作機構使之運轉的一種方法。由于各種生產機械的工作性質和加工工藝不同，對電動機的控制要求也不同。要使電動機按照生產機械的要求正常、安全、高效、節能地運轉，必須配備由一定的電器組成的控制線路。電力拖動控制線路課程特點是：（1）理論系統性強，前后連貫緊密，教學目標明確；（2）實踐性強，技能訓練與生

5、產實際相聯系，是理論教學直觀有效的反饋評價途徑。2.課程設計的目的和意義1）了解單閉環不可逆直流調速系統的原理，組成及其各主要單元部件的原理。2）掌握晶閘管直流調速系統的一般調速過程。3）認識閉環反饋控制系統的基本特性。4）掌握交、直流電機的基本結構、原理、運行特性。5）掌握交、直流電動機的機械特性及起動、調速、制動、反轉的基本理論和計算方法。6）了解選擇電動機的原則和方法。7）學習低壓電器基礎知識，具備使用有關手冊，圖表資料的初步能力。8）學會分析電力拖動與自動控制系統中電動機的機械特性，各種運行狀態及控制特性，掌握它們的基本原理和相應計算方法。9）掌握電力拖動控制理論和線路分析方法，具備排

6、除一般故障的能力。10）通過實驗、實習等教學環節，深化專業理論，增強動手能力，具備初步的電力拖動制動系統的調試能力。第四章課程設計內容電動機參數：PN=3KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路總電阻R=2.5 ，電磁時間常數Tl=0.017s,機電時間常數Tm=0.075s。三相橋式整流電路，Ks=40。測速反饋系數 =0.07。調速指標：D=30，S=10%。其主要內容包括：方案確定；主電路設計；控制電路設計；繪制原系統的動態結構圖；調節器設計；繪制校正后系統的動態結構圖。第五章方案確定5.1方案比較的論證5.1.1總體方案的論證比較對于直流

7、電動機調速的方法有很多，而其各有它自己的優點和不足。各種調速方法可大致歸納如下：（）弱磁調速 通過改變勵磁線圈中的電壓Uf，使磁通量改變（Uf增大，磁通量增大；Uf增小，磁通量增小）。特點：保持電源電壓為恒定的額定值，通過調節電動機的勵磁回路的勵磁電流大小，改變電動機的轉速。這種調速方法屬于基速以上的恒功率調速的方法。在電流較小的勵磁回路內進行調節，因此控制起來比較方便，功率損耗小，用于調節勵磁的電阻器功率小，控制方便且容易實現，而其更重要的是此方法可以實現無級平滑調速，但由于電動機的換向有限以及機械強度的限制，速度不能調節得太高，從而電動機的調速范圍也就受到了限制。（）串聯電阻調速 即在電樞

8、回路中串入一個電阻，其阻值的大小根據實際需要而定，使電動機特性變軟，特點：在保持電源電壓和氣隙磁通為額定值，在電樞回路中串入不同阻值的電阻時，可以得到不同的人為機械特性曲線，由于機械特性的軟硬度，即曲線斜率的不同，在同一負載下改變不同的電樞電阻可以得到不同的轉速，以達到調速的目的，屬于基速以下的調速方法。這種方法簡單，容易實現，而其成本較低，單外串電阻只能是分段調節，不能實現無級調速，而其電阻在一定程度上要消耗能量，功率損耗大，低速運行時轉速穩定性較差，只能適應對調速要求不高的中小功率型電動機。（）調節電樞電壓調速 電機降壓起動是為了避免高啟動轉矩和啟動電流峰值,減小電動機啟動過程的加速轉矩和

9、沖擊電流對工作機械、供電系統的影響。特點：在保持他勵直流電動機的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻的值時視兩端的電壓，即電源電壓降低為不同的值時，可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速 方向是基速以下，屬于恒轉矩調速方法。只要輸出的電壓是連續可調的，即可實現電動機的無級平滑調速，而且低速運行時的機械特性基本保持不變。所以得到的調速范圍可以達到很高，而且能實現可逆運行。但對于可調的直流電源成本投資相對其他方法較高。又由于電力電子技術的發展，出現了各種的直流調壓方法，可分為如下兩種：1）使用晶閘管可控整流裝置的調速系統；2）使用脈寬調制的晶體管功率放大器調速系統。基于以上的

10、特點，當前有3種方法可供選擇。方案 弱磁調速系統采用弱磁調速。由于弱磁調速方法的特點可以看出：功率損耗小，特別是用于調節勵磁的電阻器功率小，控制方便而其容易實現，更重要的是可以實現無級平滑調速，為生產節約了生產成本。這是它的優點，但同時要注意到弱磁調速方法難以實現低速運行，以及可逆運行。只能在基速以上運行，且電動機的換向能力以及機械強度的限制，速度不能調得太高，這就限制了它的調速范圍的要求，針對我們要設計的目標調速系統，速度要求在1500r/min，很明顯這種調速方法難以做到，必須要配合其他的控制方法才能實現，這樣成本將會升高，而且控制將會變得復雜，失去了弱磁調速本身所具有的優點。方案 串聯電

11、阻調速系統采用串聯電阻調速。這種方法最大的優點就是實現原理簡單，控制電路簡單可靠，操作簡便。這種調速屬于基速以下的調速方法，可以達到生產工藝對速度的要求。但它外串電阻只能是分段調節，不能實現無級平滑調速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗比較大，低速運行時轉速穩定性差，容易產生張力不平穩，難以控制。方案 調節電樞電壓調速系統采用調節電樞電壓的調速方法。這種可以獲得與電動機的固有機械特性相平行的人為機械特性，調速方向是基速以下只要輸出的電壓是連續可調的，即可實現電動機的無級平滑調速，而且低速運行時的機械特性基本上保持不變所以得到的調速范圍可以達到很寬，而且可以實現電動機的正反轉。鑒于以上對各

12、種調速可行性方案的論述本，本系統將采用調壓調速的調速方法以滿足生產工藝的要求。5.1.2主電路方案的論證比較主電路主要是指電源裝置和執行裝置（直流電動機），由于電動機是我們的控制對象，所以就對電源裝置進行可行性和優越性的比較論證。直流電動機的調速方法有兩種，具體為：1）使用脈沖寬度調制晶體管功率放大器，即采用PWM的調壓調速控制；2）使用晶閘管可控整流裝置調速。一、PWM調壓調速方案電源裝置采用PWM調壓，其基本思想是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載到具有慣性的環節上時，其效果相同。即慣性環節的輸出相應是相同的。SPWM波形脈沖寬度按照正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，可表示如下。圖1

13、用PWM波代替正弦波圖2 PWM調壓電路二、使用晶閘管可控整流裝置調速通過晶閘管的導通角的移相，改變觸發角，從而改變電壓的導通時間，改變電壓的平均值。電路如下：圖3 晶閘管可控整流裝置電路電路特點：電路直接由交流轉換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置時SRC，容量相對IGBT而言，比較大，電動機的容量就可以做的相對較大，可靠性也比較高，技術成熟等優點。設計的對象電機的容量是3KW，可以很好地滿足容量的要求，再次，觸發電路也比較簡單，有現成的集成觸發電路，設計起來相對簡單。不過由于也存在正反兩組的問題，所以也要考慮邏輯控制問題，以免發生環路導通短路事故。綜上所述，綜合考慮比較兩者的優點，可調

14、電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調壓調速。5.1.3控制電路方案的論證比較對電動機轉速的控制調節方法有幾種控制方法：（1）才用單閉環的速度反饋調節加上電流截止負反饋的方法；（2）采用雙閉環的速度、電流反饋控制調節方法。方案論證：1) 采用才用單閉環的速度反饋調節加上電流截止負反饋的方法，能實現比較方便，快捷，成本低，而且系統調試等簡單。但是此方法又有其缺點，在啟動過程總系統是非線性的，而且是一個復雜的動態過程，不能簡單地將最大負荷時的電流值定為電流截止負反饋的限制值，這將影響電動機的啟動時間，而且難以把握電流的動態過程。由于直流電動機在起動、堵轉或過載時會產生很大的電流，這樣大的電流會

15、燒壞晶閘管元件和電機，因而要加以限制。根據反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入哪個物理量的負反饋。系統中若引入電流負反饋，雖然電流不會過大，但是單閉環調速系統中如果存在電流負反饋，將會使靜特性變軟，影響調速精度，而這又是我們希望避免的。如果能做到電流負反饋在正常運行時不起作用，而在過電流情況下起電流負反饋作用。為此，可以通過一個電壓比較環節，使電流負反饋環節只有在電流超過某個允許值時才起作用，這就是電流截止負反饋環節。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統2）采用雙閉環速度電流調節方法，這種方法雖然成本相對較高，但它保證了系統的性能，保證了對生產工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動時電流的

16、動態過程，又保證了穩態后的穩定性，在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。當到達穩態后，只要轉速負反饋，不讓電流負反饋發揮作用，能很好的滿足生產需要。第六章主電路設計6.1主電路工作設備選擇電動機參數：PN=3KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路總電阻R=2.5 ，電磁時間常數Tl=0.017s,機電時間常數Tm=0.075s。三相橋式整流電路，Ks=40。測速反饋系數 =0.07。調速指標：D=30，S=10%。變壓器的副邊電壓的確定：因為UN=220V，整定的范圍在30°150°之間，所以油三相全控整流公

17、式：UD=2.34U2cos,當在30°時又最大值，算出U2=108.5V，所以可以選擇U2=120V。晶閘管參數的計算：由于電動機電流的大小為17.5A，即最大電流為：Imax=17.5A.又由整流輸出的電壓Ud=UN=220V，進線的線電壓是120V。由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即有晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為2倍的關系，電流裕量選為1.5倍的關系，所以工作的晶閘管的額定電壓容量的參數可選擇為：電樞回路的平波電抗器的計算：電動機在運行時保證電流連續，取此時的電流為額定電流的5%10%。則電樞需

18、要串入的電樞電抗大小可以算為： （其中La為電樞的固有電抗值）第七章控制電路設計控制電路采用轉速單閉環調速系統控制，采用閉環系統可以比開環系統獲得更硬的機械特性，而且靜差率比開環是小得多，并且在靜差率一定時，則閉環系統可以大大提高調速范圍。但在閉環式必選設置放大器。如果只采用比例放大器的反饋控制系統，其被調量仍然是有靜差的，這樣的系統叫做有靜差調速系統，它依賴于被調量的偏差進行控制，而反饋控制系統的作用是：抵抗擾動，服從給定，但反饋控制系統所能抑制的知識被反饋環包圍的前向通道上的擾動。調節器的輸出限幅值的確定：轉速調節器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定電流給定電壓的最大值，其輸出決定了電力電子

19、變換器的最大輸出電壓Udm。對于本系統：設轉速達到額定時的給定電壓為+7.5V，轉速調節器的輸出最大限幅值為±5V，Ks=40。1> 為滿足調速系統的穩態性能指標，額定負載時的穩態速降應為2> 求閉環系統應有的開環放大系數 先計算電動機的電動勢系數 則開環系統額定速降為 閉環系統的開環放大系數應為3> 計算轉速反饋環節的反饋系數和參數根據調速指標要求，前已求出閉環系統的開環放大系數應為K41.22，則運算放大器的放大系數Kp應為實取Kp=2。運算放大器的參數選取為：根據所用運算放大器的型號取R0=20K，則R1=KpR0=2×20=40K。系統動態結構框圖為了實現轉速無靜差，必須在擾動作用點以前設置一個積分環節，從圖可以看出，在負載擾動作用點以后，已經有一個積分環節，故從靜態無差考慮需要型系統。從動態性能上看，考慮轉速調節器飽和非線性后，調速系統的跟隨性能與抗擾性能是一致的，而典型型系統具有較好的抗擾性能。所以，轉速環應該