直流脉宽调速系统的设计与仿真开题报告.doc

毕业设计(论文)开题汇报

学生姓名： 史航 学 号：
专 业： 电气工程及其自动化
设计(论文)题目： 直流脉宽调速系统设计和仿真
（PWM直流调速及仿真）
指导老师： 麻鸿儒

年 3月 3 日

开题汇报填写要求

1．开题汇报（含“文件综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查依据材料之一。此汇报应在指导老师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导老师签署意见及所在系审查后生效；
2．开题汇报内容必需用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计电子文档标准格式打印，严禁打印在其它纸上后剪贴，完成后应立即交给指导老师签署意见；
3．“文件综述”应按论文格式成文，并直接书写（或打印）在本开题汇报第一栏目内，学生写文件综述参考文件应不少于10篇（不包含辞典、手册）；
4．相关年月日等日期填写，应该根据国家标准GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》要求要求，一律用阿拉伯数字书写。如“4月26日”或“-04-26”。

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，依据所查阅文件资料，每人撰写
字左右文件综述：
文 献 综 述
一.选题目标和意义
现代化工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机控制更是起着举足轻重作用，所以调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛一个系统[1]。伴随生产工艺、产品质量要求不停提升和产量增加，使得越来越多生产机械要求能实现自动调速。目前控制系统已进入了计算机时代，在很多领域已实现了智能化控制[2][3]。对传统过程工业而言，利用优异自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提升了生产过程安全性、可靠性、稳定性[4]。提升了产品产量和质量、提升了劳动生产率，企业综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力增强。对可调速传动系统，可分为直流调速和交流调速[5]。
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广直流调速系统, 采取转速、电流双闭环直流调速系统可取得优良静、动态调速特征[6]。转速、电流双闭环直流调速系统控制规律，性能特点和设计方法是多种交、直流电力拖动自动控制系统关键基础[7]。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统基础组成及其静特征；然后，在建立该系统动态数学模型基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速和电流两个调整器作用；第三，研究通常调整器工程设计方法，和经典控制理论动态校正方法相比，得出该设计方法优点，即计算简便、应用方便、轻易掌握；第四，应用工程设计方法处理双闭环调速系统中两个调整器设计问题，等等[6][7]。
经过对转速、电流双闭环直流调速系统了解，使我们能够愈加好掌握调速系统基础理论及相关内容，在对其多种性能加深了解同时，能够发觉其缺点之处，经过对该系统不足之处完善，可提升该系统性能，使其能够适适用于多种工作场所，提升其使用效率[6][7][8]。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握多种交、直流调速系统原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。
二.推荐使用关键参考文件
1. 陈伯时. 电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,
2. 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—远动控制系统.机械工业出版社,
3. 王离九. 电力拖动自动控制系统.华中理工大学出版社,1991
4. 范正翘. 电力传动和自动控制.北京航空航天大学出版社,
5. 史国生. 交直流调速系统.化学工业出版社,
6. 王果,朱大鹏.直流电机双闭环调速系统工程设计方法仿真.兰州交通大学,.5
7. 张柳芳,王彦辉.速度和电流双闭环直流调速系统设计. 新探平顶山师专,.5
8. 唐永哲. 电力传动自动控制系统.西安电子科技大学出版社,1998
9. 廖晓钟. 电气传动和调速系统.中国电力出版社,1998
10. 周渊深. 交直流调速系统和MATLAB仿真.中国电力出版社,
11. 麻鸿儒,刑大成,谭敦生,曾令全. 电力传动控制试验指导书.东北电力大学电机试验室,.10
12. 邓星钟. 机电传动控制.华中科技大学出版社,
13. 马葆庆,孙庆光.直流电动机动态数学模型.电工技术,1997.1
14. 徐月华,汪仁煌.Matlab在直流调速设计中应用.广东工业大学,.8
15. 孙虎章. 自动控制原理.中央广播电视大学出版社,1984
16. 邹伯敏. 自动控制原理.机械工业出版社,
17. 王兆安、黄俊.电力电子技术.机械工业出版社,
18. Башарин,А.В.电力拖动控制（王耀德译）.机械工业出版社,1987

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．本课题要研究或处理问题和拟采取研究手段（路径）：
三.要研究或处理问题
1.开环直流调速系统存在问题：
1) 在开环调速系统中，控制电压和输出转速之间只有顺向作用而无反向联络，即控制是单方向进行，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。假如生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内无级调速，而且开环调速系统结构简单。
2) 不过，在实际中很多需要无级调速生产机械常常对静差率提出较严格要求，不能许可很大静差率。比如，因为龙门刨床加工多种材质工件，刀具切入工件和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调整速度要求；又因为毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了确保加工精度和表面光洁度，不许可有较大速率改变。所以，龙门刨床工作台电气传动系统通常要求调速范围D=20～40，静差率S≤5%，动态速降%10%，快速起、制动。多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独电动机拖动，钢材在多个机架内同时轧制，为了确保被轧金属每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格百分比关系。依据以上轧钢工艺要求，通常须使电力拖动系统调速范围D=10时，静差率S≤0.2%～0.5%，动态速降 nmax<1%～3%，恢复时间tv<0.25s～0.3s。在上述情况下，开环调速系统是不能满足要求。
2.晶闸管整流器所存在问题关键表现在以下方面：
1) 晶闸管通常是单向导电元件，晶闸管整流器电流是不许可反向，这给电动机实现可逆运行造成困难。必需实现四象限可逆运行时，只好采取开关切换或正、反两组全控型整流电路，组成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。
2) 晶闸管元件对于过电压、过电流和过高du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超出许可值全部可能在很短时间内元件损坏，所以必需有可靠保护装置和符合要求散热条件，而且在选择元件时还应保留足够余量，以确保晶闸管装置可靠运行。
3) 晶闸管控制原理决定了只能滞后触发，所以，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸收滞后无功电流，所以功率原因低，尤其是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管导通角很小，使得系统功率原因很低，并产生较大高次谐波电流，引发电网电压波形畸变，殃及周围用电设备。假如采取晶闸管整流装置调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓“电力公害”。为此，应采取对应无功赔偿、滤波和高次谐波抑制方法。
4) 晶闸管整流装置输出电压是脉动，而且脉波数总是有限。假如主电路电感不是很大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，所以机械特征也有连续和断续两段，连续段特征比较硬，基础上还是直线；断续段特征则很软，而且展现出显著非线性。
3.为了确保转速发生器高精度和高可靠性，系统采取转速改变率反馈和电流反馈双闭环电路关键考虑以下问题：
1) 确保转速在设定后立即达成稳速状态；
2) 确保最优稳定时间；
3) 减小转速超调量。
4.双闭环调速系统起动过程所包含以下三个问题：
1) 饱和非线性控制：伴随ASR饱和和不饱和，整个系统处于完全不一样两种状态，在不一样情况下表现为不一样结构线形系统，只能采取分段线形化方法来分析，不能简单用线形控制理论来笼统设计这么控制系统。
2) 转速超调：当转速调整器ASR采取PI调整器时，转速肯定有超调。转速略有超调通常是许可，对于完全不许可超调情况，应采取其它控制方法来抑制超调。
3) 按时间最优控制：在设备许可条件下实现最短时间控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，在电动机许可过载能力限制下恒流起动，就是时间最优控制。但因为在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起动过程和理想开启过程相比还有部分差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小成份，无伤大局，可称作“按时间最优控制”。采取饱和非线性控制方法实现按时间最优控制是一个很有实用价值控制策略，在多种多环控制中得到普遍应用。
四.拟实施步骤
3月5 日到3月12日
掌握电机传动工作原理及应用；完成毕业设计开题汇报。
3月12 日到4月 1 日
查阅相关文章和资料；设计调速系统；关键内容包含：触发电路设计；电流调整器设计；转速调整器设计。
4月2 日到4月15日
分析并确定系统设计方案；建立数学模型，计算其参数。
4月16 日到4月20日
进行系统各部分设计和试验，数字仿真，验证其设计；完成相关试验。
4月21 日到4月30日
开始书写论文并修改。
5月1 日到5月31日
完成论文修改并定稿。
五.拟研究关键方法和手段
1.改变电枢回路电阻调速：
在电枢回路中串入可调电阻Rw来改变电枢回路总电阻来调速，此时转速特征公式为：n=[Ua-Ja(Ra+Rw)]/CEΦ,当负载一定时，伴随串入外接电阻Rw增大，电枢回路总电阻增大，电机转速就降低。这种方法调速比低，转速改变率大，轻载下极难得到低速，且效率极低，现在极少采取。
2.改变电枢供电电压调速：
连续改变电枢供电电压，能够使直流电动机在很宽范围内实现无级调速。改变电枢供电电压方法有两种：一个是采取发电机-电动机供电调速系统；另一个是晶闸管变流器供电调速系统。
变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广一个调速方法。该方法中因为电机在任何转速下磁通全部不变，只是改变电动机供电电压，所以在额定电流下，不管在高速还是低速下，电机全部能输出额定转矩，该方法也称恒转矩调速。多年来伴随大功率半导体器件发展，尤其是IGBT和MOSFET等制造工艺成熟和成本不停降低，使得采取大功率半导体器件实现直流电机脉宽调速系统得到迅猛发展。
3.改变励磁电流调速：
当电枢电压恒定时，改变电动机励磁电流也能实现调速。 电动机转速和磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。
因为电动机转矩是磁通和电枢电流乘积，电枢电流不变时，伴随磁通减小，其转速升高，转矩也会对应地减小。经典恒功率调速。
4. 采取晶闸管变流器供电调速方法：
变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广一个调速方法。
5. 采取大功率半导体器件直流电动机脉宽调速方法：
脉宽调速系统出现历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能立即在生产实际中推广应用。今年来，因为大功率晶体管(GTR)，尤其是IGBT功率器件制造工艺成熟、成本不停下降，大功率半导体器件实现直流电动机脉宽调速系统才取得迅猛发展，现在其最大容量已超出几十兆瓦数量级。

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
指导老师意见：
1．对“文件综述”评语：

2．对本课题深度、广度及工作量意见和对设计（论文）结果估计：

指导老师：
年 月 日
所在院（系）审查意见：

责任人：
年 月 日