转速单闭环直流调速系统设计1.doc

题目：单闭环不可逆直流调速系统设计

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1 技术指标
电动机参数：PN=3KW, nN=1500rpm,　UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数 =0.07。调速指标：D=30，S=10%。
2 设计要求
（1）闭环系统稳定
（2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。
3 设计任务
（1）绘制原系统的动态结构图；
（2）调节器设计；
（3）绘制校正后系统的动态结构图；
（4）撰写、打印设计说明书。
4 设计说明书
设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容:
(1) 中文摘要
(2) 英文摘要

目　录
第一章　中文摘要 - 1 -
第二章　英文摘要 错误！未定义书签。
第三章　课程设计的目的和意义 - 1 -
1．电力拖动简介 - 1 -
2.课程设计的目的和意义 - 2 -
第四章　课程设计内容 - 2 -
第五章　方案确定 - 3 -
5.1　方案比较的论证 - 3 -
5.1.1　总体方案的论证比较 - 3 -
5.1.2　主电路方案的论证比较 - 4 -
5.1.3　控制电路方案的论证比较 - 6 -
第六章　主电路设计 - 7 -
6.1　主电路工作设备选择 - 7 -
第七章　控制电路设计 - 8 -
第八章　结论 - 11 -
第九章　参考文献 - 11 -

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第一章　中文摘要
摘要：为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。
课程设计是我们在校期间的一次综合训练，它将从思方法、理论知识以及动手能力方面给予
我们严格的要求。使我们综合能力有一个整体的提高。它不但使我们巩固了本专业所学的知识，还使我们了解、熟悉了国家能源开发策略和有关的技术规程、规范以及各种设备的图形、符号等。它将为我们以后的学习、工作打下良好的基础。
本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定，主电路设计控制电路等。设计的内容符合国家有关经济技术政策，包括可靠性、经济性等方面。
该设计为单闭环不可逆直流调速系统电动机参数：PN=3KW, nN=1500rpm, UN=220V, IN=17.5A, Ra=1.25Ω。主回路总电阻R=2.5Ω，电磁时间常数Tl=0.017s, 机电时间常数Tm=0.075s。 三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数 =0.07。调速指标：D=30，S=10%。
本次设计中进行了计算，主要设备调试，关于主电路设计和控制电路设计是基础部分，对晶闸管和电机的调试是非常重要的部分。
计算书部分通过数据的形式对设计的要求和需要的参考价值等以直观的描述。
关键词：稳态性能 ；稳定性；开环；闭环负反馈；静差
第三章　课程设计的目的和意义
1．电力拖动简介
电力拖动是利用电动机拖动生产机械的工作机构使之运转的一种方法。由于各种生产机械的工作性质和加工工艺不同，对电动机的控制要求也不同。要使电动机按照生产机械的要求正常、安全、高效、节能地运转，必须配备由一定的电器组成的控制线路。电力拖动控制线路课程特点是：（1）理论系统性强，前后连贯紧密，教学目标明确；（2）实践性强，技能训练与生产实际相联系，是理论教学直观有效的反馈评价途径。
2.课程设计的目的和意义
1）了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。
2）掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。
3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。
4）掌握交、直流电机的基本结构、原理、运行特性。
5）掌握交、直流电动机的机械特性及起动、调速、制动、反转的基本理论和计算方法。
6）了解选择电动机的原则和方法。
7）学习低压电器基础知识，具备使用有关手册，图表资料的初步能力。
8）学会分析电力拖动与自动控制系统中电动机的机械特性，各种运行状态及控制特性，掌握它们的基本原理和相应计算方法。
9）掌握电力拖动控制理论和线路分析方法，具备排除一般故障的能力。
10）通过实验、实习等教学环节，深化专业理论，增强动手能力，具备初步的电力拖动制动系统的调试能力。
第四章　课程设计内容
电动机参数：PN=3KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5 ，电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数 =0.07。调速指标：D=30，S=10%。
其主要内容包括：
方案确定；
主电路设计；
控制电路设计；
绘制原系统的动态结构图；
调节器设计；
绘制校正后系统的动态结构图。
第五章　方案确定
5.1　方案比较的论证
5.1.1　总体方案的论证比较
对于直流电动机调速的方法有很多，而其各有它自己的优点和不足。各种调速方法可大致归纳如下：
（１）弱磁调速 通过改变励磁线圈中的电压Uf，使磁通量改变（Uf增大，磁通量增大；Uf增小，磁通量增小）。
特点：保持电源电压为恒定的额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁电流大小，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速的方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制起来比较方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而其更重要的是此方法可以实现无级平滑调速，但由于电动机的换向有限以及机械强度的限制，速度不能调节得太高，从而电动机的调速范围也就受到了限制。
（２）串联电阻调速　 即在电枢回路中串入一个电阻，其阻值的大小根据实际需要而定，使电动机特性变软，
特点：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢回路中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即曲线斜率的不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，而其成本较低，单外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而其电阻在一定程度上要消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性较差，只能适应对调速要求不高的中小功率型电动机。
（３）调节电枢电压调速 电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。
特点：在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电视两端的电压，即电源电压降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速 方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变。所以得到的调速范围可以达到很高，而且能实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，可分为如下两种：
1）使用晶闸管可控整流装置的调速系统；
2）使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。
基于以上的特点，当前有3种方法可供选择。
方案Ⅰ 　弱磁调速
系统采用弱磁调速。由于弱磁调速方法的特点可以看出：功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。这是它的优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求在1500r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。
方案Ⅱ 　串联电阻调速
系统采用串联电阻调速。这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。但它外串电阻只能是分段调节，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。
方案Ⅲ 　调节电枢电压调速
系统采用调节电枢电压的调速方法。这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。
鉴于以上对各种调速可行性方案的论述本，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。
5.1.2　主电路方案的论证比较
主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。
直流电动机的调速方法有两种，具体为：1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即采用PWM的调压调速控制；2）使用晶闸管可控整流装置调速。
一、PWM调压调速方案
电源装置采用PWM调压，其基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出相应是相同的。
SPWM波形——脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，可表示如下。

图1 用PWM波代替正弦波

图2 PWM调压电路

二、使用晶闸管可控整流装置调速
通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。电路如下：

图3 晶闸管可控整流装置电路
电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置时SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠性也比较高，技术成熟等优点。设计的对象电机的容量是3KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。不过由于也存在正反两组的问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。
综上所述，综合考虑比较两者的优点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。
5.1.3　控制电路方案的论证比较
对电动机转速的控制调节方法有几种控制方法：
（1）才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法；
（2）采用双闭环的速度、电流反馈控制调节方法。
方案论证：
1) 采用才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。但是此方法又有其缺点，在启动过程总系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大负荷时的电流值定为电流截止负反馈的限制值，这将影响电动机的启动时间，而且难以把握电流的动态过程。由于直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，这样大的电流会烧坏晶闸管元件和电机，因而要加以限制。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。系统中若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但是单闭环调速系统中如果存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度，而这又是我们希望避免的。如果能做到电流负反馈在正常运行时不起作用，而在过电流情况下起电流负反馈作用。为此，可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈环节。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统
2）采用双闭环速度电流调节方法，这种方法虽然成本相对较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时电流的动态过程，又保证了稳态后的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。当到达稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，能很好的满足生产需要。
第六章　主电路设计
6.1　主电路工作设备选择
电动机参数：
PN=3KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5 ，电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数 =0.07。调速指标：D=30，S=10%。
变压器的副边电压的确定：
因为UN=220V，整定的范围在30°～150°之间，所以油三相全控整流公式：UD=2.34U2cosα,当α在30°时又最大值，算出U2=108.5V，所以可以选择U2=120V。
晶闸管参数的计算：
由于电动机电流的大小为17.5A，即最大电流为：Imax=17.5A.

又由整流输出的电压Ud=UN=220V，进线的线电压是120V。由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即有

晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即

考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍的关系，电流裕量选为1.5倍的关系，所以工作的晶闸管的额定电压容量的参数可选择为：

电枢回路的平波电抗器的计算：
电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。

则电枢需要串入的电枢电抗大小可以算为：
（其中La为电枢的固有电抗值）
第七章　控制电路设计
控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。

调节器的输出限幅值的确定：
转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定电流给定电压的最大值，其输出决定了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
对于本系统：设转速达到额定时的给定电压为+7.5V，转速调节器的输出最大限幅值为±5V，Ks=40。
1> 为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为

2> 求闭环系统应有的开环放大系数
先计算电动机的电动势系数

则开环系统额定速降为

闭环系统的开环放大系数应为

3> 计算转速反馈环节的反馈系数和参数
根据调速指标要求，前已求出闭环系统的开环放大系数应为K≥41.22，则运算放大器的放大系数Kp应为

实取Kp=2。
运算放大器的参数选取为：根据所用运算放大器的型号取R0=20KΩ，则R1=KpR0=2×20=40KΩ。

系统动态结构框图
为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型Ⅱ系统进行设计。
由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

式中 Kn——转速调节器的比例系数；
tn——转速调节器的超前时间常数；
这样，调速系统的开环传递函数为

令τn=hT∑n，h=5，τn=hT∑n=5×0.515=2.573 s
则转速调节器的传递函数为

其动态结构框图可表示为：

第八章　结论
单闭环不可逆直流调速系统最终能较好地运行，从零开始加给定电压，速度从零开始上升，系统能够正常地启动，使速度升至给定的速度值。
如果从零开始升速启动的过程中出现了过流报警现象，而此时的转速并不高，负荷也不是很大的时候，我认为这时虽然各个单元都已经调试好，但并不等于整个系统参数就已经很好，这是不同的，因为系统的各个单元模块之间有一定的耦合关系，系统所能表现出来的性能和各个单元模块之间都有很大的关系，它们的参数会互相牵制，一旦某个参数整定得不合理就有可能使得系统的性能大大降低，所以在此显得了系统调试的必要性和相关性。我认为速度环的PI参数，稍微偏那么一点，系统表现出来的现象会很不相同，所以PI参数的整定显得尤为重要，速度也可以调到额定转速运行。
第九章　参考文献
陈伯时，《电力拖动自动控制系统》【M】，机械工业出版社
王兆安、黄俊，《电力电子技术》【M】，机械工业出版社
罗飞，《运动控制系统》【M】，化学工业出版社
方晓钟，《电力电子技术与电气传动》【M】，机械工业出版社
杨兴瑶《电气传动及应用》【M】，化学工业出版社
易继锴，《电气传动自动控制原理与设计》【M】，北京工业大学出版社