干燥机直流调速不可逆系统设计

1、江西理工大学应用科学学院江西理工大学应用科学学院电力拖动综合课程设计专 业： 电气工程及其自动化班 级： 学 号： 姓 名： 设计题目：干燥机直流不可逆调速系统设计报告格式25分设计内容45分答辩考勤总计得分封面3页面布局5目录格式3图表质量4间行距、字体5页眉页脚5设计题目分析5系统控制方案8设备计算、选型7电气原理图调节器参数整定或程序设计101020主电路5控制电路5总图5 2016年11月目 录第1章 设计任务分析- 1 -1.1 课题的要求与内容- 1 -1.2系统的概述与分析：- 1 -第2章 电力拖动系统的性能指标分析- 3 -2.1机械特性- 3 -2.2调速特性- 3 -2.

2、2.1稳态性能指标- 3 -2.2.2 动态性能指标- 4 -第3章 电动机的选择- 5 -3.1 电机容量的原则- 5 -3.2电机电气线路- 6 -第4章 控制系统设计- 7 -4.1 双闭环动态抗扰性能- 7 -4.2 闭环系统分析及参数计算- 9 -4.3直流调速系统用的可控整流装置- 9 -第5章 系统校正与参数整定- 12 -5.1 拖动对象的参数计算- 12 -5.2 预制参数设置- 12 -5.3 调节器参数计算- 12 -5.4 调节器的实现及器件选择- 13 -5.5 检测电路参数设置- 15 -5.6 调节器限幅输出电路- 16 -5.7 平波电抗器的计算- 16 -总

3、结- 17 -参考文献- 18 -I第1章 设计任务分析1.1 课题的要求与内容 某耐火材料厂半成品干燥隧道式干燥机采用直流电动机驱动，热风为烧结尾气，温度、风量波动较大，故要求干燥机内产品托盘行进速度随之改变，试设计直流不可逆调速系统。工艺要求 ：托盘行进速度0.005-0.1m/s无级可调，无静差。负载、供电电压波动时速度波动小于10%。工作现场有200V直流母线，100A空开保护，最大电压波动-30%-+5%，传动系统为蜗杆齿条，效率0.9。拖动阻力基本与速度无关，平均200KN，托盘承载物料不同时有10%波动。通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。1.2系统的概述与分析： 根据课

4、题的要求该系统对电机的转速控制采用无静差直流调速系统进行控制。无静差直流调速系统可分为：1转速负反馈，2电压负反馈3电流正反馈等4附加电流正反馈的电压负反馈等几种直流调速系统。双闭环直流调速系统电路原理图如图1-1所示：图1-1 双闭环直流调速系统原理图ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流法互感器UPE电力电子变换器 UN* -转速给定电压 Un-转速反馈电压 Un*-电流给定电压 Ui电流反馈电压采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截 止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Idcl时，Ui高于

5、稳压管VS的击穿电压，使晶体管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压U d急剧下降，达到限流的目的。当电动机电流低于其截止值时，由如下系统稳态结构图框图所示：图1-2系统稳态结构图第2章 电力拖动系统的性能指标分析2.1机械特性我们称n=f(T)为电动机的机械特性，n=f(Tz)为生产机械的负载转矩特性。一 恒转矩负载特性当转速变化时，负载转矩的大小保持不变称为恒转矩负载特性。可分为：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。二 恒功率负载特性恒功率负载是指负载的功率为常数，不随转速的变化而变化。由于 Pz=Tz=Tz=k,则 Tz= （ 2-1 ）式中常数k

6、1=9.55k.由式中可知，恒功率负载的转矩与转速成反比。以上三类负载机械特性是从各种实际负载中概括出来的典型化的负载机械特性，实际负载机械特性可能是以某种典型特性为主的几种典型特性的组合。如果拖动对象的负载特性没有给出，则需要通过分析、实验等方法求取，具体方法可查阅相关文献。当拖动对象的负载特性确定后，电力拖动系统能够工艺设备正常工作的必要条件和充分条件是：1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在 。 （ 2-2 ） 2.充分条件: 在交点处满足 。 或者说，在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在 。 （ 2-3 ）由此，我们可大致解算出电力拖动系统需要具有的基本参

7、数，包括选用电动机应该具有的输出转矩、输出功率、最大转速和拖动系统的人为机械特性。2.2调速特性（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。2.2.1稳态性能指标我们给出调速范围和静差率的定义，这是电力拖动系统的主要稳态特性指标：调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即： （ 2-4 ）静差率：当

8、系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 DnN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即：（ 2-5 ）调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。2.2.2 动态性能指标工艺设备还要求电力拖动系统具有满足工艺要求的动态指标，包括跟随指标和抗扰动指标：1、跟随指标：调速系统对给定信号的跟随性能一般用阶跃给定信号下，系统响应的最大

9、超调量、调整时间和振荡次数三个指标来衡量。最大超调量：（ 2-6 ）调整时间ts：从给定量作用于系统开始到被调量进入稳定区域止的时间。振荡次数：被调量在稳态值上下摆动的次数。2、抗扰动指标：对扰动量作用时的动态响应性能，一般用最大动态速降nmax、恢复时间tf和振荡次数N来衡量。最大动态速降nmax反映了系统抗干扰的能力和稳定性恢复时间tf反映系统的抗扰能力振荡次数N定义同跟随特性，同样反映系统稳定性和抗扰能力扰动的来源可能包括以下方面，所有这些因素最终都要影响到转速。1）负载变化的扰动（使Id变化）；2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）；4

10、）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；第3章 电动机的选择3.1 电机容量的原则（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的调速范围及具有良好的起动和制动性能。（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受有害气体腐蚀等。转速：1500r/min额定功率：P=F*V /0.9=23KW额定电压 220V表3-1 电动机技术数据表由此可得，电动机选用Z

11、2-81型。3.2电机电气线路图3-2 接线图第4章 控制系统设计4.1 双闭环动态抗扰性能单闭环调节系统对于被包在反馈环内的一切扰动量都有抑制作用。这些扰动量最终要反映到被调量，由测出被调量的偏差进行调节，根据系统的静态特性，扰动才会被抑制，。但还存在不能及时调节的问题。从图4-1可知，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰动作用。因此，在突加负载时，必然会引起动态速升，为了减少动态速升，必须在设计转速调节器ASR时，要求系统具有良好的抗扰动指标。对于双闭环系统，扰动对系统的影响与扰动的作用点有关，扰动作用域内环的主通道中，将不会明显的影响转速， 图4-1转速调节（1） 系统的

12、组成，该系统给定电位器RPG由转速环节输出电压控制，用以保证转速信号给定的信号精度。（2） 系统的工作原理和静特性，由系统的控制原理图我们可以看出，系统的转速调节是按给定量和反馈量的偏差进行调节，其偏差大小，该信号经过放大器放大后，去控制触发脉冲的移相角，调节整流电压和电动机的转速变化，只要系统的被调转速产生偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用，也起到了稳速的作用。要实现这转速系统的各个参数，要有放大器，而且放大器的倍数要足够大，才能保证一定的性能指标。因此在闭环系统中，引入转速反馈电压后，若要转速偏差小，就必须压的很低。所以设置放大器，才能获得足够的电压。此系统必须要求采用二极管限幅电路，限幅

13、电路。电路如图图 4-2转速环节参数计算：1 确定时间常数，（1） 电流环的等效时间常数为， （ 4-1 ）（2） 转速滤波时间常数 TON根据所用测速发电机的纹波情况，取TON =0.01（3）转速环小时间常数Tn按时间常数近似处理，取 （ 4-2 ）2选择转速调节器的结构按典型二型系统设计转速环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为： （ 4-3 ） 式中：Ka:调节器的比例参数，:转速调节器的超前时间常数，4.2 闭环系统分析及参数计算电动机：UN=220V nN =1500r/min Pn=30w In=157.5A主回路： 全控桥式整流： m=3负载及电动机: GD2=2.8 kg.

14、m2固有参数计算电势系数;转矩系数:电磁时间常数 机电时间常数 晶闸管整流器滞后时间常数 取ASR限幅值:取转速给定的最大值 =10V取转速反馈滤波时间常数:4.3直流调速系统用的可控整流装置此次设计用的是V-M方式，步骤如下，(1) 根据电动机的额定电压不同，确定整流变压器的输出电压和可控整流电流的结构形式，一般请款，当控制角a为0时，整流输出电压的有效值U应约等于1.1倍的电动机额定电压UN,运算关系如下表。(2) 电路结构确定后既要进行晶闸管的型号选择，一般取晶闸管的额定电压的1.5倍2倍的UM，额定电流大于2倍的电动机额定电流IN确定，原理图如下： 图4-3 直流调速系统用地可控直流电

15、源原理图（3）触发电路上设计，一般采用KC或KJ系列的集成触发器，触发电路需要三个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图所示：图 4-4 触发电路设计原理图第5章 系统校正与参数整定5.1 拖动对象的参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取H=5则ASR的超前时间常数为转速开环增益：于是：ASR的比例系数为：5.2 预制参数设置1、调节器输出限幅值、给定值取值范围根据控制电路供电情况选定，一般要求小于10V。控制电路供电可采用开关电源模块或者仪用线性电源模块，一般应包含有15V输出以供电运放。2、电流、电压反

16、馈系数确定： （ 5-1 ） （ 5-2 ）3、变流环节开环增益： （ 5-3 ）4、确定反馈量的滤波电路时间常数。5.3 调节器参数计算1、电流调节器参数计算一般电流环校正为典I系统。取电流调节器为PI调节器，则其时间常数和开环增益应为：=0.03s电流环开环增益，要求时，应该取，因此于是，ACR的比例系数为2、速度调节器参数计算一般速度环校正为典II系统，要求系统无静差时为PI调节器，则其时间常数和开环增益应为：其中h为系统Bode图中频宽，有拖动对象要求的动态品质决定。5.4 调节器的实现及器件选择对于模拟控制，调节器由运放及外围器件组成。调节器形式、参数确定后，要确定运放型号和外围器件

17、参数。1、电流调节器的实现：电流调节器电路原理图如图5-1所示：图 5-1电流调节器电路原理图电流调节器电路参数计算公式（ 5-4 ）另外还有考虑供电情况以选择电阻的功率值、电容的耐压值以确定其型号。2、转速调节器的实现：模拟式转速调节器电路如图5-2所示，转速调节器参数计算：图 5-2 转速调节器电路图另外还有考虑供电情况以选择电阻的功率值、电容的耐压值以确定其型号。5.5 检测电路参数设置各反馈量的反馈系数应当由对调节器限幅值、给定值取值范围做出预制参数范围确定。1、转速反馈环节的反馈系数和电路参数：转速反馈环节的反馈系数为： （ 5-5 ）而： a = a2 Cetg， （ 5-6 ）其

18、中Cetg为测速发电机的电动势系数，a 2为其输出电位器的分压系数。在根据连接方式和电动机最大转速确定了测速发电机信号后，测速发电机的电动势系数Cetg确定。一般对a 2先试取=0.2，再检验是否合适。其阻值为： （ 5-7 ）校验其功耗：（ 5-8 ）为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上。2、电流反馈环节的反馈系数和电路参数：电流检测电路如图5-3所示：TA图 5-3 电流检测电路图TA型号可查电气工程手册。5.6 调节器限幅输出电路电路原理图如图5-4所示：图 5-4电路原理图调节器输出限幅值取值范围根据控制电路供电情况选定，一般要求小于10V。5.7 平波电抗器的计

19、算为了使模块在控制直流电机起动和调速时，能够更平稳、扭矩更大，推荐使用滤波电抗器。电抗器的选择方法按对电流脉动情况的要求根据下式估算出电感。 （ 5-9 ）式中：Kmd系数，三相全控整流取Kmd=1.05；S 电流最大允许脉动系数，S取10%；IZ负载额定电流（A）；U2三相输入相电压；LD电动机电感，其值按下式计算： （ 5-10 ）KD系数。一般无补偿电机取812；快速无补偿电机取68；有补偿电机取56；UE电动机额定电压；电动机磁极对数；NE电动机额定转速；IE 电动机的额定电流。总 结 经过两周的努力，我的课程设计终于完成了通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、