转速单闭环V-M不可逆直流调速系统

.PAGE.转速单闭环V-M不可逆直流调速系统摘要晶闸管—电动机调速系统（V—M系统）在20实际60年代开始逐步取代G—M系统而成为20世纪后30年中直流调速系统的主要形式。电源是静止装置，由电力电子AC/DC变换器供电。输出电压可调的电力电子AC/DC变换器最常见的就是大家所熟悉的晶闸管可控整流器，通过改变晶闸管的可控整流器的控制角α来改变可控整流器输出电压的极性和大小。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统。关键词：稳态性能稳定性单闭环负反馈静差目录第0章前言………………..4第1章课程设计内容……………………..4第2章性能指标…………..5第3章方案论证………………..6第4章主回路设计…………….………8第5章控制回路设计……………………..115.1转速给定电路………………...……..115.2调节器………………...125.3触发电路………………...……………135.4电源设计………………...……………145.5单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈………………14第6章参数计算…………….15第7章结束语……………….15第7章感谢辞……………...16第8章参考文献……………16前言为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力，但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可用积分调节器代替比例调节器。反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方法就是采用转速负反馈构成闭环调节系统一、课程设计内容系统参数：电动机：功率装置放大倍数：电枢回路总电阻：电机有关时间常数：转速反馈系数：反馈滤波时间常数：系统指标：转速超调，无静差其主要内容包括：1、方案确定；2、主电路设计；3、控制电路设计；4、主要电气设备的计算和选择5、绘制原系统的动态结构图；二、性能指标任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。例如，最高速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无极调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载使得允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统系统转速控制的要求有以下三方面：1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速。2）稳速。以一定的精度再说需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。3）加、减速。自动设备要求加、减速尽量快，以提高生产效率，不易经受剧烈速度的机械则要求起、制动尽量平静。为了进行定量分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合成调速系统的稳态性能指标。一个调速系统的调速范围是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围，若额定负载下的转速降落为△nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即，于是最低转速为，而调速范围为，将上式的nmin式代入，得，表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所满足的关系。方案论证对于直流电动机调速的方法有很多，各种调速方法可大致归纳如下：方案1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。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2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3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。基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。与电动机同轴安装一台测速发电机GT,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压△Un，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc,用以控制电动机的转速。这就责成了反馈控制的闭环直流调速系统。晶闸管装置常用于特大容量系统。其原理图如图1所示。图1转速单闭环V-M不可逆直流调速系统由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M,被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压（综合）比较环节，电位器RP1是给定原件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测原件。该调速系统的组成框图如下：特点：①把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；

②测速环节：直流测速发电机，与直流电机同轴联结；

③设置放大器闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：

总结:具有比例调节器的单闭环调速系统的基本性质，强调指出：有静差系统的概念。这种系统是以存在偏差为前提的，反馈环节只是检测偏差，减小偏差，而不能消除偏差，因此它是有静差调速系统。四、主回路设计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。考虑到第二种的优点，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。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2三相桥式整流电路原理图电路特点：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。负载时直流电动机，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软，导通角越小，则电流波形的底部就越窄，电流平均值是与电流波形的面积成正比的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势，因此，当电流断续时，随着Id的增大转速n降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大，较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时对于相等的电流平均值，若电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通额时间。为保证电流连续所需的电感量L可由下式得出：一般取Idmin为电动机额定电流的5%~10%。整流电路参数计算：(1)的计算—负载要求的整流电路输出的最大值；—晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V，通常取；n—主电路中电流回路晶闸管的个数；A—理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；C—线路接线方式系数；—电网电压波动系数，通常取；—最小控制角，通常不可逆取；—变压器短路电压比，100Kv以下的取；—变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知，取、，查表得，取,,,,查表得代入上式得：应用式，查表得，取，，取，电压比:（2）一次和二次向电流和的计算由式得，由表得，，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：（3）变压器的容量计算(4)晶闸管参数选择由整流输出电压，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：（5）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）五、控制回路设计5.1转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3所示。图3转速给定电路原理图5.2调节器将上述有静差系统中的比例放大器改成比例积分调节器，便构成了无静差系统。为了限制起动冲击电流，系统也采用电流截止负反馈。PI型调节器原理图如图4所示。图4PI调节器原理图当时上述系统的稳态结构图如下所示。现以阶跃负载为例（指突增或突降负载的情况），来讨论PI调节器在扰动调节过程的作用，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=62.5。图5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——转速调节器的比例系数；——转速调节器的超前时间常数；闭环调速系统用PI调节器串联校正，PI校正牺牲了系统的快速性，而系统的稳态精度变好。5.3触发电路图6触发电路原理图5.4电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款±15V的直流稳压电源供电，其电路图如图7所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。图7±15V电源电路原理图5.5单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流Id为：当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为：它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在电压可调的场合则采用降压起动。六、参数计算当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为闭环系统的稳定条件：超调量计算：结束语课程设计做完了，感谢老师的知道和同学们的帮助。通过这次课程设计，我对《运动控制系统》这门课程有了新的认识。当初学习时态度不认真，而考试也是仅仅停留在应付过去、保证及格的层面上，等到真正做课设了，发现几乎没学到东西，后悔莫及。因此课程设计过程可以说是困难重重，没办法，只能硬着头皮一页一页翻书，很多东西不懂就问，可以说是从零开始。这次课设使我对运动控制系统、尤其是单闭环不可逆直流调速系统有了深入的了解，因为很多资料在网上搜不到，都是自己琢磨、跟同学讨论的，很有收获。感谢辞首先感谢学院能给我一个让我们把所学的知识总结起来的机会，通过这次课程设计，使我对电力拖动有了一个整体上的概括，以及晶闸管的用法和作用的了解。这次课程设计是在各个老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。还有小组成员的合作一起完成的这个课程设计，这个课程设计让我们对以前学过的知识有了重新的认识，这次课程设计让我受益非浅。在此，我还要感谢和我同组的同学。在做课程设计时，正是由于同学的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本次设计的顺利完成。他们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助参考文献1陈伯时主编.《运动控制系统》.北京：机械工业出版社，2003.72王兆安黄俊主编.《电力电子技术》.北京：机械工业出版社，20003李发海王岩主编.《电机与拖动基础》.北京：清华大学出版社，2005.84罗飞主编.《运动控制系统》.北京：化学工业出版社，2001.9