電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、電壓負反饋加電流補償調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計電壓負反饋自動調(diào)速系統(tǒng) 姓名：王 亞 珂 班級：電氣1104 學號：0401110413 指導老師：楊科科目 錄一. 概述二. 設(shè)計方案 三系統(tǒng)的分析與計算 四任務實現(xiàn)電路 五結(jié)論 六. 體會一. 概述1.1 調(diào)速的基本概念 調(diào)速即速度控制，是指在傳動系統(tǒng)中認為地或自動地改變電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機械對不同轉(zhuǎn)速的要求。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法，來改變電動機的機械特性，從而改變它與工作機械特性的交點，改變電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度。速度調(diào)節(jié)，可以通過手動給定信號并通過中間放大、保護等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。電動機轉(zhuǎn)速人為給定，不能自動糾正

2、轉(zhuǎn)速偏差的方式稱為開環(huán)控制，在很多情況下還希望轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，即轉(zhuǎn)速不隨負載及電網(wǎng)電壓等外接擾動而變化。此時電動機轉(zhuǎn)速應能自動調(diào)節(jié)，即采用閉環(huán)控制，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)1.2調(diào)速的分類1.2.1 無級調(diào)速和有級調(diào)速 無級調(diào)速，又稱連續(xù)調(diào)速，是指電動機的轉(zhuǎn)速可以平滑地調(diào)節(jié)。其特點是：轉(zhuǎn)速變化均勻，適應性強而且容易實現(xiàn)調(diào)速自動化，因此在工業(yè)中被廣泛使用。有級調(diào)速，又稱間斷調(diào)速或分級調(diào)速。它的轉(zhuǎn)速只有有限的幾級，調(diào)速范圍有限且不易實現(xiàn)調(diào)速自動化。1.2.2 向上調(diào)速和向下調(diào)速電動機未作調(diào)速時的固有轉(zhuǎn)速，即為電動機額定負載時的額定轉(zhuǎn)速，也稱為基本轉(zhuǎn)速或基速。一般地，在基速方向提高轉(zhuǎn)速的調(diào)速稱為向上調(diào)速。反

3、之為向下調(diào)速。1.2.3 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：有很大一部分機械，其負載性質(zhì)屬于恒轉(zhuǎn)矩類型，即在調(diào)速過程中不同的穩(wěn)定速度下，電動機的轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。如果選擇的調(diào)速方法能使電磁轉(zhuǎn)矩t為常數(shù)，則在恒轉(zhuǎn)矩負載下，電機無論在高速或低速下運行，其發(fā)熱情況始終是一致的。這就使電動機容量能得到合理而充分的利用。這種調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，例如，當磁通一定時，調(diào)節(jié)電動機的電樞電壓或電樞回路電阻的方法就屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。恒功率調(diào)速：具有恒功率特性的負載，是指在調(diào)速過程中負載功率p為常數(shù)，其負載轉(zhuǎn)矩t=/n （為勵磁調(diào)節(jié)系數(shù)），這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。用恒功率調(diào)速方法去帶動恒轉(zhuǎn)矩負載是不合理的，在高

4、速時會使電機過載。1.3調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍。通常用d表示，即 （1-1）靜差率（又稱轉(zhuǎn)速變化率）：電動機在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載變到額定負載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落與額定負載時轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率s，常用百分數(shù)表示即 （1-2）顯然，靜差率與機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小。靜差率也與工作速度有關(guān)，速度越高，靜差率越小，因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標不是孤立的，必須同時提出才有意義。1.4調(diào)速系統(tǒng)的時域指標1.4.1階躍響應性能指標圖1-1是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖，圖中r(t)為階躍參考輸入信號，n(t)為系

5、統(tǒng)的擾動輸入信號，系統(tǒng)的輸出為c(t)。當給定信號變化方式不同時，輸出相應也不一樣，通常以輸出量的初始值為零、給定信號為階躍變化下的過度過程作為典型的跟隨系統(tǒng)過程。這時的動態(tài)響應又稱作階躍響應，一般希望階躍響應輸出量與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達到輸出量的時間越快越好，主要的階躍響應性能指標有：圖1-1 典型閉環(huán)系統(tǒng)1. 上升時間tr在典型的階躍響應過程中，輸出量從零開始，到第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性。見圖1-3 圖1-3 典型階躍響應曲線 2.超調(diào)量在典型的階躍響應過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，即 （1-4）超調(diào)量反映系

6、統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)越小相對穩(wěn)定性越好。3.調(diào)節(jié)時間ts調(diào)節(jié)時間又稱過渡時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢，原則上它應該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。但是對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要使時間t到無窮才真正穩(wěn)定但是實際系統(tǒng)常取5的范圍作為允許誤差帶，以響應曲線進入該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間。1.4.2 抗擾性能指標控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行中，如果受到擾動，經(jīng)歷一段動態(tài)過程后，總能達到新的穩(wěn)態(tài)，這以恢復過程標志這控制系統(tǒng)抵御擾動的能力。一般以系統(tǒng)運行時突加一個使輸出量降低的擾動以后的過渡過程作為典型的抗擾過程，如圖1-4恢復時間tv：從階躍擾動作用開始到輸出量恢復穩(wěn)定，即

7、進入距穩(wěn)態(tài)值允許誤差帶所需的時間，稱為恢復時間（見圖1-4），圖中cb稱為抗擾指標中輸出量的基準量。 圖1-4 突加擾動的動態(tài)過程 1.5 電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)對調(diào)速系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)速負反饋是閉環(huán)系統(tǒng)的基本反饋形式，但是，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置，如測速發(fā)電機等。對模擬量控制來說，就是采用測速發(fā)電機作為反饋檢測器件，安裝測速發(fā)電機時，要求其軸和主電機軸嚴格同心，這不僅增加了設(shè)備成本，也增添了維護上的困難，對于調(diào)速指標要求不高的系統(tǒng)來說，可以采用電機端電壓負反饋的方法來代替測速發(fā)電機的速度反饋方法，從而使系統(tǒng)加以簡化，但是，電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)不能克服電樞壓降所造成的轉(zhuǎn)速降落，調(diào)速

8、性能不如轉(zhuǎn)速負反饋，因此，在電壓負反饋的同時，對電樞壓降加以補償，即進行電流補償控制。圖1-5電壓負反饋加電流 補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖1-5 電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)原理圖二. 設(shè)計方案2.1單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中，當電動機在給定電壓um控制下運行時，若負載轉(zhuǎn)矩突然增大，使轉(zhuǎn)速n下降，測速發(fā)電機的負反饋電壓um也成比例下降，偏差電壓um增大，控制電壓uct增大，使晶閘管變流器的輸出電壓udo加大，由于機械慣性，電動機電勢e來不及變化，電樞電流id及電磁轉(zhuǎn)矩t隨之增大，使轉(zhuǎn)速n回升，從而減少了轉(zhuǎn)速降落。當負載變化時，轉(zhuǎn)速閉環(huán)負反饋引起系統(tǒng)前向通道各物理量變化的過程歸結(jié)如

9、下： 可見，單閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋體統(tǒng)的反饋精度高，容易實現(xiàn)自動化，但是結(jié)構(gòu)復雜，要求精度高，不易完成，設(shè)備成本高等缺點。圖 2-1 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.2 電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)如果略去電機的電樞壓降，則電機電樞的兩端的電壓近似與速度成正比，所以電機端電壓的負反饋是電機轉(zhuǎn)速負反饋的一種近似，圖2-2是電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。 圖2-2 電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的原理圖由圖可知電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程 （2-1）式中，從靜態(tài)特性方程可以看出，電壓負反饋把被包圍的變流器內(nèi)阻等引起的穩(wěn)態(tài)速降減小1/（1+k）倍，因為擾動在電壓負反饋環(huán)之外，系統(tǒng)對它引起的轉(zhuǎn)速降落沒有抑制作用，同樣，對于電動機勵磁變

10、化所造成的擾動，電壓負反饋也無法克服，因此，電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)要大些，即穩(wěn)態(tài)性能要差些。2.3電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)對調(diào)速系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)速負反饋是閉環(huán)系統(tǒng)的基本反饋形式，但是，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置，如測速發(fā)電機等。對模擬量控制來說，就是采用測速發(fā)電機作為反饋檢測器件，安裝測速發(fā)電機時，要求其軸和主電機軸嚴格同心，這不僅增加了設(shè)備成本，也增添了維護上的困難，對于調(diào)速指標要求不高的系統(tǒng)來說，可以采用電機端電壓負反饋的方法來代替測速發(fā)電機的速度反饋方法，從而使系統(tǒng)加以簡化，但是，電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)不能克服電樞壓降所造成的轉(zhuǎn)速降落，調(diào)速性能不

11、如轉(zhuǎn)速負反饋，因此，在電壓負反饋的同時，對電樞壓降加以補償，即進行電流補償控制。圖1-5電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖2-3 電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)原理圖2.4方案分析方案一的轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制精度高，設(shè)備精良、復雜，容易實現(xiàn)自動化，但是綜合給定任務，該任務不需要非常高的控制精度，故不采用方案二的電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)由于不能對在電壓負反饋環(huán)之外的擾動引起的轉(zhuǎn)速降落產(chǎn)生抑制作用，并且，對于電動機勵磁變化所造成的擾動，電壓負反饋也無法克服，故不采用。方案三是電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具有使處于電壓負反饋環(huán)之外的擾動引起的轉(zhuǎn)速降落產(chǎn)生抑制作用。而且設(shè)備相對簡單，

12、經(jīng)濟性好，適于本任務的設(shè)計。三. 系統(tǒng)的分析與計算3.1 直流電動機的傳遞函數(shù)為了對調(diào)速系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)分析，須建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。通常先根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列寫出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分程，進而求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，然后，組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。下面將分別給出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。圖3-1 他勵直流電動機的等值電路圖3-1 給出了額定勵磁下他勵直流電動機的等值電路，規(guī)定的正方向如圖箭頭方向所示，設(shè)主電路電流連續(xù)，可寫出微分程式 u=ri+l （3-1） e=c t 式中： e-額定勵磁下的感應電動勢； -額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩；

13、 -包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩； -電氣傳動系統(tǒng)運動部分分析算到電機軸上的飛輪量； =30 -額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比。將上述微分方程式加以整理可得以下方程 u i式中： -電磁時間常數(shù)； 系統(tǒng)機電時間常數(shù)； -負載電流。 在零初始條件下，取上述方程式兩側(cè)的拉氏反變換，分別得到如下述傳遞函數(shù)表達式 (3-2) (3-3) 根據(jù)式（3-2）和式（3-3）并考慮到n= ，即可得到額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖（3-2）所示。也可簡化成圖（3-3）所示圖3-2額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-3 簡化后的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2電壓負反饋加電流補償調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-3是電壓負反饋加電流

14、補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)的原理圖，由圖可知： （3-4）式中：反饋系數(shù)當負載增大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降落增加時，電流補償信號（即電流反饋信號）增大，使整流電壓增大，從而補償轉(zhuǎn)速降落。同時，隨著負載加大，電樞電壓降低，通過電壓負反饋的作用，整流輸出電壓增大，也使轉(zhuǎn)速降落減少，根據(jù)式（3-4）和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以得到電壓負反饋加電流補償調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖（3-4）所示。圖3-1 電壓負反饋加電流補償調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖3-1可以寫出系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程 （3-5）式中：由式（3-5）可知，電流補償作用為正值，即正反饋作用，能補償另兩項的穩(wěn)態(tài)速降，達到減少靜差的目的。3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定條件 由式（3-5）可寫出閉環(huán)

15、調(diào)系統(tǒng)的特征方程式為 （3-6） 它的一般表達式為 根據(jù)勞斯古爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，可求出系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件為 a0, a0,a0,a 式（3-6）的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此系統(tǒng)穩(wěn)定條件為 或為 (t 整理后得 k 四. 任務實現(xiàn)電路4.1 主電路由晶閘管vt1、vt2和整流二極管vd1、vd2組成單相半控橋式整流電路，vd19為續(xù)流二極管，主回路接入平波電抗器l以改善電機的換向條件，vd1vd4組成橋式整流電路，給電機勵磁供電。4.2 放大及觸發(fā)電路采用單結(jié)晶閘管觸發(fā)電路，控制信號經(jīng)vd13、vd14限幅和c5、c6、c10濾波，由晶閘管vtr放大后作為移相控制信號，移相脈沖經(jīng)脈沖變壓

16、器分別加到vt1或vt2的控制極，通過控制信號的變化可控制移相觸發(fā)脈沖的相位，從而使主電路的橋式整流器的輸出直流電壓按要求無級變化。4. 3給定與反饋電路電壓負反饋信號由r3、r4及電位器1取出，電流正反饋信號由電位器2取出，這兩個反饋信號與給定信號串聯(lián)相加，作為放大電路的出入。反饋量的大小分別通過電位器調(diào)節(jié)，由電阻r1、r2及c1組成的電壓微分負反饋信號與給定信號并聯(lián)，用以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，電流負反饋電路由三極管，穩(wěn)壓管，二極管，電阻，電容和電位器組成。4. 4保護電路 快速熔斷器f1用作短路電流保護；壓敏電阻分別為交流側(cè)、晶閘管側(cè)的過電壓保護及換向浪涌電壓保護，電阻r16和電容c7用作直

17、流側(cè)過電壓保護。圖4-1 任務實現(xiàn)線路圖4.5 校正電路 在系統(tǒng)中，要實現(xiàn)無靜差，系統(tǒng)必須在前向通道上（對擾動量，則在擾動作用點前）含有積分環(huán)節(jié)，故采用pi串聯(lián)校正。 圖4-2 串聯(lián)校正框圖 圖4-3 串聯(lián)校正對系統(tǒng)性能的影響五.結(jié)論 對調(diào)速系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)速負反饋是閉環(huán)系統(tǒng)的基本反饋形式，但是，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置，如測速發(fā)電機或光電數(shù)字轉(zhuǎn)速檢測器等。對模擬量控制來說，就是采用測速發(fā)電機作為反饋檢測器件，安裝測速發(fā)電機時，要求其軸和主電機的軸嚴格同心，這不僅增加了設(shè)備成本，也增添了維護調(diào)試上的困難，對于調(diào)節(jié)器指標要求不高的系統(tǒng)來說，可以采用電機端電壓負反饋的方法來替代測速發(fā)電機的速

18、度反饋方法，從而使系統(tǒng)加以簡化。 從靜特性方程式上可以看出，電壓負反饋環(huán)把被反饋環(huán)包圍的變流器內(nèi)阻等引起的穩(wěn)態(tài)速降減1/(k+1)倍，而由電樞電阻引起的速降仍和開環(huán)系統(tǒng)一樣，因為擾動量處在電壓負反饋環(huán)外，系統(tǒng)對它引起的轉(zhuǎn)速降落無抑制作用，同樣，對于電動機勵磁變化所造成擾動，電壓負反饋電壓負反饋也無法無法克服，因此，電壓負反饋調(diào)速成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)要大些，即穩(wěn)態(tài)性能要差一些。在實際系統(tǒng)中，為了盡可能減小穩(wěn)態(tài)速降，電壓反饋應盡量靠近電動電樞兩端。因此，在電壓負反饋的同時，對電樞壓降加以補償，即進行電流補償控制。晶閘管變流器的輸出電壓中除了直流分量外，還含有交流分量。如把交流分量引到運算放大器的輸入端，不僅不能起調(diào)作用，反而會產(chǎn)生干擾，嚴重時會造成放大器局部飽和，因此，電壓反饋信號一般都要經(jīng)地濾波處理。需要指出的是，電壓負反饋加電流補償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)的負反饋電壓信號直接取自接在電動機電樞兩端的電位器上，這種連接方式雖然單向，擔卻把主電路的高電平和控制電路的低電平串在一起了。這從安全角度上看不合適的，容易發(fā)生事故，對于小容