直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-xx.-1刖目直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或 快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，高性能交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快, 交流調(diào)速系統(tǒng)正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上 都比較成熟，而且從控制的角度來看，它乂是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。從生產(chǎn)機(jī)械要求 控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系 統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。第一章設(shè)計(jì)任務(wù)分析1.1課題的內(nèi)容與要求某型銃床采用鑲齒鋸片銃刀，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采

2、用直流電動(dòng)機(jī)，銃刀最大直徑500mm,最小 直徑loomni,銃刀允許最大切削速率20m/s,最高切削速度下最大許用切削力500n,銃刀 最大許用切削力矩500n*m,銃刀卡盤、聯(lián)動(dòng)軸和銃刀飛輪矩為75nwo試設(shè)計(jì)此拖動(dòng)系統(tǒng)，要求切削速率l-20m/s無級(jí)可調(diào)，設(shè)定速度后空載到最大吃刀深 度速度波動(dòng)小于10%0銃床工作現(xiàn)場有三相四線制380v交流電源，100a空開保護(hù)，最大 電壓波動(dòng)±5%,通風(fēng)良好，環(huán)境干燥，無粉塵，現(xiàn)場無防爆要求。1.2系統(tǒng)的概述與分析根據(jù)課題的要求該系統(tǒng)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制采用無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制。無靜差 直流調(diào)速系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋、電流正反饋

3、、附加電流正反饋的電壓負(fù) 反饋等幾種直流調(diào)速系統(tǒng)。無 靜差直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1.1所示：r1vb->十upeucj-c1un無靜差直流調(diào)速茅統(tǒng)圖1. 1采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電 流。ta為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)uio當(dāng)電流超過截止電流 idel時(shí)，ui高于穩(wěn)壓管vs的擊穿電壓，使晶體管vbt導(dǎo)通，則pi調(diào)節(jié)器的輸出電壓uc 接近于零，電力電子變換器upe的輸岀電壓u d急劇下降，達(dá)到限流的目的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示:n圖1. 2第二章電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析電力拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)的工藝設(shè)備

4、總是對電力拖動(dòng)系統(tǒng)提出一定的性能指標(biāo)要求，包扌舌技術(shù)性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等方面的指標(biāo)。技術(shù)性指標(biāo)作為電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要遵循指標(biāo)，主要包括了電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械 特性、轉(zhuǎn)速指標(biāo)及調(diào)速性能等方面。這些指標(biāo)是設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)必須首先予以明確的。2.1機(jī)械特性對于拖動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，只有當(dāng)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載的機(jī)械特性配合適當(dāng)，系統(tǒng) 才能正常的運(yùn)行。所以電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性必須根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性加以選定、設(shè)計(jì), 于是我們必須首先明確拖動(dòng)對象的轉(zhuǎn)矩特性。負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負(fù)載的機(jī)械特性，簡稱負(fù)載特性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分類-般分類為三 類:(1) 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(2) 恒功率負(fù)載特性(3) 泵與風(fēng)

5、機(jī)類負(fù)載特性以上三類負(fù)載機(jī)械特性是從各種實(shí)際負(fù)載中概括出來的典型化的負(fù)載機(jī)械特性，實(shí)際 負(fù)載機(jī)械特性可能是以某種典型特性為主的幾種典型特性的組合。如果拖動(dòng)對象的負(fù)載特性沒有給岀，則需耍通過分析、實(shí)驗(yàn)等方法求取，具體方法可查閱 相關(guān)文獻(xiàn)。當(dāng)拖動(dòng)對象的負(fù)載特性確定后，電力拖動(dòng)系統(tǒng)能夠工藝設(shè)備正常工作的必要條件和充 分條件是：1. 必要條件：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點(diǎn)，即存在tem=h2. 充分條件:在交點(diǎn)處滿足馬絲<孕。an an或者說，在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以上存在tem < tt在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速以下存在t/7。由此，我們可人致解算出電力拖動(dòng)系統(tǒng)需要具有的基本參數(shù)，包括選用電動(dòng)機(jī)應(yīng)該具有

6、的 輸岀轉(zhuǎn)矩、輸岀功率、最大轉(zhuǎn)速和拖動(dòng)系統(tǒng)的人為機(jī)械特性。2.2調(diào)速特性任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高 轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大 小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行時(shí)停 止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：（1） 調(diào)速 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或平滑地（無 級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（2）穩(wěn)速一一以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的 轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速一一頻繁起

7、、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜 經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。221穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)我們給出調(diào)速范圍和靜差率的定義，這是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的主要穩(wěn)態(tài)特性指標(biāo):調(diào)速范圍：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母d表示，即yi八 _ max一(inun其中 和.一般都是指在電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的 機(jī)械，例如，精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 降落g，與理想空載轉(zhuǎn)速弘之比，稱作靜差率s,即(2-2)顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)

8、載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的碩度有 關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同吋提才有意義。在調(diào)速工程 屮，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求, 則高速時(shí)的靜差率就更滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到 的數(shù)值為準(zhǔn)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的 要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋 裝置。2.2.2控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能指

9、標(biāo)。自動(dòng) 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。1、跟隨指標(biāo) 常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。(1) ±升吋間 表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。(2) 超調(diào)量 反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)越小，相對穩(wěn)定性越好。(3) 調(diào)整時(shí)間 它衡量整個(gè)輸出量調(diào)節(jié)過程的快慢，反映了系統(tǒng)的快速性，也包含 著它的穩(wěn)定性。2、抗擾動(dòng)指標(biāo)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量以后，輸出量由降低到恢復(fù)的 過渡過程是系統(tǒng)典型的抗擾過程，常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)吋間。(1) 動(dòng)態(tài)降落：調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)降落。最大動(dòng)態(tài)

10、速降/nmax 反映了系統(tǒng)抗干擾的能力和穩(wěn)定性。(2) 恢復(fù)時(shí)間：反映系統(tǒng)的抗擾能力?？倆, 般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨 性能為主。擾動(dòng)的來源可能包括以下方面，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。(1) 負(fù)載變化的擾動(dòng)(使id變化)；(2) 交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)(使ks變化)；(3) 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)(造成ce變化)；(4) 放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)(使kp變化)；(5) 溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)(使r變化)；(6) 檢測誤差的擾動(dòng)(使(x變化)。以上這些動(dòng)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、控制方案、調(diào)節(jié)器形式及調(diào)節(jié)器 參數(shù)校正提供了依

11、據(jù)，為系統(tǒng)的調(diào)試、評(píng)價(jià)提供了標(biāo)準(zhǔn)。第3章電動(dòng)機(jī)的選擇3.1電動(dòng)機(jī)種類的選用電力拖動(dòng)系統(tǒng)是應(yīng)用電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作的，由于生產(chǎn)機(jī)械種類繁多，工藝要 求不一，因而作為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)的種類也很多。按電流種類分，有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng) 機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)乂有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩種。電動(dòng)機(jī)的主要種類可表示為表1。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 直流j并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)i換勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)（機(jī)械特性硬起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大.調(diào)速性能好）（特性軟，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大.過載能力強(qiáng).調(diào)速方便）電 動(dòng)" 機(jī)i交流電動(dòng)機(jī)異步 電動(dòng)機(jī)i普通籠型（特性硬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，可以調(diào)速） 籠型特殊籠型（起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大）i多速電動(dòng)機(jī)（24速）

12、繞線轉(zhuǎn)子（特性硬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大.調(diào)速性能好）單相異步電動(dòng)機(jī)（功率小，特性硬）同步r凸極式 電動(dòng)機(jī)i隱極式（轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化.功率因數(shù)可調(diào)）（特性適中，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速方便）表1電動(dòng)機(jī)的分類為了合理選用電動(dòng)機(jī)種類，應(yīng)同時(shí)考慮兩個(gè)方面的問題：一是電動(dòng)機(jī)的性能，例如機(jī)械特 性、起動(dòng)性能和調(diào)速性能等；二是要知道生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，要使所選電動(dòng)機(jī)的性能滿足生 產(chǎn)機(jī)械的工藝要求，具體可從下列幾方面考慮。3.1.1電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性at%an%電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩t的關(guān)系，即n = f （t）,其中， 轉(zhuǎn)矩t是指電磁轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性決定其穩(wěn)定運(yùn)行、起動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的工 作情況。電動(dòng)機(jī)

13、的機(jī)械特性的一個(gè)重要指標(biāo)是機(jī)械特性的破度，它表示轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩改變而 變化的程度，通常用硬度系數(shù)b表示。特性曲線上任一點(diǎn)的硬度系數(shù)的定義是該點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩 變化百分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)速變化百分?jǐn)?shù)之比，即(3-1)按機(jī)械特性的硬度，可把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分為三類如圖3. 1所示:ot圖3. 1（1）絕對硬的機(jī)械特性。當(dāng)轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，如圖3.1中的曲線1所示。同步 電動(dòng)機(jī)即具有這種特性，它的2硬度系數(shù)b二g o（2）硬的機(jī)械特性。轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩而變化，但改變程度不大，如圖3.1屮的曲線2所 示。直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)止常工作部分的特性均屬于此類，其b值為1040, 硬度系數(shù)在直線的機(jī)械特性上為一常數(shù)，在曲線的機(jī)械

14、特性上為一變數(shù)。（3）軟的機(jī)械特性。轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化而有較大的改變，如圖3.1中的曲線3所示。 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)即屬于此類，其3<10o生產(chǎn)機(jī)械具有不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系，要求電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械特性與其相適應(yīng)。例如，對于負(fù)載變化時(shí)，要求轉(zhuǎn)速恒定不變的生產(chǎn)機(jī)械，就應(yīng)選 擇同步電動(dòng)機(jī)；對于耍求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)及特性軟的生產(chǎn)機(jī)械，例如電車、電氣 機(jī)車等電力牽引生產(chǎn)機(jī)械，就應(yīng)選擇串勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。對于拖動(dòng)功率大（例如大容 量空氣壓縮機(jī)、各種泵等），需要補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)時(shí)，宜采用交流同步電動(dòng)機(jī)。3.1.2電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能主要是指起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。一些起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的，例如機(jī)床、 小

15、容量水泵、通風(fēng)機(jī)等，可以選用普通三相籠型界步電動(dòng)機(jī)；但起動(dòng)和制動(dòng)頻繁而且起動(dòng) 和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求比較大的生產(chǎn)機(jī)械（例如起重機(jī)、礦井提升機(jī)、不可逆軋鋼機(jī)、大容量水 泵、壓縮機(jī)、帶式輸送機(jī)、紡織機(jī)等），就要選用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。3.1.3電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性（設(shè)備成本、運(yùn) 行效率等）各方面，都應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械的耍求。例如，調(diào)速性能要求不高的各種機(jī)床、通 風(fēng)機(jī)、船用錨機(jī)、船用起貨機(jī)等多選用普通三和籠型異步電動(dòng)機(jī)；功率不大、有級(jí)調(diào)速的 電梯或某些機(jī)床可選用多速電動(dòng)機(jī)；而調(diào)速范圍較大、調(diào)速要求平滑的龍門刨床、高精度 車床、造紙機(jī)、可逆軋鋼機(jī)等多選用

16、調(diào)速性能優(yōu)越的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng) 機(jī)。隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，例如交流變頻調(diào)速器的使用，交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用必將 更加廣泛。3.1.4電動(dòng)機(jī)的電源交流電源比較方便，隨處可得，而直流電源則需要有整流設(shè)備。由于居民住宅中只有 單相電源，所以，家用電器都選用單相異步電動(dòng)機(jī)。釆用交流電動(dòng)機(jī)時(shí)還應(yīng)注意，異步電 動(dòng)機(jī)要從電網(wǎng)吸收滯后性無功功率使電網(wǎng)功率因數(shù)下降，而同步電動(dòng)機(jī)處于過勵(lì)狀態(tài)時(shí)可 從電網(wǎng)吸收超前無功功率。因此，在要求改善工廠功率因數(shù)的情況下，對大功率的電動(dòng)機(jī) 可選用同步電動(dòng)機(jī)。3丄5電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性滿足了生產(chǎn)機(jī)械對于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、各種運(yùn)行性能等方面要求的前提下，優(yōu)先選 用結(jié)構(gòu)簡單

17、、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)。能同時(shí)滿足以上條件的電動(dòng)機(jī)可 能不是一種類型，還應(yīng)綜合考慮其他情況，例如節(jié)能、貨源、技術(shù)狀況等。3.2電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)的選用電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)要與工廠企業(yè)或車間的供電電壓一致。一般中、小型交流電動(dòng)機(jī)額定 電壓為220/380v或380/660v,大型交流電動(dòng)機(jī)的額定電壓是3000v. 6000v及10000v。 直流電動(dòng)機(jī)額定電壓一般為110v、220v和440v。大功率直流電動(dòng)機(jī)可提高到600 800vo當(dāng)電動(dòng)機(jī)由晶閘管整流裝置直接供電吋，為配合不同的整流電路聯(lián)結(jié)形式，新改型 直流電動(dòng)機(jī)還增設(shè)了 160v （配合單相全波整流）及440v （配合三相橋式整流）

18、等新的電 壓等級(jí)。3.3電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選用額定功率相同的電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)機(jī)的體積越小，造價(jià)越低，一般來說電 動(dòng)機(jī)的飛輪力矩也就越小，因此選用高速電動(dòng)機(jī)較為經(jīng)濟(jì)。但由于生產(chǎn)機(jī)械速度一定，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，拖動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速比也越大，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜。另外，電動(dòng)機(jī)的 gd?和轉(zhuǎn)速影響到電動(dòng)機(jī)過渡過程持續(xù)的時(shí)間及過渡過程中能量的損耗。電動(dòng)機(jī)的 gd?，仏 值越小，過渡過程越快，能量損耗越小。因此，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇需要根 據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況，綜合考慮上面各個(gè)因素來確定。一般可分為下列三種情況：（1）電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作，很少起動(dòng)、制動(dòng)或反轉(zhuǎn)。這時(shí)，可從設(shè)備的初期投資、占地面 積和維護(hù)費(fèi)用等方面

19、考慮，對兒個(gè)不同的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行全面比較，最后確定電動(dòng)機(jī)的額定 轉(zhuǎn)速。（2）電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)及反轉(zhuǎn)，但過渡過程的持續(xù)吋間對生產(chǎn)率影響不犬（例如 高爐裝料機(jī)械的工作情況）。此時(shí)除考慮初期投資外，主要根據(jù)過渡過程能量損耗為最小 的條件來選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。（3）電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)及反轉(zhuǎn)，過渡過程的持續(xù)時(shí)間對生產(chǎn)率影響較大（例如龍 門刨床工作臺(tái)的工作情況）。這時(shí)，主要根據(jù)過渡過程持續(xù)時(shí)間為最短的條件來選擇電動(dòng) 機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。3.4電動(dòng)機(jī)額定功率的選用額定功率的選用必須考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、過載能力及起動(dòng)能力三個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)額定 功率的選擇一般可分為三步：（1）計(jì)算負(fù)載功率這是決定電動(dòng)機(jī)額定功率的依

20、據(jù)。（2）根據(jù)負(fù)載功率，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率pn 2 pl，盡量接近pl o（3）校核預(yù)選電動(dòng)機(jī)。一般先校核發(fā)熱溫升，再校核過載能力，必要時(shí)校核起動(dòng)能力。 若通過，預(yù)選的電動(dòng)機(jī)就確定了；如果通不過，從第二步開始重新進(jìn)行，直到通過為止。 校核過載能力是指，異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩tin是否比負(fù)載可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)矩大，而且 需要考慮電網(wǎng)可能出現(xiàn)電壓向下波動(dòng)，按向下波動(dòng)10%計(jì)算。直流電動(dòng)機(jī)電樞電流的最 大允許值iniqx是否比可能出現(xiàn)的最大負(fù)載電流大。校核起動(dòng)能力主要是指籠型異步電動(dòng) 機(jī)是否能可靠起動(dòng)。校核發(fā)熱溫升是最重要的，工作量有時(shí)相當(dāng)大。在滿足生產(chǎn)機(jī)械要求 的前提下，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率越小越經(jīng)

21、濟(jì)。3.5電機(jī)容量的原則(1) 電動(dòng)機(jī)在工作過程中，其額定功率應(yīng)得到充分利用。要求溫升接近但不超過規(guī) 定的允許數(shù)值。(2) 電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械需要的有關(guān)機(jī)械特性的要求。保證一定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速穩(wěn) 定，有一定的調(diào)速范圍及具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能。(3) 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)滿足設(shè)計(jì)提出的安裝要求和適應(yīng)周圍的工作環(huán)境。例如防 止灰塵進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如表2所示：h « (rrw、m)(t/mw)(w)« ff ivj不大千不大千 (ffw-m s1)m注ho««* «90s2013231500500ho11

22、00 660 20001809oszo232315005002202200.33oho100：0.1w90s203294300092 0hoho1.200 200200010090sz03/h22943000920no1101.200 2002000.18090sz042943000920220220060oho2000.11090s205294300092 024246100.8002000.18090sz10294300092 01b0200075oho200018090s2112b4300092 036364.000 520200018090sz12 h52943300100017276

23、100 900220018090sz 1332310003401802000330.120so0.18090s2u32315005001802000.4401201000.18090sz151942250690iso20005601201500j8090sz163231500504848t.590sz49<ti2943000275.590sz515101500800!101101 w0 230100025090sz52510150080.02202200.5501x100025090s2534803000150,01who20002302000 25090$i544k3000150.02

24、2022010001x2000 2509csz54 h8<803000150022022010001302000 250kkz55510150080024245 001000g匚025090sz5731915000500.02202203700j307000 2509osz58319)5000500 05556160004707000250sm.沏90sz608241500taoo60604.0005201000 250hm. 2rmn90sz8i/hi294300092046482.900.49020002s090sz62 /h4s10300016006 700 6202000 250

25、90sz645101000540：1802000480140n0 25090sz65510150080.01802000 680140100025090sz66480225011301602000900.140150025090sz67480300015001802001250.140200025090sz68c <m71781300024002418000.250mm. 1b90sz6924560001500220220no0,1303000.28090sz713000150.04242i 4mowo2000.2s0切削線速度二2 ji *主軸轉(zhuǎn)速*刀具直徑/1000 ,n=32r/s

26、=1920r/min« 2000r/min銃床的切削功"帶喙=皿 額定電壓380v由電機(jī)的選型手冊可以看出我們即將選用的電機(jī)型號(hào)是90sz64型。nn=1000r/min,pn =54w, gd2=0.25kg.m2, un=380v , rfl =5lon/m, in=0.62a3.6電機(jī)電氣線路他（并at）ti si6 + tis>55sz61c/hi 錢鶴圖圖3.2第四章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1雙閉環(huán)動(dòng)態(tài)抗擾性能單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于被包在反饋環(huán)內(nèi)的一切擾動(dòng)量都有抑制作用。這些擾動(dòng)量最終要 反映到被調(diào)量，由測出被調(diào)量的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，擾動(dòng)才會(huì)被抑制，。

27、但還存在不能及時(shí)調(diào)節(jié)的問題。從圖4.1可知，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾動(dòng)作用。 因此，在突加負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速升，為了減少動(dòng)態(tài)速升，必須在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr時(shí)，要求系統(tǒng)具有良好的抗擾動(dòng)指標(biāo)。對于雙閉環(huán)系統(tǒng)，擾動(dòng)對系統(tǒng)的影響與擾動(dòng)的作用點(diǎn)有關(guān)，擾動(dòng)作用域內(nèi)環(huán)的主通道 中，將不會(huì)明顯的影響轉(zhuǎn)速，電網(wǎng)電壓其中轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用：1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn) 態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。(2) 對負(fù)載變化起抗擾作用。(3) 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最人電流。2

28、.電流調(diào)節(jié)器的作用(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給 定電壓變化。(2) 對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。(3) 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)工程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)工程。(4) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。4.2模擬式速度隨動(dòng)系統(tǒng)典型的模擬式位置隨動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，一般是在調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上再外加一個(gè)位置環(huán)組成，工作原理 如圖4.2所示：圖4.2工作原理圖系統(tǒng)的工作原理和靜待性：由系統(tǒng)的控制原理圖我們可以看出，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是按給定量和反饋量的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其偏差 大小，該信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，去控制觸發(fā)

29、脈沖的移相角，調(diào)節(jié)整流電壓和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，只要 系統(tǒng)的被調(diào)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用，也起到了穩(wěn)速的作用。通過定性的分析我們知道，開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載增大的時(shí)候，電樞壓降也增大，通過比較和放大, 轉(zhuǎn)速只能老老實(shí)實(shí)降低下來，閉環(huán)系統(tǒng)裝置有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了。通過 比較和放人，提高晶閘管整流輸出的電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性下，因而轉(zhuǎn)速乂有所回升，這就 是轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的基本機(jī)理。要實(shí)現(xiàn)這轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，要有放大器，而且放大器的倍數(shù)耍足夠大，才能保證一定的性能指 標(biāo)。因此在閉環(huán)系統(tǒng)屮，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓后，若要轉(zhuǎn)速偏差小，就必須壓的很低。所以設(shè)置放大器

30、, 才能獲得足夠的電壓。此系統(tǒng)必須要求釆用二極管限幅電路，限幅電路。電路如圖4.3所示：r1圖4. 3轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算：（1）確定時(shí)間常數(shù)，電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)為，2tz=0-00748（2）轉(zhuǎn)速濾波吋間常數(shù)fjl on根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)的紋波情況，取丁 =o.oisjl on（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)按時(shí)間常數(shù)近似處理，取7廣27 +匚廣°0174s2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)按典型二型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，故asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:wasr =g + 1(4-1)式中：ka:調(diào)節(jié)器的比例參數(shù) 乙：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前吋間常數(shù)4.3閉環(huán)系統(tǒng)分析及參數(shù)計(jì)算在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)

31、穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這 時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)的校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性 能指標(biāo)兩方面的要求。動(dòng)態(tài)校正的方法很多，而且對于一個(gè)系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一 的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是吊聯(lián)校正和反饋校正。吊聯(lián)校正比較簡單， 也容易實(shí)現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低， 一般采用pid調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正任務(wù)。pid調(diào)節(jié)器中有比例微分、比例積分和比例積分微分三種類型。由pd調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超 前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由pi 調(diào)節(jié)器

32、構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定度的; 用p1d調(diào)節(jié)器則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用pi調(diào)節(jié)器；在 隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用pd或pid調(diào)節(jié)器。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屮，電動(dòng)機(jī)，晶閘管的整流裝置，觸發(fā)裝置都可以按負(fù)載的工藝要 求來選擇和設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械和工業(yè)的要提出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。而系統(tǒng)的固 有部分往往不能滿足性能指標(biāo)要求，所以需要設(shè)計(jì)合適的修正環(huán)節(jié)來達(dá)到。電動(dòng)機(jī)：f/v=380vn/v=1000r/minpn =54w/n=°62

33、a主回路：re=°3q厶廣°2h全控橋式整流：m=3負(fù)載及電動(dòng)機(jī)：gd =q 25 kg - m 固有參數(shù)計(jì)算電動(dòng)勢系數(shù);ce=s-ave 二 380_062*03二0 ?蝕 min/r nni°°°轉(zhuǎn)矩系數(shù)：c刖二g二竺2二0.272kgm/a5 1.031.03電磁時(shí)間常數(shù)t = =°- 67s1l r. 0.3機(jī)電時(shí)間常數(shù) t°25*0.25*0.3 =o ooo66s1 m 375 cecm 0.279 * 0.272 * 375晶閘管整流器滯后時(shí)間常數(shù)7；=2*3*50 -0,00335取asr限幅值：if =10

34、vo m取轉(zhuǎn)速給定的最大值if =iov nm轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):101000=0.01v / rpm4.4直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控整流裝置此次設(shè)計(jì)用的是v-m方式，步驟如下:(1)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓不同，確定整流變壓器的輸岀電壓和可控整流電流的結(jié)構(gòu)形 式，一般情況，當(dāng)控制角a為0時(shí)，整流輸出電壓的有效值u應(yīng)約等于1. 1倍的電動(dòng)機(jī)額 定電壓un,運(yùn)算關(guān)系如下表3。表3可控直流電源運(yùn)算關(guān)系整流電路單相全波三相半波三相全波六相半波屁：42u2屁2m236650. 9tz2 cosa1. 1u, cosa2. 34 6 cosa1.35lc0sa(2)電路結(jié)構(gòu)確定后既要進(jìn)行晶閘管的型號(hào)選擇，一般取晶閘管的

35、額定電壓的1. 5倍八2倍 的(7額定電流大于2倍的電動(dòng)機(jī)額定電流/卄原理圖如4. 4所示:flf21圖4. 4直流調(diào)速系統(tǒng)用的町控直流電源原理圖vt1 vt3 vt5（3）觸發(fā)電路設(shè)計(jì)，一般采用kc或kj系列的集成觸發(fā)器，觸發(fā)電路需要三個(gè)kj004集 成塊和一個(gè)kj041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)品體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成 完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖4. 5所示：第五章系統(tǒng)校正與參數(shù)整定用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛 盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不易掌握，于是有必 要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，即工程設(shè)計(jì)方法，

36、步驟如下：1、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。2、設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，0型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而iii型和iii型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選澤將系統(tǒng)校正為i型和ii型系統(tǒng)。5.1拖動(dòng)對象的參數(shù)計(jì)算在選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)及供電電源結(jié)構(gòu)、元器件及運(yùn)行方式后，可以進(jìn)行拖動(dòng)對象的參數(shù)計(jì)算如下：c _u do-i d raceun(5-1)c(5-2)r.(5-3)t ,gd &1 m 375 cecm(5-4)t = i 八2吋(5-5)5.2預(yù)制參數(shù)設(shè)置在獲得以上數(shù)據(jù)后，應(yīng)當(dāng)對調(diào)節(jié)器限幅值、給定值取值

37、范圍做出預(yù)制參數(shù)范圍，并由 此確定各反饋量的反饋系數(shù)。并計(jì)算變流環(huán)節(jié)的開環(huán)增益。1、調(diào)節(jié)器輸出限幅值、給定值取值范圍根據(jù)控制電路供電情況選定，一般要求小于 10v。控制電路供電可采用開關(guān)電源模塊或者儀用線性電源模塊，一般應(yīng)包含有±15v輸出 以供電運(yùn)放。(5-6)2、電流、電壓反饋系數(shù)確定:3、變流環(huán)節(jié)開環(huán)增益:k,l05su cm(5-7)(5-8)4、確定反饋量的濾波電路時(shí)間常數(shù)。5.3調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算1、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算一般電流環(huán)校正為典i系統(tǒng)，取電流調(diào)節(jié)器為pi調(diào)節(jié)器，則其時(shí)間常數(shù)和開環(huán)增益應(yīng)為:電流濾波時(shí)間常數(shù)卩訂7v0.002s電流環(huán)開環(huán)增益，要求at 5%時(shí),應(yīng)該取ki

38、tz = 05,因此0.50.50.00375=135.15_,于是，acr的比例系數(shù)為= 1.013_ kr = 135.1*0.03*0.5ks/3 40 * 0.052、速度調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算一般速度環(huán)節(jié)校正為典ii系統(tǒng)，要求系統(tǒng)無靜差時(shí)為pi調(diào)節(jié)器，選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù): 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h二5則asr的超前時(shí)間常數(shù)為：甘叮2 =5*0.01745 = 0.0875轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)t :a ont 二0.01sjl on轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:knh + 162 22*h2tzn 2*25*0.0174= 396.42asr的比例系數(shù)為:(力 + 1)0(?忑2hartn6*0.05

39、*0.132*0.182*5*0.007*0.5*0.01745.4調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)及器件選擇對于模擬控制，調(diào)節(jié)器由運(yùn)放及外圍器件組成。調(diào)節(jié)器形式、參數(shù)確定后，要確定運(yùn) 放型號(hào)和外圍器件參數(shù)。1、電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)：電流調(diào)節(jié)器電路原理圖如圖5. 1所示：圖5. 1 電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)計(jì)算公式：取 40k q ,則 r =匕 r)t ° 13 * 40kq = 40.52kq取 40 也4 * 0.00240*10=0.2/f取 0. 75f取 0.2"另外還有考慮供電情況以選擇電阻的功率值、電容的耐壓值以確定其型號(hào)。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)：模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖5. 2所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算公式：圖5. 2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器r）取 40kq,則尺廣 kr（）il7*4（rq=468 kq尺4搭亍lou%tncn =4tjl onr°4*0.0140*10*06“f = 1“f取 470rq取 0. 2“f取1“f另外還有考慮供電情況以選擇電阻的功率值、電容的耐壓值以確定其型號(hào)。5.5檢測電路參數(shù)設(shè)置各反饋量的反饋系數(shù)應(yīng)當(dāng)由對