設(shè)計(jì)報(bào)告—160K

1、目 錄第1章 主電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)21.1 主電路設(shè)計(jì)原理2第2章 控制電路設(shè)計(jì)42.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)42.2 電流環(huán)的設(shè)計(jì)52.2.1確定時(shí)間常數(shù)52.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)62.2.4 校驗(yàn)近似條件62.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容72.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)82.3.1 確定時(shí)間常數(shù)82.3.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)82.3.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)82.3.4 校驗(yàn)近似條件92.3.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容92.3.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量102.4結(jié)果分析11第3章 設(shè)計(jì)總結(jié)12附錄13第1章 主電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 主電路設(shè)計(jì)原理 對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提

2、高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在起、制動(dòng)過渡過程中，希望始終保持電流為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以以最大的加（減）速度運(yùn)行。 在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-1a所示。 當(dāng)電流從最大值降低下

3、來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動(dòng)過程波形如圖1-1b所示,起動(dòng)電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過程。nIdnIdlt0Idl（a) （b)圖1-1 調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形

4、（a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程 （b) 理想快速啟動(dòng)過程 但是，實(shí)際上由于主電路電感作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，可以在電路中同時(shí)使用轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，在系統(tǒng)同中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別接入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。原理圖如圖1-2所示。圖1-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖第2章 控制電路設(shè)計(jì) 2.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求經(jīng)量化和折算后可以表達(dá)為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標(biāo)的要求。深刻理解這些指標(biāo)

5、的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設(shè)計(jì)思路。在以下四項(xiàng)中，前兩項(xiàng)屬于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，后兩項(xiàng)屬于動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。（1） 調(diào)速范圍D：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，即（1-1）（2） 靜差率s：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所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即（1-2）靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。（3） 跟隨性能指標(biāo)：在給定信號(hào)R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)：上升時(shí)間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間。（4） 抗擾性能指標(biāo)：此項(xiàng)指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能

6、力，它由以下兩項(xiàng)組成：動(dòng)態(tài)降落，恢復(fù)時(shí)間。 已知本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)，已知如下基本數(shù)據(jù)：直流電動(dòng)機(jī)：電機(jī)型號(hào)額定功率額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速過載倍數(shù)()Z4-180-11160KW440V339A1500r/min1.5電樞回路總電阻：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：時(shí)間常數(shù)：電流反饋: 轉(zhuǎn)速反饋：設(shè)計(jì)要求： 1.靜態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無靜差，D=10，S<=5%； 2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)小于5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)小于5%。2.2 電流環(huán)的設(shè)計(jì) 電流環(huán)的等效靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.2.1確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時(shí)間：Ts=0.0017s。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相

7、橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時(shí)間常數(shù)的確定： 則電磁時(shí)間常數(shù)： 2.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； -電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：,各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.2.3 選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)（1）電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間

8、常數(shù)：。（2）電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 式中 電流反饋系數(shù)； 晶閘管專制放大系數(shù) 2.2.4 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率:（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： ，滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：，滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足近似條件。2.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由圖2-1，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為:, 取，取，取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。圖2-1 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下2.3.1 確定時(shí)間常數(shù)

9、（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述已知，則（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2.3.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖，同樣進(jìn)行單位反饋系統(tǒng)的處理及小慣性環(huán)節(jié)的處理，如圖所示。由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(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: 2.3.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K可得ASR的比例系數(shù)為式中 電動(dòng)勢(shì)常數(shù)， 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。2.3.4 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速截止

10、頻率為: （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為,滿足簡(jiǎn)化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為,滿足近似條件。 2.3.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 根據(jù)圖2-2 所示，取，則,取，取,取圖2-2 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 2.3.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 按抗擾性能都較好的原則，取h=5，則：ASR的超前時(shí)間常數(shù)為， 設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知， ， ，。當(dāng)時(shí)，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降： 式中 電機(jī)中總電阻 ； 為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算得： ，能滿足設(shè)計(jì)要求。2.4結(jié)果分析 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特性，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)置一個(gè)限幅值，限幅值的大小可以根據(jù)所選

11、的運(yùn)算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設(shè)計(jì)選取的限幅值為±15V。得到這樣結(jié)論： 1. 工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算做了許多近似的處理，而這些簡(jiǎn)化處理必須在一定的條件下才能成立。例如：將可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)近似地看作一階慣性環(huán)節(jié), 設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)不考慮反電勢(shì)變化的影響；將小時(shí)間常數(shù)當(dāng)作小參數(shù)近似地合并處理；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)將電流閉環(huán)從二階振蕩環(huán)節(jié)近似地等效為一階慣性環(huán)節(jié)等。 2. 雖然可以通過仿真來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，但是仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果完全相同，因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)在辨識(shí)過程中難免會(huì)產(chǎn)生模型參數(shù)的測(cè)量誤差，而且在建立模型過程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因

12、素和次要因素。例如：可控硅觸發(fā)和整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)和失控時(shí)間，這些都是非線性參數(shù)，但在仿真中被近似看作常數(shù)；再如，設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)只考慮電流連續(xù)時(shí)的情況，而忽略了電流斷續(xù)時(shí)的情況。 3. 添了微分負(fù)反饋使得快速的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，超調(diào)量也減少。但是微分容易引起振蕩所以要加死區(qū)環(huán)節(jié)。 以上一些原因，在應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法時(shí)應(yīng)該注意的，以減小理論設(shè)計(jì)與實(shí)際之間的差距。第3章 設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)過兩周的“轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)”的課程設(shè)計(jì)，使我們更加靈活的將課本中的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，從這次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多，尤其是懂得了靈活的掌握理論知識(shí)的必要性以及理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性。 課程設(shè)計(jì)頭一天老師下達(dá)

13、任務(wù)書時(shí)，我感覺毫無頭緒更不知道該從何做起，于是借助圖書館和網(wǎng)絡(luò)查找相關(guān)資料，認(rèn)真了解和構(gòu)思了主電路和控制電路設(shè)計(jì)，然后根據(jù)老師給定的基本參數(shù)確定了整流電路的形式以及開始進(jìn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)的計(jì)算，經(jīng)過復(fù)雜而且多次細(xì)心的運(yùn)算終于得以確定，在這個(gè)過程中需要有極大的耐心與仔細(xì)。 通過再三的檢查，我發(fā)現(xiàn)了很多不足之處，在同學(xué)的詢問和解答得到了改進(jìn)，還有對(duì)于電壓反饋，電流反饋以及對(duì)壓敏電阻的基本工作原理及作用不太熟悉，通過這次實(shí)踐，有了一定的了解和掌握。 這次課程設(shè)計(jì)將這一學(xué)科進(jìn)一步得以補(bǔ)充和完善，以及上課的過程中有些疑難問題也得到了解決，使我對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，而且作為我這個(gè)專業(yè)的專業(yè)課，我深刻認(rèn)識(shí)到了學(xué)習(xí)并掌握好的必要性，而且鞏固和夯實(shí)專業(yè)知識(shí)的重要性。還有，此次課程設(shè)計(jì)使我的獨(dú)立思考、分析、解決問題各方面能力的提升，而且，學(xué)會(huì)了靈活應(yīng)用和變通以及理論和實(shí)際相結(jié)合的重要性。 總之，此次課設(shè)使我更進(jìn)一步的了解了直流拖動(dòng)這門課，同時(shí)增強(qiáng)了自己在這門課理論知識(shí)的理解能力。在此我非常感謝學(xué)校和老師給我們創(chuàng)造的這次機(jī)會(huì)。附錄 參考文獻(xiàn) 1直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 張東