干燥機直流調(diào)速不可逆系統(tǒng)設(shè)計

1、江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電力拖動綜合課程設(shè)計專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 設(shè)計題目：干燥機直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計報告格式25分設(shè)計內(nèi)容45分答辯考勤總計得分封面3頁面布局5目錄格式3圖表質(zhì)量4間行距、字體5頁眉頁腳5設(shè)計題目分析5系統(tǒng)控制方案8設(shè)備計算、選型7電氣原理圖調(diào)節(jié)器參數(shù)整定或程序設(shè)計101020主電路5控制電路5總圖5 2016年11月目 錄第1章 設(shè)計任務(wù)分析- 1 -1.1 課題的要求與內(nèi)容- 1 -1.2系統(tǒng)的概述與分析：- 1 -第2章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析- 3 -2.1機械特性- 3 -2.2調(diào)速特性- 3 -2.

2、2.1穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)- 3 -2.2.2 動態(tài)性能指標(biāo)- 4 -第3章 電動機的選擇- 5 -3.1 電機容量的原則- 5 -3.2電機電氣線路- 6 -第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計- 7 -4.1 雙閉環(huán)動態(tài)抗擾性能- 7 -4.2 閉環(huán)系統(tǒng)分析及參數(shù)計算- 9 -4.3直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控整流裝置- 9 -第5章 系統(tǒng)校正與參數(shù)整定- 12 -5.1 拖動對象的參數(shù)計算- 12 -5.2 預(yù)制參數(shù)設(shè)置- 12 -5.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算- 12 -5.4 調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)及器件選擇- 13 -5.5 檢測電路參數(shù)設(shè)置- 15 -5.6 調(diào)節(jié)器限幅輸出電路- 16 -5.7 平波電抗器的計算- 16 -總

3、結(jié)- 17 -參考文獻- 18 -I第1章 設(shè)計任務(wù)分析1.1 課題的要求與內(nèi)容 某耐火材料廠半成品干燥隧道式干燥機采用直流電動機驅(qū)動，熱風(fēng)為燒結(jié)尾氣，溫度、風(fēng)量波動較大，故要求干燥機內(nèi)產(chǎn)品托盤行進速度隨之改變，試設(shè)計直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)。工藝要求 ：托盤行進速度0.005-0.1m/s無級可調(diào)，無靜差。負(fù)載、供電電壓波動時速度波動小于10%。工作現(xiàn)場有200V直流母線，100A空開保護，最大電壓波動-30%-+5%，傳動系統(tǒng)為蝸桿齒條，效率0.9。拖動阻力基本與速度無關(guān)，平均200KN，托盤承載物料不同時有10%波動。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

4、題的要求該系統(tǒng)對電機的轉(zhuǎn)速控制采用無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)進行控制。無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)可分為：1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，2電壓負(fù)反饋3電流正反饋等4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)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖1-1所示：圖1-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流法互感器UPE電力電子變換器 UN* -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 Un*-電流給定電壓 Ui電流反饋電壓采用比例積分調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)無靜差，采用電流截 止負(fù)反饋來限制動態(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Ui。當(dāng)電流超過截止電流Idcl時，Ui高于

5、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的輸出電壓U d急劇下降，達到限流的目的。當(dāng)電動機電流低于其截止值時，由如下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖框圖所示：圖1-2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第2章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析2.1機械特性我們稱n=f(T)為電動機的機械特性，n=f(Tz)為生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。一 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小保持不變稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性?？煞譃椋悍纯剐院戕D(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。二 恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載是指負(fù)載的功率為常數(shù)，不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。由于 Pz=Tz·=Tz·=k,則 Tz=&

6、#183;= （ 2-1 ）式中常數(shù)k1=9.55k.由式中可知，恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。以上三類負(fù)載機械特性是從各種實際負(fù)載中概括出來的典型化的負(fù)載機械特性，實際負(fù)載機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。如果拖動對象的負(fù)載特性沒有給出，則需要通過分析、實驗等方法求取，具體方法可查閱相關(guān)文獻。當(dāng)拖動對象的負(fù)載特性確定后，電力拖動系統(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: 電動機的機械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點,即存在 。 （ 2-2 ） 2.充分條件: 在交點處滿足 。 或者說，在交點的轉(zhuǎn)速以上存在 ,在交點的轉(zhuǎn)速以下存在 。 （ 2-3 ）由此，我們可

7、大致解算出電力拖動系統(tǒng)需要具有的基本參數(shù)，包括選用電動機應(yīng)該具有的輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率、最大轉(zhuǎn)速和拖動系統(tǒng)的人為機械特性。2.2調(diào)速特性（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）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設(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械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。2.2.1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，這是電力拖動系統(tǒng)的主要穩(wěn)態(tài)特性指標(biāo)：調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D

8、 表示，即： （ 2-4 ）靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 DnN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即：（ 2-5 ）調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達到的數(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是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。2.2.2 動態(tài)性能指標(biāo)工藝設(shè)備還要求電力拖動系統(tǒng)具有滿足工藝要求的動態(tài)指標(biāo)，包括跟隨指標(biāo)和抗擾動指標(biāo)：1、跟隨指標(biāo)：調(diào)速系統(tǒng)對給定信號的跟隨性

9、能一般用階躍給定信號下，系統(tǒng)響應(yīng)的最大超調(diào)量、調(diào)整時間和振蕩次數(shù)三個指標(biāo)來衡量。最大超調(diào)量：（ 2-6 ）調(diào)整時間ts：從給定量作用于系統(tǒng)開始到被調(diào)量進入穩(wěn)定區(qū)域止的時間。振蕩次數(shù)：被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)。2、抗擾動指標(biāo)：對擾動量作用時的動態(tài)響應(yīng)性能，一般用最大動態(tài)速降nmax、恢復(fù)時間tf和振蕩次數(shù)N來衡量。最大動態(tài)速降nmax反映了系統(tǒng)抗干擾的能力和穩(wěn)定性恢復(fù)時間tf反映系統(tǒng)的抗擾能力振蕩次數(shù)N定義同跟隨特性，同樣反映系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗擾能力擾動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（使Id變化）；2）交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；3）電動機勵

10、磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；第3章 電動機的選擇3.1 電機容量的原則（1）電動機在工作過程中，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）電動機應(yīng)滿足生產(chǎn)機械需要的有關(guān)機械特性的要求。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和制動性能。（3）電動機的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)滿足設(shè)計提出的安裝要求和適應(yīng)周圍的工作環(huán)境。例如防止灰塵進入電動機內(nèi)部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。轉(zhuǎn)速：1500r/min額定功率：P=F*V /0.9=23KW額定電壓 220V表3-1

11、電動機技術(shù)數(shù)據(jù)表由此可得，電動機選用Z2-81型。3.2電機電氣線路圖3-2 接線圖第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 雙閉環(huán)動態(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)的一切擾動量都有抑制作用。這些擾動量最終要反映到被調(diào)量，由測出被調(diào)量的偏差進行調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，擾動才會被抑制，。但還存在不能及時調(diào)節(jié)的問題。從圖4-1可知，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾動作用。因此，在突加負(fù)載時，必然會引起動態(tài)速升，為了減少動態(tài)速升，必須在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR時，要求系統(tǒng)具有良好的抗擾動指標(biāo)。對于雙閉環(huán)系統(tǒng)，擾動對系統(tǒng)的影響與擾動的作用點有關(guān)，擾動作用域內(nèi)環(huán)的主通道中，將不會明顯的影響

12、轉(zhuǎn)速， 圖4-1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（1） 系統(tǒng)的組成，該系統(tǒng)給定電位器RPG由轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)輸出電壓控制，用以保證轉(zhuǎn)速信號給定的信號精度。（2） 系統(tǒng)的工作原理和靜特性，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行調(diào)節(jié)，其偏差大小，該信號經(jīng)過放大器放大后，去控制觸發(fā)脈沖的移相角，調(diào)節(jié)整流電壓和電動機的轉(zhuǎn)速變化，只要系統(tǒng)的被調(diào)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用，也起到了穩(wěn)速的作用。要實現(xiàn)這轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的各個參數(shù)，要有放大器，而且放大器的倍數(shù)要足夠大，才能保證一定的性能指標(biāo)。因此在閉環(huán)系統(tǒng)中，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，才能獲得足夠的電壓。

13、此系統(tǒng)必須要求采用二極管限幅電路，限幅電路。電路如圖圖 4-2轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)參數(shù)計算：1 確定時間常數(shù)，（1） 電流環(huán)的等效時間常數(shù)為， （ 4-1 ）（2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) TON根據(jù)所用測速發(fā)電機的紋波情況，取TON =0.01（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn按時間常數(shù)近似處理，取 （ 4-2 ）2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)計轉(zhuǎn)速環(huán)，故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （ 4-3 ） 式中：Ka:調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)，4.2 閉環(huán)系統(tǒng)分析及參數(shù)計算電動機：UN=220V nN =1500r/min Pn=30w In=157.5A主回路： 全控橋式整流： m=3

14、負(fù)載及電動機: GD2=2.8 kg.m2固有參數(shù)計算電勢系數(shù);轉(zhuǎn)矩系數(shù):電磁時間常數(shù) 機電時間常數(shù) 晶閘管整流器滯后時間常數(shù) 取ASR限幅值:取轉(zhuǎn)速給定的最大值 =10V取轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù):4.3直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控整流裝置此次設(shè)計用的是V-M方式，步驟如下，(1) 根據(jù)電動機的額定電壓不同，確定整流變壓器的輸出電壓和可控整流電流的結(jié)構(gòu)形式，一般請款，當(dāng)控制角a為0時，整流輸出電壓的有效值U應(yīng)約等于1.1倍的電動機額定電壓UN,運算關(guān)系如下表。(2) 電路結(jié)構(gòu)確定后既要進行晶閘管的型號選擇，一般取晶閘管的額定電壓的1.5倍2倍的UM，額定電流大于2倍的電動機額定電流IN確定，原理圖如下：

15、 圖4-3 直流調(diào)速系統(tǒng)用地可控直流電源原理圖（3）觸發(fā)電路上設(shè)計，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KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖所示：圖 4-4 觸發(fā)電路設(shè)計原理圖第5章 系統(tǒng)校正與參數(shù)整定5.1 拖動對象的參數(shù)計算按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取H=5則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：于是：ASR的比例系數(shù)為：5.2 預(yù)制參數(shù)設(shè)置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?？刂齐娐饭╇娍刹捎瞄_關(guān)電源模塊或者儀用線性電源模塊，一般應(yīng)包含有

16、15V輸出以供電運放。2、電流、電壓反饋系數(shù)確定： （ 5-1 ） （ 5-2 ）3、變流環(huán)節(jié)開環(huán)增益： （ 5-3 ）4、確定反饋量的濾波電路時間常數(shù)。5.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算1、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算一般電流環(huán)校正為典I系統(tǒng)。取電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，則其時間常數(shù)和開環(huán)增益應(yīng)為：=0.03s電流環(huán)開環(huán)增益，要求時，應(yīng)該取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為2、速度調(diào)節(jié)器參數(shù)計算一般速度環(huán)校正為典II系統(tǒng)，要求系統(tǒng)無靜差時為PI調(diào)節(jié)器，則其時間常數(shù)和開環(huán)增益應(yīng)為：其中h為系統(tǒng)Bode圖中頻寬，有拖動對象要求的動態(tài)品質(zhì)決定。5.4 調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)及器件選擇對于模擬控制，調(diào)節(jié)器由運放及外圍器件組成。調(diào)節(jié)器形式

17、、參數(shù)確定后，要確定運放型號和外圍器件參數(shù)。1、電流調(diào)節(jié)器的實現(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)器電路原理圖電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)計算公式（ 5-4 ）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。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(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)計算：圖 5-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路圖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。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)由對調(diào)節(jié)器限幅值、給定值取值范圍做出預(yù)制參數(shù)范圍確定。1、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和電路參數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)為： （ 5-5 ）而： a

18、= a2 Cetg， （ 5-6 ）其中Cetg為測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)，a 2為其輸出電位器的分壓系數(shù)。在根據(jù)連接方式和電動機最大轉(zhuǎn)速確定了測速發(fā)電機信號后，測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg確定。一般對a 2先試取=0.2，再檢驗是否合適。其阻值為： （ 5-7 ）校驗其功耗：（ 5-8 ）為了使電位器溫度不致很高，實選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上。2、電流反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和電路參數(shù)：電流檢測電路如圖5-3所示：TA圖 5-3 電流檢測電路圖TA型號可查電氣工程手冊。5.6 調(diào)節(jié)器限幅輸出電路電路原理圖如圖5-4所示：圖 5-4電路原理圖調(diào)節(jié)器輸出限幅值取值范圍根據(jù)控制電路供電情況選定，一般

19、要求小于10V。5.7 平波電抗器的計算為了使模塊在控制直流電機起動和調(diào)速時，能夠更平穩(wěn)、扭矩更大，推薦使用濾波電抗器。電抗器的選擇方法按對電流脈動情況的要求根據(jù)下式估算出電感。 （ 5-9 ）式中：Kmd系數(shù)，三相全控整流取Kmd=1.05；S 電流最大允許脈動系數(shù)，S取10%；IZ負(fù)載額定電流（A）；U2三相輸入相電壓；LD電動機電感，其值按下式計算： （ 5-10 ）KD系數(shù)。一般無補償電機取812；快速無補償電機取68；有補償電機取56；UE電動機額定電壓；電動機磁極對數(shù)；NE電動機額定轉(zhuǎn)速；IE 電動機的額定電流?？?結(jié) 經(jīng)過兩周的努力，我的課程設(shè)計終于完成了通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中