毕业设计---直流电动机无级调速.doc

摘 要摘 要本设计主要是运用调速系统对直流电动机进行调速，使其实现无级的效果。此调速系统由主电路和控制电路两部分组成：主电路是采用晶闸管可控整流装置进行调速;控制电路是采用双闭环速度电流调节方法进行反馈。系统采用调压调速的调速方法可以获得与电动机固有机械特性相互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调速。双闭环速度电流调节这种方法虽然初次头次成本相对而言较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。本设计的重点也就是对asr和acr的设计。关键词：无级调速；双闭环；asr；acr；晶闸管60abstractthis design is the use of speed control system for dc motor speed control to achieve the effect of class. this speed control system from the main circuit and control circuit composed of two parts: the main circuit is controlled rectifier thyristor speed control device; control circuit in a dual method of closed-loop speed feedback current regulator.system speed regulator with the motor speed control methods available to parallel the inherent mechanical properties of artificial mechanical properties, speed is below the base speed, as long as the output voltage is continuously adjustable, and can achieve the level of non-motor transfer speed. two-speed closed-loop current regulation this way the first time although the initial cost is relatively high, but it ensures that the performance of the system to ensure that the production process to meet requirements, take into account not only the start of the current dynamic process, while ensuring that the stability of steady-state velocity in the main phase of starting the process, only the current negative feedback, no negative feedback speed. after reaching steady state, as long as the speed of negative feedback, negative feedback from the current good to play a major role to meet the production needs. the focus of this design is also the design of asr and acr.key words: stepless speed regulation；double-loop； asr；acr；scr目 录目录第1章 绪 论11.1问题提出的意义11.2国产直流电机简介11.3直流电动机的发展现状及趋势2第2章 直流电动机的概述42.1直流电动机的基本知识42.1.1直流电动机的基本结构42.1.2直流电动机的工作原理52.1.3直流电动机的组成及分类62.2直流电动机运行原理82.2.1直流电动机的励磁方式82.2.2直流电动机的基本方程92.2.3直流电动机的机械特性10第3章 设计任务与要求143.1设计任务143.2设计要求与性能指标14第4章 方案比较论证与选择164.1调速指标简介164.2 总体方案论证184.3单元电路方案论证224.3.1主电路方案论证224.3.2控制电路方案论证25第5章 电路设计285.1主电路设计285.1.1电机参数计算和晶闸管容量参数计算285.1.2整流电路的选择305.1.3整流器件的选择315.1.4 触发电路的选择315.1.5稳压电源的选择335.1.6主电路保护器件选择345.2控制电路设计345.2.2双闭环调速系统的组成365.2.3 双闭环直流调速系统的启动过程分析385.2.4转速和电流两个调节器的作用405.2.5acr与asr的设计415.3调速系统主、控电路图455.4调试过程45总结47参考文献48致谢49附录1 外文资料原文2 外文资料译文第1章 绪 论第1章 绪 论1.1问题提出的意义 随着科学技术的迅猛发展，电气设备发展日新月异。尤其以计算机、信息技术为代表的高新技术的发展，使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化，传统的电气设备设计、制造技术不断吸收信息控制、材料、能量及管理等领域的现代成果，综合应用于产品设计、制造、检测、生产管理和售后服务。在生产技术和生产模式等方面，许多新的思想和概念不断涌现，而且，不同科学之间相互渗透、交叉融合，迅速改变着传统电气设备制造业的面貌，从而使得产品频繁的更新换代，这就使得电机成为社会生产和生活中必不可少的工具。随着科学技术的不断发展，人类社会的不断进步，人们对生活产品的需求要不断趋向多样化，这就要求生产设备必须具有良好的动态性能，在不同的时候进行不同的操作，完成不同的任务。为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计。特别是大型的钢铁行业和材料生产行业，为达到很高的控制精度，速度的稳定性，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，尤其是直流无级调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。1.2国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求，将直流电机制造成不同型号的系列。所谓系列就是指结构形状基本相似，而容量按一定比例递增的一系列电机。它们的电压、转速、机座型号和铁心长度都是一定的等级。现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。z2系列为普通用途的中、小型电机。它的容量从400w到200kw，电动机的额定电压有200v和110v两种，额定转速有3000、1500、1000、750及600r/min五个等级。z2系列普通用途的中型直流电动机，容量从40kw到370kw。zjd系列为大型直流电动机，容量从150kw到6500kw，主要用于驱动大型轧钢机及卷扬机。1.3直流电动机的发展现状及趋势随着电力半导体交流技术的日益发展成熟，直流电机在许多领域已被整流装置代替，但直流电动机具有良好的启动、调速和正反转特性，能满足生产过程中的各种特殊要求，因而在需要宽广调速的场合及特殊要求的自动化控制系统中占有一定得应用地位。目前，我国电机有一定生产规模的企业有500多家，生产的电机产品有500多个系列，近1500个品种。1997年我国电机产量约为55288mw，1998年约为72505mw，1999年约为62000mw。电动机出口量约为12000mw。可以看出1998年较1997年电机产量有较大的提高，到1999年电机产量略有下降，企业负债持续攀升，效益不断下滑，行业整体形势有所下降。745918但随着改革开放的深入，国家宏观政策的调整以及市场需求的推动，我国电机产品由劳动密集型、资源密集型向高附加值和高技术含量的产品转移，出口产品结构也逐步趋向于市场化和合理化。我国500多个电机企业大多集中在沿海地区，西部地区的企业寥寥无几，在国家开发西部的大好机遇里，对电机行业的发展提供了一个发展的机会。另外，我国加入wto后，可将国内一部分富裕的电机生产能力转移到国外去，也是发展的一条出路。在国际市场上，电机是机电产品的重要组成部分之一，每年的贸易额约35亿美元。电机行业单机出口产品主要为交流电动机、交流发电机及直流电动机。由上述可以看到电机的发展还是有很大发展空间的。为了发展电机产品，满足客户需求，扩大国内、国际市场，电机产品必须向多用途、多品种方向发展，向高效、节能方向发展。要开拓市场、扩大出口，今后电机行业的发展必须向以下几方面努力：1电机的多用途、多品种随着电机行业的不断发展，电机产品的外延和内涵也不断拓展，电机产品也广泛应用于能源、交通、石油、化工、建筑等各个领域，并且电机的通用性逐渐向专用性方向发展，打破了过去同一类电机分别用于不同性质、场合的局面。电机正向专用性、特殊性、个性化方向发展，充分发挥电机的效率，这也是国外电机发展的最新观点。2可靠性高、寿命长、噪声低、重量轻、外形美观改革的不断深入，市场的全面开放，市场竞争的日渐激烈，用户对产品高性能的要求，使得产品的生产者为了适应市场及用户的需求，不断地改进工艺，提高技术水平，采用新材料，设计出符合市场需求的电机产品。3高效、节能为了提高电机效率，实现节能的目的，我们采用了许多办法，如采用降低起动转矩、电容补偿、阻尼槽等，但这都是在频率不变的条件下实现的。自从有了逆变器之后，电源的变频变压变得更加容易，从而可以调节异步电机在最佳工作点上运行，保证出力不变的情况下，可用最大效率和高功率因数代替额定效率和额定功率因数，减小了电机尺寸，减轻其重量和降低成本。4机电一体化、智能化随着科学技术的发展，高新技术对电机产品注入了新的活力，计算机辅助设计的运用、国家政策的鼓励、各企业对科技的重视使新产品开发的周期逐渐缩短，机电一体化、智能化电机，应运而生，并且不断推陈出新，在高新技术产品上我国电机的技术水平与发达国家相比，已水平相当。但我国的电机产品要扩大国内、国际市场份额除了要满足以上的要求外，我们还要强化市场竞争意识、市场服务意识，在未来的电机行业大发展中独占鳌。第2章 直流电动机的概述 第2章 直流电动机的概述2.1直流电动机的基本知识第2章 直流电动机的概述2.1.1直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的，但任何直流电机都包括定子部分和转子部分，这两部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电路和磁场发生相对运动。直流电机定子部分主要由主磁极、电刷装置和换向极等组成，转子部分主要由电枢绕组、换向器和转轴等构成。结构图如图2-1。 图2-1直流电机结构图1-电刷；2-磁轭；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁轭1定子部分（1）主磁极: 其作用是产生磁场。通常用厚1-1.5mm的低碳钢片叠装而成。在磁极铁心上绕有励磁绕组，整个磁极利用螺杆固定在磁轭上。（2）换向极: 其作用是改善换向，使电机运行时电刷下不产生有害的火花。换向极也是由铁心及绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。（3）机座: 机座分磁轭和底脚两部分。磁轭的作用是固定主磁极和换向极，是磁路的一部分。底脚起支撑和固定整台电机的作用。机座一般式用铸钢铁制造或钢板焊接而成。2转子部分（1）电枢铁心:电枢铁心是磁路的一部分，表面开槽以嵌放电枢绕组，为减少铁耗，采用0.35-0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，固定在转子支架或转轴上。（2）电枢绕组:电枢绕组由许多按一定规则连接起来的线圈组成，是通过电流和产生电动势的关键性部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。嵌放在电枢铁心表面的槽内直流电机采用双层绕组，每槽内的线圈边分上、下两层，上下层之间及线圈于铁心之间都是要可靠绝缘。槽口用槽契压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，大型电机中，绕组伸出槽外的端接部分应扎紧在支架上。2.1.2直流电动机的工作原理电动机是一种把电能转变为机械能的机械。它的基本原理是利用带电导体和磁场间的相互作用而把电能变为机械能。电动机结构主要包括两部分：转子和定子。转子为电动机的旋转部分，由转轴座组成，导体绕组的排列方式决定电动机的类型及其特性。绝大多数的电动机都须作连续的转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷a、b相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于n极下，其中通过电流的方向总是由电刷a流入的方向，而在s极下时，总是从电刷b流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。2.1.3直流电动机的组成及分类直流电动机的种类有很多，但一般将其分为电磁式直流电动机、永磁式直流电动机、无刷式直流电动机，三种。1电磁式直流电动机： 电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成。电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的变化规律也不同。串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。可通过用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5-15。可通过削弱磁场的恒功率来调速。他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5-15。可以通过削弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为2530(与串联绕组有关)。转速可通过削弱磁场强度宋调整。换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。 转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联连接后，再分别与12片换向片连接。2永磁式直流电动机： 永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。 定子磁极采用永磁体(永久磁钢)，有铁氧体、铝镍钻、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电动机多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用瓦块型磁体。 转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。漆色线在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组)，其各接头分别焊在换向器的金属片上。 电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。3无刷直流电动机： 无刷直流电动机是采用半导体永磁体转子 多极绕组定子 位置传感器定子开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。 无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇产生脉冲信号。采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、lc谐振电路等)，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。2.2直流电动机运行原理2.2.1直流电动机的励磁方式直流电动机的主极磁场由励磁绕组通以直流励磁电流产生。励磁电流的获得方式称为励磁方式。主励磁场的极性由励磁电流方向决定，场强由励磁电流大小决定。一般直流电动机的励磁电流均可在一定范围内调节。励磁方式一般有，他励、并励、串励、复励，四种。下面就简单介绍一下这四种方式的电动机。1他励电动机此类电动机的励磁绕组f和电枢绕组s由两个不同的直流电源供电，励磁回路与电枢回路相对独立，采用永久磁铁作为主极的永磁直流电动机亦属于此类。2并励电动机 励磁绕组f和电枢绕组s并联，有同一个直流电源供电，励磁电流通常只有额定电流的1%-5%，这是直流电动机最为常见的励磁方式。3串励电动机 励磁绕组c和电枢绕组s串联，其励磁电流与电枢电流相等与负载大小有关。4复励电动机 励磁绕组由并励绕组f与串励绕组c两部分组成，并套在同一个主极铁心上，通常复励电动机以并励为主，并励磁动势占磁极总励磁磁动势的70%以上。若串励磁场对并励磁场助磁，称之为积复励；串磁磁场对并励磁场去磁时，则称之为差复励。复励电动机的运行特性介并励于串励之间。 励磁绕组存在电阻，电动机在工作时励磁回路要消耗一定的功率，称之为励磁损耗，这就使得直流电动机的效率相对其他电动机要低。励磁损耗一般不超过额定功率的1%-3%。2.2.2直流电动机的基本方程1电动势平衡方程式：根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和等于所有压降和，有： （2-1） （2-2） 2转矩平衡方程式：直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩；一个是电磁转矩t；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用表示,空载转矩是一个制动性转矩,永远与转速n的方向相反。 （2-3） 2.2.3直流电动机的机械特性1机械特性的表达式：定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下，电机的转速与电磁转矩之间的关系：。由电机的电路原理图可得机械特性的表达式： （2-4） 通常称b大的机械特性为软特性，b小的机械特性为硬特性。2固有机械特性和人为机械特性：电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性(1)固有机械特性：固有机械特性是指当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值、电枢回路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为： （2-5） 固有机械特性曲线如图所示，由于较小，则也较小，所以直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。 图2-2固有机械特性曲线人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即改变式中的机械特性方程中的某些参数所获得的机械特性： (2-6) 我们来研究只改变电枢电压、磁通或附加电阻的一个参数，求出直流电动机有下列三种人为机械特性：1）电枢串电阻时的人为特性：当电动机的时，其人为机械特性的方程式为： (2-7) 图2-3电枢串电阻时特性曲线与固有特性相比，a.理想空载转速不变，b.b 增大，转速降增大，附加电阻越大，也越大，特性越“软”，如图2-3中曲线1、2所示。这类人为机械特性是一组通过,而不同斜率的直线。可见，当负载转矩不变时，只改变电阻的大小，可以改变电动机的转速，因此，电枢回路串电阻的方法，可用于直流电动机调速。 2）降低电枢电压时的人为特性：当电动机的时，改变电枢电压的人为机械特性的方程式为： (2-8) 图2-4降低电枢电压时特性曲线 与固有特性相比较，a. 机械特性曲线的斜率b 不变，b.理想的空载转速随电压减小成正比减小，改变电压时的人为特性是一组与固有机械特性平行的直线，如图所示。由于受到绝缘强度的限制，电动机的额定电压是工作电压的上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化。可见，当负载转矩不变时，改变电压的大小，可以改变电动机的转速，因此，改变电枢电压的方法，也可用于直流电动机调速。 3）减弱励磁磁通时的人为特性： 可以在励磁回路中串接上电阻，或降低励磁电压来减弱磁通，保持时，减弱磁通的人为特性方程式为： (2-9) 图2-5减弱励磁磁通时特性曲线由于磁通f 的减少，使得理想空载转速和机械特性斜率b 都增大，其特性曲线如图所示。电机的磁通设计在磁化曲线的膝点，接近饱和点，因此一般采用减弱磁通方法，可见，当负载转矩不变时，减弱磁通方法也可用于直流电动机调速。第3章 设计任务与要求第3章 设计任务与要求3.1设计任务随着科学技术的不断发展，人类社会的不断进步，人们对生活产品的需求要不断趋向多样化，这就要求生产设备必须具有良好的动态性能，在不同的进行不同的操作，完成不同的任务。为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计。特别是大型的钢铁行业和材料生产行业，为达到很高的控制精度，速度的稳定性，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，尤其是直流无级调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。我们本次的设计任务就是直流电动机无级调速的设计，使其能更好的为我们的生产和生活服务。3.2设计要求与性能指标要求设计要使得电动机转速可以由零平滑调至额定转速，能实现高速起动，具有较高的调速精度。1稳态指标：无静差2 动态指标：电流超调量i=5, 空载启动至额定转速时的转速超调量n=10 ，且启动时尽量避免电流的过大冲击。3电机有关参数： ，电枢回路总电阻 ，电流过载倍数=1.5第4章 方案比较论证与选择第4章 方案比较论证与选择第4章 方案比较论证与选择4.1调速指标简介为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标，通常称为调速指标。下面先对调速指标做一简要说明。 1静态指标(1)调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母d表示，即 (3-1)(2)静差率：负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 (3-2)调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，值一定，如果对静差率要求越严，即要求值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。因此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。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上的小范围内升速。(3)调速的平滑性：调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数y 表示，即 (3-3) 平滑系数y 越接近1，说明调速的平滑性越好。如果转速连续可调，其级数趋于无穷多，称为无级调速，其平滑性最好；调速不连续，级数有限，称为有级调速。 2动态指标（1）给定输入的跟随性能指标一般说来，如果控制系统的给定信号变化方式不同，则其输出的响应也不同。通常以输出量的初始值为零，给定信号为单位阶跃信号变化下的瞬态过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称阶跃响应。具体的跟随性能指标如下：1）上升时间tr 。输出量从零第一次上升到稳态值c所经过的时间，它表示动态响应的快速性。2）峰值或最大值时间tm。输出量达到最大值c的时间。3）调节时间tmax 。又称为瞬态过程时间，他衡量系统整个调节过程的快慢。从给定量阶跃变化起到输出量开始进入允许误差带的时间。一般取c（t）稳态值的5%（或2%）的范围作为允许误差带。4）超调量a%。输出相应曲线的最大偏离与稳态值得比值。超调量反应系统的相对稳定性。超调量越小则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。但同时会引起调节时间的加长。所以在一般电动机自动控制系统中，快速性和稳态性往往是互相矛盾的，设计系统时要综合考虑。 （2）扰动输入的抗干扰性能指标控制系统在稳定系统运行过程中，如果受到一个突加的扰动，使得输出的阶跃响应曲线发生变化。抗干扰性能指标定义如下：1）最大动态降落cmax%。系统稳定运行时，突加负扰动信号后的瞬态过程中所引起的输出量最大降落值c，称为最大动态降落。2）回复时间tv 。从扰动作用瞬间开始，到输出量恢复到允许范围内（一般为距新的稳态值5%或2%）所经历的时间。最大动态降落和恢复时间越小，表示抗干扰能力越强。实际控制系统对于动态指标的要求可能不尽相同。一般来说，调速系统的动态指标以抗干扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。3调速的经济性经济性包含两方面的内容，一是指调速所需的设备投资和调速过程中的能量损耗，另一方面是指电动机调速时能否得到充分利用。一台电动机当采用不同的调速方法时，电动机容许输出的功率和转矩随转速变化的规律是不同的，但电动机实际输出的功率和转矩是由负载需要所决定的，而不同的负载，其所需要的功率和转矩随转速变化的规律也是不同的，因此在选择调速方法时，既要满足负载要求，又要尽可能使电动机得到充分利用。经分析可知，电枢回路串电阻调速以及降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速，而弱磁调速适用于恒功率负载的调速。4.2 总体方案论证对于直流电动机调速的方法有很多，而且各有它自己的优点和不足。各种调速方法大致如下：1弱磁调速保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图4-1所示。 从图中可以看出，当励磁磁通为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为a，转速为n；励磁磁通减少为时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为，转速为；励磁磁通减少为时，交点为,转速为 。弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间进行调节，至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制，一般约为1.2左右，特殊设计的调速电动机，可达3或更高。单独使用弱磁调速方法，调速的范围不会很大。 弱磁调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率也较高，适用于恒功率负载，缺点是励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。 图4-1减小磁通时特性曲线在实际电力拖动系统中，可以将几种调速方法结合起来，这样，可以得到较宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内的任何转速上运行，而且调速时损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。2电枢回路串电阻调速：直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图4-2所示，图中的负载为恒转矩负载。 从图中可以看到，当电枢回路串入电阻r时，电动机的机械特性的斜率 将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。 如图4-2中串入的电阻值，交点的转速低于交点的转速，它们都比原来没有外串电阻的交点a的转速n低。电枢回路串接电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，缺点是调速范围小，电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低。图4-2电枢串电阻时特性曲线3降低电枢电压调速直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。电枢电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，如图所示，图中的负载为恒转矩负载。 从图中可以看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为a，转速为n；电压降到后，交点为，转速为；电压为，交点为，转速为；电压为，交点为，转速为；电枢电源电压越低，转速也越低。同样，改变电枢电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间调节。改变电枢电源电压调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，因此，即使电动机在低速运行时，转速随负载变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速。改变电枢电源电压调速方法的优点是调速平滑性好，即可实现无级调速，调速效率高，转速稳定性好，缺点是所需的可调压电源设备投资较高。这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。 图4-3降低电枢电压时特性曲线又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，大概有以下两种：1）使用晶闸管可控整流装置调速 2）使用脉宽调制晶体管功率放大器基于以上特点，我们当前有3种方法可供选择。方案1 弱磁调速 系统采用弱磁调速。由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，控制方便且容易实现，而且更重要是可以实现无级调速，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的范围要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求大约在 750r/min,很明显这种调速方法难以做到这一点，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 串阻调速 系统采用串阻调速。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，不能实现无级调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制，造成经常断带，严重影响轮胎生产的效率和质量。方案3 调压调速系统采用调压调速的调速方法。这种可以获得与电动机固有机械特性相互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调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以 得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。鉴于以上对各种调速可行性方案和调速指标的论述，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。4.3单元电路方案论证4.3.1主电路方案论证：主电路主要是指电源装置和执行机构（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以在此就电源装置进行可行性和优越性比较论证。直流电动机的调压调速方法有两种，具体是：1使用脉宽调制晶体管功率放大器，即 pwm调压调速控制。2使用晶闸管可控整流装置调速。方案比较：（1）. pwm调压调速电源装置采用pwm调压，利用的基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出响应相同。pwm调压调速电路中，正反组分别对电动机供电，实现电动机的正反转运行。首先它需要先将交流转换为直流，再通过h桥式电路直流斩波，调节输出电压的平均值。这里同样需要逻辑控制正反组ibgt的导通与关断，以免发生直流直通短路。这种方法虽然可以实现，但实现相对复杂，而且制动控制较为复杂，关键是igbt容量相对晶闸管容量小，限制了电动机的容量不能做的很大。图4-4直流pwm调速系统的基本构架和电压波形 如图4-4，vt用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，vd表示续流二极管，通过控制vt的导通时间来控制直流电动机的电枢的平均电压，从而控制电动机转速n。直流pwm调速系统的基本构架简单，但电机不能反转和制动，电流也不连续。现在最常用的是桥式（亦称h性）pwm调速系统，其可使电动机在四个象限运行；保持电枢电流的连续性。pwm系统的优点：1）主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高；70年代以来研制了多种“全控式”电力电子器件，如快速晶闸管、gto、mosfet、gtr、igbt，并具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。它们不断完善给pwm控制技术提供了强大的物质基础。另外，微处理器（尤其是单片机）进入直流电动机的调速系统，起控制器的作用。使的直流pwm调速系统作为一种新技术，迅速发展，日益广泛的应用。（2） 使用晶闸管可控整流装置调压调速采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）。如图4-5，vt是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置gt的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（g-m系统），得到了广泛的应用。晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。现代的晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐备，晶闸管装置的运行时十分可靠的。图4-5晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）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，整流装置是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。设计的对象电机系统的容量是125kw，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组问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。综上所述，综合考虑比较两者的优缺点，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。4.3.2控制电路方案论证：对电动机转速的控制调节方法有几种控制策略方法：1采用单环的速度反馈调节加上截止负反馈的方法2采用双闭环速度电流调节方法方案论证：（1）采用单环的速度反馈调节加上电流截止负反馈方法，实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等很简单。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小，它就难以满足要求。单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但是它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图4-6a所示，起动电流突破以后，受电流负反馈的作用，电流只能再高一点，经过某一最大值后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。（2）采用双闭环速度电流调节方法，这种方法虽然初次头次成本相对而言较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求