转速﹑电流双闭环直流调速系统

内蒙古工业大学本科毕业设计书查词典目前，转速、电流双环控直流调速系统性能良好，应用最广泛的直流调速系统。 研究表明，采用转速负反馈和PI调节器的单环直流调速系统，在保证系统稳定的基础上，转速没有静差。 然而，在对系统动态性能要求高的情况下，例如，一旦需要快速制动或负载急剧下降，则单闭环系统将难以满足需求。 因此，需要引入转速、电流双环控直流调速系统，本文重点阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交流、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 首先介绍了转速、电流双闭环调速系统的结构和静态特性，然后阐述了该系统的动态数学模型，从启动和抗干扰两方面分析了性能、转速和电流两个调节器的作用。在实际应用中，电动机作为将电能转化为机械能的主要设备，一是具有较高的电能转化效率，二是能够根据生产机械过程的要求，控制和调节电动机的转速。 电动机的调速性能直接影响着产品质量的提高、劳动生产率的提高、电力节约。 因此，调速技术一直是研究的热点。长期以来，直流电动机调速性能优良，掩盖了结构复杂等缺点，广泛应用于工程中。 直流电动机在额定转速以下运转时，保持励磁电流恒定，在以能够通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速的额定转速以上运转时，保持电枢电压恒定，通过改变励磁的方法能够实现恒功率调速。 采用转速、电流双闭环直流调速系统，可获得优异的静、动态调速特性。在现代化的工业生产中，电力拖动装置很少使用。 轧机、叶片、卷扬机、运输机等各种生产机械应用马达传动。 随着生产技术的不断提高，产品质量要求不断提高，随着产量的增加，越来越多的生产机械能实现了自动调速。 20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统进入了新的发展阶段。 这种发展基于采用电力电子技术，直流电力拖动系统在世界各国工业部门至今仍然得到广泛应用。 直流拖动的特点是控制容易，能够在广泛的范围内进行平滑正确的调速，能够迅速的响应等。 在一定期间内，直流拖动仍具有很强的生命力。第一章概要1.1直流电机原理直流电动机具有良好的起动制动性能，适合大范围平滑调速，广泛应用于需要调速和快速正反的电力拖动领域。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都很成熟，从控制的角度来看也是交流拖动控制系统的基础。 因此，为了从浅到深地维持教学程序，首先要充分把握直流拖动控制。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置系统等各种类型，各种系统多通过控制转速来实现，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电机转速与其它参数的稳态关系(1-1)式中转速(r/min )。电枢电压(v )。电子电流(a )。R电子回路总电阻(w )。励磁磁通()。由电机的结构决定的电动势常数。由公式(1-1)可知，调节电机转速有以下3种方法1 )调整电枢供给电压u。2 )减弱励磁磁通f。3 )改变电枢电路电阻r。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统，调节电枢供电电压的方式是最合适的。 改变电阻时，只能实现阶段性调速的减弱磁通可以顺利调速，但调速范围不大，配合调压方案，基轴速度(即电机额定转速)以上小范围的减弱磁通往往上升。 因此，自动控制的直流调速系统多以变压调速为主。变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢的供电电压需要电机供电的可控直流电源。下面是一些主要的可控直流电源1 )旋转变流单元由交流电动机和直流发电机构成单元，得到可调整的直流电压。2 )静止控制整流器通过静止控制整流器获得可调整的直流电压。3 ) DC斩波或脉冲宽度调制器在给定DC或非控制整流电源下供电并且在功率电子开关元件中进行斩波或脉冲宽度调制以产生可变的平均电压。1.1.1转速控制的要求和调速指标需要控制转速的设备，其生产技术对调速性能有一定的要求。 总之，调速系统的转速控制要求有以下三个方面1 )调速器在一定的最高转速和最低转速的范围内，阶段性(有级)或者平滑(无级)地调节转速2 )稳定速度33至354可以恒定精度并且以必要的转速稳定地运行，并且不允许在各种干扰下的过大转速波动，从而确保产品的质量3 )加减速频繁发生，制动设备要求尽可能快地加减速，不能承受要求提高生产率的急剧速度变化的机器，要求起爆、制动尽可能平稳。为了进行定量分析，可以针对前两个要求定义两个调速指标。 “调速范围”和“静差率”。 这两个指标统称为调速系统的稳态性能指标。1 .调速范围将生产机械对电动机要求最高转速与最低转速之比称为调速范围，用字母表示时(1-2)其中，一般是指电动机额定负荷时的最高转速和最低转速，即使是少数负荷轻的机械，例如精密磨床，也能够利用实际负荷时的最高转速和最低转速。2 .静差率系统以某一转速运转时，负载从理想无负载增加到额定值时对应的转速下降，与理想无负载转速之比为静差率，即(1-3)或以百分比表示(1-4)显然，静差率是测量调速系统负荷变化时转速的稳定度，与机械特性的硬度有关，特性越硬静差率越小，转速的稳定度越高。了解这些后，介绍转速负反馈闭环直流调速系统。1.2闭环调速系统的构成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是根据调制量的偏差进行控制的系统，在调制量有偏差时会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速下降是负载引起的转速偏差，引入转速闭环调速系统应该能够大幅度减少转速下降。图1-1带转速负反馈闭环直流调速系统的原理框图上图为带转速负反馈闭环直流调速系统的原理框图。 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴地设置速度发电机TG，导出与被测量转速成比例的负反馈电压，与规定的电压进行比较，得到转速偏差电压，经由放大器a，产生电力电子转换器UPE所需要的控制电压，来控制电动机转速。在图中，UPE是由电力电子部件构成的转换器，输入三相(或者单相)交流电源，输出到可控制的直流电压。 在中小容量系统中，大容量的系统通常采用由IGBT和P-MOSFET构成的PWM变换器，在能够采用GTO、IGCT等其他电力电子开关设备的特大容量系统中，常常使用晶闸管触发器和整流装置。1.2.1反馈控制规则介绍以上内容后，再看看他的反馈控制规则转速反馈闭环调速系统是基本的反馈控制系统，具有以下三个基本特征，即反馈控制的基本规律，不添加其他调节器的基本反馈控制系统都遵循这些规律。1 .调整的量有静差由电路图1-1可知，由于采用比例放大器，闭环系统的开环放大系数k的值越大，系统的稳定性能越好。 但是，只能减小稳定速度差，只能消除设置的放大器为比例放大器=常数。 闭环系统的稳态速度(1-5)唯一可以使用的，那是不可能的。 因此，这种调速系统被称为静差调速系统。 实际上，该系统是依赖于被测量量的偏差来控制的。2 .抵制干扰，遵循给予的反馈控制系统具有良好的抗噪性能，可以有效地抑制负反馈环包围的前通道中的干扰作用，但给出的作用变化是唯一的。干扰将对控制系统的各个环节起作用的所有元件(除了所提供的信号之外)引起功率变化的元件称为“干扰作用”。调速系统的扰动源如下：1 )负荷变化的紊乱(变化)。2 )交流电源的电压变动紊乱(使Ks变化)。3 )电机励磁的变化紊乱(Ce变化的原因)。4 )放大器输出电压漂移的紊乱(改变Kp )。5 )温度上升引起的主回路电阻增大的干扰(使r变化)。6 )检测误差的紊乱(改变a )。3 .系统的精度取决于给定和反馈检测的精度因为给定精度确定给定系统输出，所以输出精度自然取决于给定精度。如果给定电压的电源发生变化，则反馈控制系统无法正常调整给定电压或者识别不应该具有的电压变化。 因此，高精度调速系统需要更高精度的恒压电源。因为反馈控制系统还不能克服检测精度的反馈检测设备的误差，所以检测精度决定系统输出精度。1.2.2限流保护电流切断负反馈起动的冲击电流直流电机的全电压起动时，如果没有电流限制措施，就会产生大的冲击电流。 这不仅不利于电动机的转换，对于过载能力低的电力电子部件也不能接受。 采用转速负反馈的闭环调速系统突然施加规定电压时，由于惯性，无法立即建立转速，反馈电压保持为零，与偏差电压相当，几乎为稳定动作值的(1 K )倍。 此时，放大器和逆变器的惯性都很小，因此电枢电压一下子达到其最高值，对于电动机来说相当于全压起动，当然不允许。锁定电流某些生产机械的马达可能遇到锁定。 例如，因故障，机械轴被卡住，挖掘机运转中碰到硬石头。 由于闭环系统的静态特性较硬，因此无限流动并且过度干燥会导致电流远远超过容许值。 如果只用过电流继电器或保险丝进行保护，则过载时会跳闸，对正常的动作也造成障碍。为了解决反馈闭环调速系统启动和锁定时电流过大的问题，系统需要自动限制电子电流的环节。 根据反馈控制原理，为了使哪个物理量维持基本恒定，应当导入其物理量的负反馈。 那么，请导入电流的负反馈，使电流基本保持一定，不要超过允许值。以上是转速负反馈闭环直流调速系统的内容，为了实现更好的控制效果，需要使电流负反馈和转速负反馈分别起作用，这就是我想设计的转速、电流双闭环直流调速系统。 下一章将讨论该系统。第二章转速、电流双闭环直流调速系统介绍2.1转速、电流双闭环直流调速系统结构与静特性对于一个完整的系统来说，系统要达到的性能指标、整个系统的总体性价比、系统稳定性、工作可靠性等都是非常重要的，要求充分考虑问题，并考虑各种因素对整个系统运行的影响。直流调速系统传统上采用速度和电流的双闭环调速。 这是从单闭环自动调速系统发展而来的。 采用PI控制器的单闭环系统实现了转速的无静差调速，但其结构包括电流切断负反馈环，限制了施加制动的最大电流。 此外，电机的逆电位随转速的上升而增加，使电流达到最大值后急速下降。 由此，电机的转速也降低，启动过程变慢，启动时间变长。 为了提高生产率和加工质量，要求尽可能缩短过渡过程时间。 启动时将电流始终保持在最大允许值，马达输出最大转矩，想大幅度缩短转速直线上升的过渡过程时间。 另一方面，在一个调节器的情况下，输入侧综合几个信号，各参数相互影响，因此调整也困难。 为了获得理想的启动过程，克服一些信号的综合缺点，经过研究和实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。 在单环直流调速系统中，电流切断的负反馈环用于控制电流，但超过临界电流值后，只能通过强负反馈作用限制电流的冲击，控制电流动态波形不理想。 如图2-1a )所示，带电流切断负反馈的单环直流调速系统的起动电流和转速波形在起动电流冲击后，受电流负反馈的影响，电流仅进一步上升，经过某个最大值后降低，电动机的电磁转矩也减少，因此加速过程必然延长。对于经常正、反转运转的调速系统，尽量缩短制动时间是提高生产效率的重要因素。 因此，在电动机的最大允许电流和转矩受到限制的条件下，应充分利用电动机的过载能力，在过渡中始终将电流保持在允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，达到稳定旋转速度时，立即降低电流，使转矩立即与负载平衡，转移到稳定运转这种理想的启动过程波形在图2-1b中示出。 此时，起动电流为方波，转速线性增加。 这是在最大电流(转矩)受到限制时，调速系统得到的最快的起动过程。实际上，在主电路的电感的作用下电流不会上升，图2-1b )所示的理想波形只能得到近似的近似，不能正确地实现。 为了实现允许条件下的最快起动，得到将电流保持在最大值的恒流过程是很重要的。 根据反馈控制规律，通过某个物理量的负反馈，该量可以保持基本恒定，并且通过电流负反馈应该得到近似的恒流过程。 这是因为系统在启动中只负反馈电流，没有转速的负反馈，达到稳定转速后，只负反馈转速，想不起电流的负反馈作用，如何使转速和电流双方都存在负反馈，只在各自不同的