直流电力拖动系统设计

1、江西理工大学应用科学学院课程设计前言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。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、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。第一章 设计任务分析1.1课题的内容与要求某型铣床采用镶齿锯片铣刀，

2、驱动电机采用直流电动机，铣刀最大直径500mm，最小直径100mm，铣刀允许最大切削速率20m/s，最高切削速度下最大许用切削力500N，铣刀最大许用切削力矩500N*M，铣刀卡盘、联动轴和铣刀飞轮矩为75N*m2。试设计此拖动系统，要求切削速率1-20m/s无级可调，设定速度后空载到最大吃刀深度速度波动小于10%。铣床工作现场有三相四线制380V交流电源，100A空开保护，最大电压波动，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。1.2系统的概述与分析根据课题的要求该系统对电机的转速控制采用无静差直流调速系统进行控制。无静差直流调速系统可分为：转速负反馈、电压负反馈、电流正反馈、附加电流正反

3、馈的电压负反馈等几种直流调速系统。无 静差直流调速系统如图1.1所示： 图1.1 采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Idcl时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压U d急剧下降，达到限流的目的。当电动机电流低于其截止值时，系统结构框图如图1.2所示：图1.2 第二章 电力拖动系统的性能指标分析电力拖动系统拖动的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能指标要求，包括技术性指标、可靠性指标、经济性指标

4、等方面的指标。技术性指标作为电力拖动系统设计的主要遵循指标，主要包括了电力拖动系统的机械特性、转速指标及调速性能等方面。这些指标是设计电力拖动系统必须首先予以明确的。2.1机械特性对于拖动生产设备的电力拖动系统，只有当电动机与负载的机械特性配合适当，系统才能正常的运行。所以电力拖动系统的机械特性必须根据负载的转矩特性加以选定、设计，于是我们必须首先明确拖动对象的转矩特性。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。根据统计分类一般分类为三类：（1）恒转矩负载特性（2）恒功率负载特性（3）泵与风机类负载特性以上三类负载机械特性是从各种实际负载中概括出来的典型化的负载机械特性，实际负载机械特

5、性可能是以某种典型特性为主的几种典型特性的组合。如果拖动对象的负载特性没有给出，则需要通过分析、实验等方法求取，具体方法可查阅相关文献。当拖动对象的负载特性确定后，电力拖动系统能够工艺设备正常工作的必要条件和充分条件是：1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在=2.充分条件: 在交点处满足 <。或者说，在交点的转速以上存在<,在交点的转速以下存在> 。 由此，我们可大致解算出电力拖动系统需要具有的基本参数，包括选用电动机应该具有的输出转矩、输出功率、最大转速和拖动系统的人为机械特性。2.2调速特性任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要

6、求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行时停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速。（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。2.2.1稳态性能指标我们给出调速范围和静差率的定义，这是

7、电力拖动系统的主要稳态特性指标：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 (2-1)其中和一般都是指在电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如，精密磨床，也可以用实际负载时的最高和最低转速。静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 ，与理想空载转速之比，称作静差率s，即(2-2)显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和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。调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速工程中，若额定速

8、降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 2.2.2 控制系统的动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。1、跟随指标 常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。（1）上升时间 表

9、示动态响应的快速性。（2）超调量 反映系统的相对稳定性，超调越小，相对稳定性越好。（3）调整时间 它衡量整个输出量调节过程的快慢，反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。2、抗扰动指标 控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量以后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。（1）动态降落：调速系统突加额定负载扰动时转速的动态降落。最大动态速降nmax反映了系统抗干扰的能力和稳定性。（2）恢复时间：反映系统的抗扰能力。总之，一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。扰动的来源可能包括以下方面，所有这些

10、因素最终都要影响到转速。（1）负载变化的扰动（使Id变化）；（2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；（3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）；（4）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；（5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；（6）检测误差的扰动（使a变化） 。 以上这些动、稳态指标为设计电力拖动系统的结构方案、控制方案、调节器形式及调节器参数校正提供了依据，为系统的调试、评价提供了标准。第3章 电动机的选择3.1 电动机种类的选用电力拖动系统是应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类繁多，工艺要求不一，因而作为驱动用电动机的种类也很多。按电流种类分，有直流电动机

11、和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。电动机的主要种类可表示为表1。表1 电动机的分类为了合理选用电动机种类，应同时考虑两个方面的问题：一是电动机的性能，例如机械特性、起动性能和调速性能等；二是要知道生产工艺的特点，要使所选电动机的性能满足生产机械的工艺要求，具体可从下列几方面考虑。3.1.1 电动机的机械特性电动机的机械特性，是指电动机的转速 n 与转矩 T 的关系，即 n = f（T），其中，转矩 T 是指电磁转矩。电动机的机械特性决定其稳定运行、起动、制动和转速调节的工作情况。电动机的机械特性的一个重要指标是机械特性的硬度，它表示转速随转矩改变而变化的程度，通常用硬度系

12、数表示。特性曲线上任一点的硬度系数的定义是该点的转矩变化百分数与转速变化百分数之比，即 （3-1） 按机械特性的硬度，可把电动机的机械特性分为三类如图3.1所示：图3.1（1）绝对硬的机械特性。当转矩改变时，转速不变，如图3.1中的曲线 1所示。同步电动机即具有这种特性，它的2硬度系数= 。（2）硬的机械特性。转速随转矩而变化，但改变程度不大，如图 3.1中的曲线 2所示。直流他励电动机和异步电动机正常工作部分的特性均属于此类，其值为 10 40，硬度系数在直线的机械特性上为一常数，在曲线的机械特性上为一变数。（3）软的机械特性。转速随转矩的变化而有较大的改变，如图3.1中的曲线 3所示。串励

13、直流电动机即属于此类，其<10。生产机械具有不同的转矩转速关系，要求电动机的机械特性与其相适应。例如，对于负载变化时，要求转速恒定不变的生产机械，就应选择同步电动机；对于要求起动转矩大、过载能力强及特性软的生产机械，例如电车、电气机车等电力牵引生产机械，就应选择串励或复励直流电动机。对于拖动功率大（例如大容量空气压缩机、各种泵等），需要补偿电网功率因数时，宜采用交流同步电动机。3.1.2 电动机的起动性能电动机的起动性能主要是指起动转矩的大小。一些起动转矩要求不高的，例如机床、小容量水泵、通风机等，可以选用普通三相笼型异步电动机；但起动和制动频繁而且起动和制动转矩要求比较大的生产机械（例

14、如起重机、矿井提升机、不可逆轧钢机、大容量水泵、压缩机、带式输送机、纺织机等），就要选用三相绕线转子异步电动机。3.1.3 电动机的调速性能电动机的调速性能包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性（设备成本、运行效率等）各方面，都应满足生产机械的要求。例如，调速性能要求不高的各种机床、通风机、船用锚机、船用起货机等多选用普通三相笼型异步电动机；功率不大、有级调速的电梯或某些机床可选用多速电动机；而调速范围较大、调速要求平滑的龙门刨床、高精度车床、造纸机、可逆轧钢机等多选用调速性能优越的他励直流电动机和绕线转子异步电动机。随着交流调速技术的迅速发展，例如交流变频调速器的使用，交流电动机的应用

15、必将更加广泛。3.1.4 电动机的电源交流电源比较方便，随处可得，而直流电源则需要有整流设备。由于居民住宅中只有单相电源，所以，家用电器都选用单相异步电动机。采用交流电动机时还应注意，异步电动机要从电网吸收滞后性无功功率使电网功率因数下降，而同步电动机处于过励状态时可从电网吸收超前无功功率。因此，在要求改善工厂功率因数的情况下，对大功率的电动机可选用同步电动机。3.1.5 电动机的经济性满足了生产机械对于电动机起动、调速、各种运行性能等方面要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便的电动机。能同时满足以上条件的电动机可能不是一种类型，还应综合考虑其他情况，例如节能、货源、技术

16、状况等。3.2电动机电压等级的选用电动机电压等级要与工厂企业或车间的供电电压一致。一般中、小型交流电动机额定电压为 220/380V或 380/660V，大型交流电动机的额定电压是3000V、6000V 及 10000V。直流电动机额定电压一般为 110V、220V 和 440V。大功率直流电动机可提高到 600 800V。当电动机由晶闸管整流装置直接供电时，为配合不同的整流电路联结形式，新改型直流电动机还增设了 160V（配合单相全波整流）及 440V（配合三相桥式整流）等新的电压等级。3.3 电动机额定转速的选用额定功率相同的电动机，额定转速越高，电动机的体积越小，造价越低，一般来说电动机

17、的飞轮力矩也就越小，因此选用高速电动机较为经济。但由于生产机械速度一定，电动机的转速越高，拖动系统传动机构的速比也越大，机构越复杂。另外，电动机的和转速影响到电动机过渡过程持续的时间及过渡过程中能量的损耗。电动机的, 值越小，过渡过程越快，能量损耗越小。因此，电动机额定转速的选择需要根据生产机械的具体情况，综合考虑上面各个因素来确定。一般可分为下列三种情况：（1）电动机连续工作，很少起动、制动或反转。这时，可从设备的初期投资、占地面积和维护费用等方面考虑，对几个不同的额定转速进行全面比较，最后确定电动机的额定转速。（2）电动机经常起动、制动及反转，但过渡过程的持续时间对生产率影响不大（例如高炉

18、装料机械的工作情况）。此时除考虑初期投资外，主要根据过渡过程能量损耗为最小的条件来选择电动机的额定转速。（3）电动机经常起动、制动及反转，过渡过程的持续时间对生产率影响较大（例如龙门刨床工作台的工作情况）。这时，主要根据过渡过程持续时间为最短的条件来选择电动机的额定转速。3.4电动机额定功率的选用额定功率的选用必须考虑电动机的发热、过载能力及起动能力三个方面。电动机额定功率的选择一般可分为三步：（1）计算负载功率。这是决定电动机额定功率的依据。（2）根据负载功率，预选电动机的额定功率，尽量接近。（3）校核预选电动机。一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核起动能力。若通过，预选的电动机就

19、确定了；如果通不过，从第二步开始重新进行，直到通过为止。校核过载能力是指，异步电动机的最大转矩 Tm 是否比负载可能出现的最大转矩大，而且需要考虑电网可能出现电压向下波动，按向下波动 10% 计算。直流电动机电枢电流的最大允许值 Imax是否比可能出现的最大负载电流大。校核起动能力主要是指笼型异步电动机是否能可靠起动。校核发热温升是最重要的，工作量有时相当大。在满足生产机械要求的前提下，所选电动机的额定功率越小越经济。3.5 电机容量的原则（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的

20、转速稳定，有一定的调速范围及具有良好的起动和制动性能。（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受有害气体腐蚀等。电动机技术数据如表2所示：表2切削线速度=2*主轴转速*刀具直径/1000 ， n=32r/s=1920r/minr/min铣床的切削功率 PN=额定电压 380V由电机的选型手册可以看出我们即将选用的电机型号是90SZ64型。nN=1000r/min,PN =54w, GD2=0.25Kg.m2, UN=380V ,=510N/m, IN=0.62A 3.6电机电气线路图3.2第四章 控制系统设计4.1 双闭环

21、动态抗扰性能单闭环调节系统对于被包在反馈环内的一切扰动量都有抑制作用。这些扰动量最终要反映到被调量，由测出被调量的偏差进行调节，根据系统的静态特性，扰动才会被抑制，。但还存在不能及时调节的问题。从图4.1可知，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰动作用。因此，在突加负载时，必然会引起动态速升，为了减少动态速升，必须在设计转速调节器ASR时，要求系统具有良好的抗扰动指标。对于双闭环系统，扰动对系统的影响与扰动的作用点有关，扰动作用域内环的主通道中，将不会明显的影响转速，图4.1其中转速和电流两个调节器的作用：1.转速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n

22、很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态工程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态工程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。4.2模拟式速度随动系统典型的模拟式位置随动系统如图所示，一般是在调速系统基础上再外加一个位置环组成，工作原理如图4.2所示：图4.2 工作原理图系

23、统的工作原理和静特性：由系统的控制原理图我们可以看出，系统的转速调节是按给定量和反馈量的偏差进行调节，其偏差大小，该信号经过放大器放大后，去控制触发脉冲的移相角，调节整流电压和电动机的转速变化，只要系统的被调转速产生偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用，也起到了稳速的作用。通过定性的分析我们知道，开环系统中，当负载增大的时候，电枢压降也增大，通过比较和放大，转速只能老老实实降低下来，闭环系统装置有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了。通过比较和放大，提高晶闸管整流输出的电压，使系统工作在新的机械特性下，因而转速又有所回升，这就是转速闭环系统的基本机理。要实现这转速系统的各个参数，要有放大

24、器，而且放大器的倍数要足够大，才能保证一定的性能指标。因此在闭环系统中，引入转速反馈电压后，若要转速偏差小，就必须压的很低。所以设置放大器，才能获得足够的电压。此系统必须要求采用二极管限幅电路，限幅电路。电路如图4.3所示：图4.3转速环节参数计算：（1）确定时间常数，电流环的等效时间常数为，=0.0074s（2）转速滤波时间常数根据所用测速发电机的纹波情况，取=0.01s（3）转速环小时间常数按时间常数近似处理，取=+=0.0174s2选择转速调节器的结构按典型二型系统设计转速环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为： (4-1) 式中：Ka:调节器的比例参数:转速调节器的超前时间常数4.3

25、闭环系统分析及参数计算在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态的校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。 动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正任务。 PID调节器中有比例微分、比例积分和比例积分微分三种类型。由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足

26、够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定度的；用PID调节器则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器。在双闭环调速系统中，电动机，晶闸管的整流装置，触发装置都可以按负载的工艺要求来选择和设计，根据生产机械和工业的要提出系统的稳态和动态性能指标。而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的修正环节来达到。电动机：=380V =1000r/min =54

27、w =0.62A主回路：=0.3 =0.2H全控桥式整流： m=3负载及电动机: =0.25·固有参数计算电动势系数;Ce= =0.279V·min/r转矩系数: =0.272kg·m/A电磁时间常数 =0.67s机电时间常数 =0.00066s晶闸管整流器滞后时间常数取ASR限幅值: 取转速给定的最大值 转速反馈系数: 4.4直流调速系统用的可控整流装置此次设计用的是V-M方式，步骤如下:(1) 根据电动机的额定电压不同，确定整流变压器的输出电压和可控整流电流的结构形式，一般情况，当控制角a为0时，整流输出电压的有效值U应约等于1.1倍的电动机额定电压UN,运算

28、关系如下表3。表3 可控直流电源运算关系(2) 电路结构确定后既要进行晶闸管的型号选择，一般取晶闸管的额定电压的1.5倍2倍的，额定电流大于2倍的电动机额定电流。原理图如4.4所示： 图4.4 直流调速系统用的可控直流电源原理图（3）触发电路设计，一般采用KC或KJ系列的集成触发器，触发电路需要三个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图4.5所示：图4.5 触发电路设计电路图第五章 系统校正与参数整定用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要有扎实的理

29、论基础和丰富的实践经验，不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法，即工程设计方法，步骤如下：1、选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。2、设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选泽将系统校正为I型和II型系统。5.1 拖动对象的参数计算在选定电动机型号及供电电源结构、元器件及运行方式后，可以进行拖动对象的参数计算如下：= (5-1) = （5-2）= (5-3) = （5-4） （5-5）5.2 预制参数设置在获得以上数据后，应当对调节器限幅值、给定值取值范围做出预制参

30、数范围，并由此确定各反馈量的反馈系数。并计算变流环节的开环增益。1、调节器输出限幅值、给定值取值范围根据控制电路供电情况选定，一般要求小于10V。控制电路供电可采用开关电源模块或者仪用线性电源模块，一般应包含有15V输出以供电运放。2、电流、电压反馈系数确定： (5-6) (5-7)3、变流环节开环增益： (5-8)4、确定反馈量的滤波电路时间常数。5.3 调节器参数计算1、电流调节器参数计算一般电流环校正为典I系统,取电流调节器为PI调节器，则其时间常数和开环增益应为：=0.03s电流滤波时间常数： =0.002s电流环开环增益，要求时，应该取，因此于是，ACR的比例系数为2、速度调节器参数

31、计算一般速度环节校正为典II系统，要求系统无静差时为PI调节器,选择转速调节器的参数:按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5则ASR的超前时间常数为：转速滤波时间常数: =0.01s转速开环增益：ASR的比例系数为： 5.4 调节器的实现及器件选择对于模拟控制，调节器由运放及外围器件组成。调节器形式、参数确定后，要确定运放型号和外围器件参数。1、电流调节器的实现：电流调节器电路原理图如图5.1所示：图 5.1电流调节器电路参数计算公式：取40K，则 取40 取0.75 取0.2另外还有考虑供电情况以选择电阻的功率值、电容的耐压值以确定其型号。2、转速调节器的实现：模拟式转速调节器电路如图5.2所示，转速调节器参数计算公式：图 5.2 转速调节器取40K，则=468 取470 =0.185 取0.2 取1另外还有考虑供电情况以选择电阻的功率值、电容的耐压值以确定其型号。5.5 检测电路参数设置各反馈量的反馈系数应当由对调节器限幅值、给定值取值范围做出预制参数范围确定。1、转速反馈环节的反馈系数和电路参数：转速反馈环节的反馈系数为： （5-9）而： = （5-10）其中Cetg为测速发电机的电动势系数，为其输出电位器的分压系数。在根据连接方式和电动机最大转速确定了测速发电机