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1、辽宁工程技术大学课程设计（论文）前言机械振动是指物体在其稳定的平衡位置附近所作的往复运动。这是物体的一种特殊形式的运动。运动物体的位移、速度和加速度等物理量都是随时间往复变化的。机械振动是一种常见的物理现象，如桥梁、机床的振动、钟摆的摆动，飞机机翼的振动，汽车运行时发动机和车体的振动等等。振动的存在会影响机器的正常工作，使机床的加工精度、精密仪器的灵敏度下降，严重的还会引发机器或建筑机构的毁坏；此外，还会引发噪音、污染环境，这是不利的一面。另一方面，人们利用机械振动现象的特性、特征，设计制造了众多的机械设备和仪器仪表，如振动筛选机、振动研磨机、混凝土振动机及测量传感器等。随着机器设备向大型、高
2、速高效和自动化诸方面发展，需要分析处理的振动问题越来越重要。因此，掌握机械振动的基本理论，正确地运用它，对于设计制造安全可靠和性能优良的机器、仪器仪表、建筑结构以及各种交通运输工具，并有效地抑制、防止振动带来的危害是十分必要的。直流机的双闭环调速可使振动系统稳定，有较好的振动幅度。第一章 机械振动台结构与原理本设计的工作平台是Y5050/ZF型50公斤机械振动台。该振动台主要用于质量在50公斤以下的各类产品在各个轴向上作正弦振动实验，能满足响应检查，定频、扫频等各种振动试验方法要求。振动台采用无强迫导向惯性激振系统。振动器置于四个连通的空气弹簧上，组成一典型的单自由度振动系统。该系统的固有频率
3、低于工作频率（防止共振），故振动台工作时处于超共振状态。由于空气弹簧有良好的隔振作用，基座振动甚微，故本机不需要专用地基。电动振动台的机构图如下 图1-1 振动台结构 图1-2 台体力学系统图直流电机由一对皮带轮升速，经变速箱和柔性联轴器分别带动四组不平衡器按规定方向转动，不平衡器中的偏心质量旋转时产生的离心力，在振动方向上合成，形成正弦规律变化的激振力，垂直于振动方向的分力则相互抵消。通过调节手轮的位置，可以使工作台按规定的垂直或水平方向振动。图1-2 振动台原理图当振动台的载荷确定后，只需调节不平衡器的偏心质量的位置，即调节不平衡静矩的大小，即可改变位移幅值的大小，位移幅值的调整采用液压方
4、式。不平衡器由回转油缸和液控单向阀组成，回转油缸活塞即偏心质量，五联同步油缸四周的四个柱塞缸通过管道与液控单向阀及回转油缸相连，组成四个闭路。当按下增幅按钮时，二位四通电磁换向阀动作，油管进压力油将液控单向阀打开。同时，三位四通电磁换向阀左侧电磁铁动作五联同步油缸中间的活塞带动四个柱塞向上运动，回转油缸通过油管分别放出相等容积的液压油活塞同步向外移动，不平衡力矩增大，位移幅值也随之增大。当振动台达到所需要的位移幅值时按下稳幅按钮，二位四通和三位四通电磁换向阀复零位，液控单向阀关闭，五联缸停止运动，活塞固定在某个位置不动，则位移值保持不变。当按下减幅按钮时，二位四通电磁阀动作，将单向阀打开，同时
5、三位四通电磁阀右侧位置电磁阀动作，五联缸活塞杆带动柱塞向下运动，将相等容积的液压油压入回转油缸，活塞同步向里运动，位移幅值减小，到需要值时按下稳幅按钮位移幅值就可以稳定在需要值上。第二章 直流机调速系统主电路及方案确定2.1 双闭环直流调速系统原理图在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统。双闭环直流调速系统原理图如下图所示。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。转速调节器是调速系统的主导调节器，它使
6、转速跟随其给定电压变化，稳态时实现转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中能够获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。图1-1 双闭环直流调速系统原理图2.2 方案确定反馈控制的单闭环调速系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，闭环调速系统应该能大大地减少转速降落。但是单闭环调速系统也存在许多的
7、问题，例如： 在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器参数的调整，系统的动态性能不够好。 环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。 系统中采用电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。 可见电机在整个起动过程中，电流及其对应的转矩不能维持恒值，电机就不能以恒加速起动，因而加速过程必然拖长。 最佳起动过程:在电机最大电流（转矩）受限制条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值。为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合在
8、一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分来加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。第三章 整流变压器的参数选择晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“
9、进线电抗器”以减少对电网的污染。 变压器的参数计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择其次级电压有效值 U2，U2数值的选择不可过高和过低，如果U2 过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大，使功率因数变小；如果U2过低又会在运行中出现当=min时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。通常次级电压、初级和次级电流根据设备的容量、主接线结构和工作方式来定。由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分，有的又不存在，所以变压器容量（视在功率）的计算要根据具体情况来定。3.1 变压器次级相电压U2的计算整流器主电路有多种接线形式，在理
10、想情况下，输出直流电压 Ud 与变压器次级相电压U2有以下关系 （式2.1）其中为与主电路接线形式有关的常数；为以控制角为变量的函数，设整流器在控制角=0和控制角不为0时的输出电压平均值分别为 Ud0和 Ud，则= Ud0/ U2，=Ud/Ud0。 在实际运行中，整流器输出的平均电压还受其它因素的影响，主要为：（1）电网电压的波动。一般的电力系统，电网电压的波动允许范围在+5%10%，令为电压波动系数，则在 0.91.05 之间变化，这是选择 U2的依据之一。考虑电网电压最低的情况，设计中通常取=0.90.95。 （2）整流元件（晶闸管）的正向压降。在前面对整流电路的分析中，没有考虑整流元件的
11、正向压降对输出电压的影响，实际上整流元件要降掉一部分输出电压，设其为。由于整流元件与负载是串联的，所以导通回路中串联元件越多，降掉的电压也就越多。令整个回路元件串联个数为 ，如半波电路=1；桥式电路=2。如果桥臂上有元件串联，也要做相应的变动。这样由于整流元件降掉的电压为。 （3）直流回路的杂散电阻。滞留回路中，接线端子、引线、熔断器、电抗器等都具有电阻，统称杂散电阻。设备工作时会产生附加电压降，记为U，在额定工作条件下，一般U 占额定电压的0.2%0.25%。 （4）换相重叠角引起的电压损失。由前面对整流电路的分析可知，换相重叠角引起的电压降Ud由交流回路的电抗引起，可由整流变压器漏抗 XS
12、表示。由前面的分析可知，变压器漏抗主要与变压器的短路电压百分比 uk%，有关。不同容量的变压器其短路电压百分比也不一样，通常为：容量小于100KVA的变压器 %取5；容量在1001000KVA范围时，%在57之间选取；容量大于1000KVA，uk%的取值范围为 710。 Ud可由以下公式计算，对于n相半波电路， （式2.2）对n相桥式电路 （式2.3）单相桥式整流与单相双半波整流电路相同，取 n=2。 （5）整流变压器电阻的影响。交流电压损失受负载系数的影响，假定功率因数为 1，则交流电压的损失（可认为由变压器引起的交流电压降）Ua为 （式2.4）由其引起的整流输出电压的压降为 （式2.5）考
13、虑上述所有因素，整流电路的直流输出电压应为 （式2.6）将有关各量代入并整理后可得次级相电压有效值的计算公式为 （式2.7） 表2-1 整流变压器计算系数 电路形式 单相双半波0.4500.90.450.70711cos 单相半控桥0.6370.90.451110.5（1+cos） 单相全控桥0.6370.90.45111cos 三相半波0.8271.170.3860.5770.4711.732cos 三相半控桥1.1702.340.3860.8160.8161.220.5（1+cos）三相全控桥1.1702.340.3860.8160.8161.22cos 式（2.7）中的叫做换相电压降系数
14、，对换相压降有影响，它与电路的接线形式有关，当电路为n相半波整流时 当为n相桥式整流时 3.2变压器次级相电流有效值的计算 一般的工业生产用晶闸管设备的负载都为电感性的，负载电流基本上是直流，因而晶闸管电流为方波。变压器的各相绕组与一个（半波）或两个（桥式）晶闸管连接，所以变压器次级电流也为方波，其有效值 I2 与负载电流 Id 成正比关系，比例系数决定于电路的接线形式，所以 （式2.8）如果负载为电阻性，则负载电流、晶闸管电流和变压器次级电流都不是方波，不能采用上式计算，要通过电路分析求取电流的方均根值。如果是电动机负载，式（2.8）中的 Id应取电动机的额定电流而不是堵转电流，因为堵转电流
15、仅出现在启动后的很短的一段时间，这段时间变压器过载运行是允许的。 3.3 变压器初级相电流有效值的计算 整流变压器的初、次级电流都是非正弦波，对于不同的主电路接线形式两者的关系是不一样的。主电路为桥式接线时变压器次级绕组电流中没有直流分量，初、次级电流的波形相同，其有效值之比就是变压器的变比 Kn。在半波电路中，变压器的次级电流是单方向的，包含着直流分量Id2和交流分量Ia2，i2= id2+ ia2，而直流成分是不能影响初级电流 i1的。i1仅与 ia2有关，i1= ia2/Kn。现以三相半波电路为例说明初级电流的计算方法。设负载为电感性，电感量足以消除负载电流的波动。次级电流的有效值为，次级电流中
