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1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 电力拖动自动控制系统 课题名称 直流电机不可逆单闭环调速控制系统专 业 自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2013年 9 月 13 日湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 运动控制系统题目：直流电机不可逆单闭环调速控制系统设计 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2013年 9月 2日设计完成日期 2013年 9月 13日 设计内容与设计要求一、设计内容：1 电路功能：1） 用晶闸管整流实现直流调压，控制直流电动机的转速连续可调。采用转速调节器构成单闭环控制系统。2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整
2、流电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、调节器电路、驱动电路、检测与故障保护电路。3） 主电路电力电子开关器件采用晶闸管。4） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 调节器参数的设计二、设计要求：1设计思路清晰，给出整体设计框图；2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3. 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4. 绘制总电路图5. 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输
3、入输出电压：三相（AC）220（1+15%）、2） 最大输出电压DC300V、电流根据电机功率予以选择3） 要求电机能实现单向无级调速，稳态性能指标D=10,静差率s5%。4） 电机型号电机型号Z2-71 ,功率10KW,额定电压为220V,额定电流为55A,额定转速为1000r/min，飞轮力矩为1.0kg*m2,效率为=83%，电枢电阻Ra=0.5。 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 实验调试或仿真、实验波形记录及分析等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电
4、路图）；9 参考文献；10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周 星期二:课题内容介绍和查找资料； 星期三:总体电路方案确定 星期四:主电路设计星期五:控制电路设计 星期六:控制电路设计；第二周 星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理参 考 文 献1陈伯时运动控制系统机械工业出版社，2008 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20004郑琼林 耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19965刘定建 朱丹霞实用晶闸管电路大全
5、机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 刘星平. 运动控制系统实验指导书，校内，2009目录摘要6第1章 控制系统的概述71.1转速控制调速指标与要求71.2 转速负反馈直流调速系统结构81.3电压负反馈直流调速系统91.4 VM晶闸管-电动机调速系统10第2章 总体方案的论证比较122.1 总体方案的设计122.2 主电路方案的论证比较142.2.1 PWM调压调速方案142.2.2 使用晶闸管可控整流装置调速15第3章 单闭环直流调速系统启动过程 18第4章主电路设计 194.1主电路工作设备
6、选择 19第5章控制电路设计 21第6章 调试 24总结与体会 26参考文献 27附 录28摘要摘要：为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。本次设
7、计中进行了计算，主要设备调试，关于主电路设计和控制电路设计是基础部分，对晶闸管和电机的调试是非常重要的部分。关键词：稳态性能 ；稳定性；开环；闭环负反馈；静差第1章 控制系统概述1.1 转速控制调速指标与要求直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做 “调速范围”和“静差率”。这两个指标合成调速系统的稳态性能指标。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
8、速可调范围。在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速，若额定负载下的转速降落为，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即，于是，最低转速为，而调速范围为，将上式的式代入，得，表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所满足的关系。晶闸管-电动机系统是开环系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大校场有波动，但是，为了保证共建的加工精度和加工后的表面光洁度
9、，加工过程中的速度却必须稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=2030，静差率s5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=310时，保证静差率s0.2%0.5%。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。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，突加或突减负载使得允许的转速
10、波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的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，分档地或平滑地调节转速。2）稳速。以一定的精度再说需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。3）加、减速。自动设备要求加、减速尽量快，以提高生产效率，不易经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。1.2 转速负反馈直流调速系统结构与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压，用以控制电动机的转速。这就组成了反馈控制的闭环直流调速
11、系统。晶闸管装置常用于特大容量系统。其原理框图如图1所示。图1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被挑梁出现偏差，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装束偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。1.3电压负反馈直流调速系统被调量的负反馈是闭环控制系统的基本反馈形式，对调速系统来说，就是要用转速负反馈。但是，要实现转速负反馈必须有转速检测装置，例如前述的测速发电机，以及数字测速用的光电编码盘、电磁脉冲测速器等等，其安装和维护都比较麻烦，常常是系统装置中可靠性的薄弱环节，因此，对于调速指标要求不
12、高的系统来说，可以用更方便的电压反馈形式来代替测速反馈。电压负反馈系统的稳态性能比带同样放大器的转速反馈系统要差些。在实际系统中，为了尽量减小静态速降，电压负反馈信号的引出线应尽量靠近电动机电枢两端。在电动机转速不很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小得多，因此可以认为，直流电动机的反电动势与端电压近似相等，或者说，电机转速语段电压成正比。在这种情况下，采用电压负反馈就能基本上代替转速负反馈的作用了，而监测电压显然要比检测转速方便得多。原理框图见图2。图中作为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器，电压反馈信号为，图3所示是比例控制的电压负反馈直流调速系统稳态结构图，电压负反馈取自电枢端电压，为了在结构图上把显示出来，须把电枢总电阻R分成两个部分，即。式中为电力电子变换器内阻，为电动机电枢电阻。图2 电压负反馈直流调速系统原理图1.4 VM晶闸管-电动机调速系统变压调速是直流调速系统常用的调速方式，调节电枢供电电压所需的可控电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，
