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1、摘 要：目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很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。近年以来，高性能交流调速技术发展很快，随着其应用范围的逐渐扩大，有着取代直流调速系统的发展趋势。 为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常要采用闭环控制系统。在对调速指标要求不高的场合，采用转速单闭环系统是最经济的选择，正因为这样，单闭环直流电机调速系统在日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能也被大众所认同。闭环系统把一部分的输出信号反馈回输入端，与输入端的信号进行比较，其差值作为实际的输
2、入信号，能自动地调节输入量，提高系统的稳定性。在对调速系统有较高要求的领域，常利用直流电动机，然而，直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速差，不能够满足要求，所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。但是，采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的，为了消除系统静差，可以采用积分调节器 代替比例调节器。 单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发电机、闭环控制系统组成。通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。关键词:单闭环；不可逆；高稳定性。目 录第1章 绪论31.1本课题在国内外的发展概况及存在的问题31.2本课题的目的和意义3第2章 方案论证42
3、.1 方案论证的比较42.1.1总体方案的论证比较4第3章 主电路设计8第4章 图表18第5章 结论19参考文献20致 谢20附录B21第一章绪论1.1本课题在国内外的发展概况及存在的问题目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很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，随着其应用范围的逐渐扩大，有着取代直流调速系统的发展趋势。为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常要采用闭环控制系统。在对调速指标要求不高的场合，采用转速单闭环系统是最经济的选择，正
4、因为这样，单闭环直流电机调速系统在日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能也被大众所认同。闭环系统把一部分的输出信号反馈回输入端，与输入端的信号进行比较，其差值作为实际的输入信号，能自动地调节输入量，提高系统的稳定性。在对调速系统有较高要求的领域，常利用直流电动机，然而，直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速差，不能够满足要求，所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。但是，采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的，为了消除系统静差，可以采用积分调节器代替比例调节器。单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发电机、闭环控制系统组成。通过调整晶闸管的控制角
5、来调节转速，非常方便，高效。1.2课程设计的目的和意义1）了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。2）掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。4）掌握交、直流电机的基本结构、原理、运行特性。5）掌握交、直流电动机的机械特性及起动、调速、制动、反转的基本理论和计算方法。6）了解选择电动机的原则和方法。7）学习低压电器基础知识，具备使用有关手册，图表资料的初步能力。 8）学会分析电力拖动与自动控制系统中电动机的机械特性，各种运行状态及控制特性，掌握它们的基本原理和相应计算方法。9）掌握电力拖动控制理论和线路分析方法，具备排除一般故障的能力
6、。 10）通过实验、实习等教学环节，深化专业理论，增强动手能力，具备初步的电力拖动制动系统的调试能力。第二章方案论证2.1方案比较的论证2.1.1总体方案的论证比较对于直流电动机调速的方法有很多，而其各有它自己的优点和不足。各种调速方法可大致归纳如下： （）弱磁调速通过改变励磁线圈中的电压Uf，使磁通量改变（Uf增大，磁通量增大；Uf增小，磁通量增小）。特点：保持电源电压为恒定的额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁电流大小，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速的方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制起来比较方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易
7、实现，而其更重要的是此方法可以实现无级平滑调速，但由于电动机的换向有限以及机械强度的限制，速度不能调节得太高，从而电动机的调速范围也就受到了限制。（）串联电阻调速即在电枢回路中串入一个电阻，其阻值的大小根据实际需要而定，使电动机特性变软， 特点：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢回路中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即曲线斜率的不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，而其成本较低，单外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而其电阻在一定程度上要消耗能量，功率损耗
8、大，低速运行时转速稳定性较差，只能适应对调速要求不高的中小功率型电动机。（）调节电枢电压调速电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。特点：在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电视两端的电压，即电源电压降低为不同的值时，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，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，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高，而且能实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对其他方
9、法较高。又由于电力电 子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，可分为如下两种：1）使用晶闸管可控整流装置的调速系统；2）使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。基于以上的特点，当前有3种方法可供选择。方案弱磁调速系统采用弱磁调速。由于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，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，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范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求
10、在1500r/min，很明显这种调速方法难以做到，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。方案串联电阻调速系统采用串联电阻调速。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，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。方案 调节电枢电压调速系统采用调节电枢电压的调速方法。这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要
11、输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。鉴于以上对各种调速可行性方案的论述本，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。主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。直流电动机的调速方法有两种，具体为：1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即采用PWM的调压调速控制；2）使用晶闸管可控整流装置调速。一、PWM调压调速方案电源装置采用PWM调压，其基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的
12、环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出相应是相同的。SPWM波形脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，可表示如下。图2-1用pwm波代替正弦波PWM调压电路图2-2pwm调压电路二、使用晶闸管可控整流装置调速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。电路如下：图2-3晶闸管可控整流电路装置电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置时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。设计的对象电机的容量是3KW，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
13、的集成触发电路，设计起来相对简单。不过由于也存在正反两组的问题，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。控制电路方案的论证比较对电动机转速的控制调节方法有几种控制方法：（1）才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法；（2）采用双闭环的速度、电流反馈控制调节方法。方案论证：采用才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。但是此方法又有其缺点，在启动过程总系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大负荷时的电流值定为电流截
14、止负反馈的限制值，这将影响电动机的启动时间，而且难以把握电流的动态过程。由于直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，这样大的电流会烧坏晶闸管元件和电机，因而要加以限制。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。系统中若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但是单闭环调速系统中如果存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度，而这又是我们希望避免的。如果能做到电流负反馈在正常运行时不起作用，而在过电流情况下起电流负反馈作用。为此，可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈环节。图2-4第三章电路设计主
15、电路的设计如下图：由于三相半波可控整流电路在其变压器的二次电流中含有直流分量，不适合变压器的长期运行，所以不予采用。本设计采用三相桥式全控整流电路。转速单闭环系统原理如图3-1所示，图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变换后接到电流调节器的输入端，与给定的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变三象全控整流电路的输出电压，这就构成了速度反馈闭环系统。电动机的转速随着给定电压变化，电动机的最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器为比例积分调节器，这是挡给定电压恒定时，闭环系统队速度变化起到了抑制作用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速能稳定在一定的范围内变化。图3-1原理：该系统由给定信号、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器，直流电动机速度反馈等部分组成。在仿真实验设计中采用了面向电气原理结构图方法构建的单闭环转速负反馈直流调速系统的仿真模型。1转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有下述三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律。只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。反馈控制系统的作用是：抵抗扰动
