直流調速系統(tǒng)設計課程設計.doc

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1、15摘 要本文介紹了直流調速系統(tǒng)的設計方法，采用的是單閉環(huán)控制，而且為速度環(huán)。系統(tǒng)采用了LM324實現(xiàn)比例積分作用，完成相應的運算，采用LM331、測速發(fā)電機和光電編碼器完成系統(tǒng)的反饋與檢測環(huán)節(jié)。對系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)的特性有比較好的優(yōu)化，兼顧了跟隨與抗擾特性。電路簡單，易于連接、操控。系統(tǒng)主要由主電路與控制電路構成，主電路又由開關，交流接觸器，晶閘管整流電路，壓敏保護電路，阻容吸收保護電路等構成?？刂齐娐酚兄饕蛇\算放大器構成，采用較普遍的改變直流電動機電樞電壓和改變勵磁電流的方法進行調速。壓敏電阻、阻容保護電路的應用對電路起到了較好的保護，先進的三相橋式全控整流電路供電穩(wěn)定可靠，對系統(tǒng)的性能起

2、到了一定的促進作用。關鍵詞：直流調速，控制，主電路目 錄緒論41 直流調速系統(tǒng)總體方案的選擇51.1拖動方案的確定51.1.1系統(tǒng)技術性能指標51.1.2直流調速方案的確定61.1.3電力拖動方案及供電方案的確定和電動機的選擇71.1.3.1晶閘管變流裝置主電路接線方式選擇71.1.3.2電動機的選擇91.2主電路器件的選擇與計算91.2.1整流元件額定電壓91.2.2整流元件額定電流92 主電路保護環(huán)節(jié)的設計102.1過電壓保護102.1.1壓敏電阻保護102.1.1阻容保護103 調速系統(tǒng)單元123.1檢測環(huán)節(jié)123.1.1光電編碼器123.1.2光電編碼器的應用電路123.2給定環(huán)節(jié)14

3、3.3調節(jié)器參數(shù)、結構143.3.1比例積分調節(jié)器143.3.2系統(tǒng)結構圖153.3.3調速系統(tǒng)元件參數(shù)表164 總結16附錄18緒 論一 性質和目的課程設計在學習過程中是非常的實踐性環(huán)節(jié)?？梢藻憻捨覀冞\用想關專業(yè)理論和方法處理實際問題的能力，幫助我們增強全局工程意識，逐步樹立起現(xiàn)代工程設計概念。深化對課程基礎知識和理論的理解和掌握，學會系統(tǒng)地運用所學知識理論，獨立分析和解決工程技術問題的能力；在理論計算、制圖、運用標準以及應用計算機等方面提高自己，使逐步樹立正確的設計思想；加強理論與實際想結合，以科學嚴謹、實事求是的態(tài)度對待工程設計。二 課程設計的任務了解和學會三相橋式全控整流電路的原理與實

4、現(xiàn)過程。系統(tǒng)各主要電路保護環(huán)節(jié)的設計。系統(tǒng)的動態(tài)工程設計，包括調節(jié)器的結構和參數(shù)選擇。系統(tǒng)性能指標的計算。了解熔斷器，以及熔斷器的作用。壓敏電阻在電路中的作用，以及各個器件的性能、參數(shù)以及選件原則。 151 直流調速系統(tǒng)總體方案的選擇1.1拖動方案的確定1.1.1系統(tǒng)技術性能指標穩(wěn)態(tài)性能指標：（1）調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍。用字母表示，即 （1.1）其中和一般都指電機額定負載時的轉速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如機密磨床，也可以用實際負載時的轉速。（2）靜差率當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載有理想增加到額定值所對應的轉速降落與理想空載轉速之比，稱作靜差率

5、，即 （1.2）或用百分數(shù)表示 顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度的它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。動態(tài)性能指標：（1）上升時間在典型階躍響應跟隨過程中，輸出量蔥嶺起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性。（2）調節(jié)時間調節(jié)時間又稱過度過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調節(jié)過程的快慢。原則上它應該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間，對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，?。ɑ颍┑姆秶鳛樵试S誤差帶，以響應曲線達到并不再超

6、出該誤差帶所需的最短時間，定義為調節(jié)時間。（3）超調量在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調量， （1.3） 超調量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調量越小，相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)?？箶_性能指標：（1）動態(tài)降落系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標準的負擾動量，在過度過程中所引起的輸出量最大降落值叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值，是該系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落。調速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作運態(tài)速降。（2）恢復時間從階躍擾動作用開始，到輸出量基本恢

7、復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進入某基準量的（或）范圍之內所需的時間，定義為恢復時間，其中稱為抗擾指標中輸出量的基準值，視具體情況而定。1.1.2直流調速方案的確定（1）調節(jié)電樞電壓直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調速。這種方法簡單易行、設備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場合。隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機-電動機調速系統(tǒng)，它的調速性能也遠遠地超過了發(fā)電機-電動機調速系統(tǒng)

8、。特別是大規(guī)模集成電路技術以及計算機技術的飛速發(fā)展，使直流電動機調速系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動機在很寬的范圍內實現(xiàn)無級調速。改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機-電動機組供電的調速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調速系統(tǒng)。（2）減弱勵磁磁通當電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現(xiàn)調速。由式 （1.4）式中為電樞供電電壓（）；為電樞電流（）；為勵磁磁通（）；為電樞回路總電阻（）；為電勢系數(shù)。 （1.5）為電磁對數(shù)，為電樞并聯(lián)支路數(shù)，為導體數(shù)）可看出，電動機的轉速與磁通（也就是勵磁電流）成反比，即當磁通減小時，轉速升高；反之

9、，則降低。與此同時，由于電動機的轉矩是磁通和電樞電流的乘積，電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉速升高，轉矩也會相應地減小。所以，在這種調速方法中，隨著電動機磁通的減小，其轉矩升高，轉矩也會相應地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉速時，電動機始終可以輸出額定功率，因此這種調速方法稱為恒功率調速。為了使電動機的容量能得到充分利用，通常只是在電動機基速以上調速時才采用這種調速方法。采用弱磁調速時的范圍一般為1.5:13:1，特殊電動機可達到5:1。1.1.3電力拖動方案及供電方案的確定和電動機的選擇1.1.3.1晶閘管變流裝置主電路接線方式選擇本試驗內容采用三相橋式可控整流電路連線方式。主電路的

10、開關控制電路為圖1.1。圖1.1主電路的開關控制電路（1）三相橋式全控整流電路圖1.2 三相橋式全控整流電路原理圖三相橋式全控整流電路實質上是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)。在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通才能形成導電回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，另一個晶閘管是共陽組的。6個晶閘管導通的順序依此循環(huán)，每隔 60 度有一個晶閘管換相。為了保證在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個周期內對每個晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為 60 度。（2）三相半波整流電路圖1.3三相半波整流電路原理圖在這個電路中每一相都單獨形成了一個半波整流電路其整流出的三個電壓半

11、波在時間上一次相差120度疊加，并且整流輸出波形不過0點。1.1.3.2電動機的選擇電動機采用西安電機廠生產的型號為z4-100-1的電動機。其技術參數(shù)為：額定功率為1.5千瓦，額定電壓為400伏，額定電流為4.79安，額定勵磁電壓為180伏。1.2主電路器件的選擇與計算1.2.1整流元件額定電壓 （1.6）式中為晶閘管額定電壓，晶閘管在電路中實際承受的最大電壓，為整流變壓器二次側相電壓有效值。取。1.2.2整流元件額定電流 （1.7）式中=0.368，為最大負載電流，取。2 主電路保護環(huán)節(jié)的設計2.1過電壓保護常用的方法有：避雷針；接地電容；阻容保護；整流式電容式保護；壓敏電阻保護。2.1.

12、1壓敏電阻保護壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。圖2.1壓敏電阻的接法壓敏電阻的通流容量選擇原則是：允許通過的最大電流應大于泄放過電壓時流過壓敏電阻的實際浪涌電流峰值。2.1.1阻容保護一般在感性負載側要用阻容吸收器，我們知道感性負載斷電的時候他有一部分的能量需要釋放（電流滯后特性），如果沒有吸收的話在部分能量就會返回到電路中，危害電路中的元氣件。如好多大功率晶體管的輸出端并聯(lián)的阻容吸收器。圖 2.2 交流側

13、阻容吸收電路的幾種接法a)單相聯(lián)接 b)三相星形接 c)三相三角形接 d)三相整流聯(lián)接3 調速系統(tǒng)單元3.1檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)采用光電編碼器和LM331芯片實現(xiàn)。3.1.1光電編碼器光電編碼器型號/輸出回路如下圖圖3.1光電編碼器型號/輸出回路光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖3.2所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的

14、個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。圖3.2光電編碼器原理示意圖3.1.2光電編碼器的應用電路圖3.3EPC755A結構圖EPC755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測量、位移測量時抗干擾能力很強，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號，且該脈沖信號經計數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號。電壓頻率變換器(LM331)：圖3.4是由LM331 組成的電壓頻率變換電路，LM331內部由輸入比較器、定時比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅動、復零晶體管、能隙基準電路和電流開關等部分組成。輸出驅動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。

15、當輸入端輸入一正電壓時，輸入比較器輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅動管導通，輸出端為邏輯低電平，同時電源 也通過電阻對電容充電。當電容兩端充電電壓大于的2/3時，定時比較器輸出一高電平，使RS 觸發(fā)器復位，輸出低電平，輸出驅動管截止，輸出端為邏輯高電平，同時，復零晶體管導通，電容通過復零晶體管迅速放電；電子開關使電容對電阻放電。當電容放電電壓等于輸入電壓時，輸入比較器再次輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，如此反復循環(huán)，構成自激振蕩。輸出脈沖頻率與輸入電壓成正比，從而實現(xiàn)了電壓頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關系為： (3.1)由式知電阻、和直接影響轉換結果，因此對元件的精度要有一定

16、的要求，可根據(jù)轉換精度適當選擇。電阻和電容組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉換精度。圖3.4電壓頻率變換電路3.2給定環(huán)節(jié)系統(tǒng)給定環(huán)節(jié)是由一個滑動變阻器來改變阻值來實現(xiàn)改變 給定電壓，每個電壓量代表一個給定轉速，從而實現(xiàn)控制電機轉速。圖3.5給定環(huán)節(jié)電路3.3調節(jié)器參數(shù)、結構3.3.1比例積分調節(jié)器比例控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差

17、系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例加積分控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。圖3.6比例積分調節(jié)器原理圖調節(jié)器用LM324來實現(xiàn)。LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖3.7所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。圖3.6 LM324引腳圖3.3.2系統(tǒng)結構圖圖3.7系統(tǒng)結構圖圖3.7為該單閉環(huán)系統(tǒng)的結構圖，能夠實現(xiàn)無靜差調速

18、功能。3.3.3調速系統(tǒng)元件參數(shù)表表3.8調速系統(tǒng)元件參數(shù)表電阻電容C電位器10（10個）0.15750.1101000.1205500.011005.1470100表3.1為該系統(tǒng)的元件參數(shù)表，根據(jù)實際情況可以選取其他參數(shù)元件來改變調速系統(tǒng)的性能指標。4 總結通過此次課程設計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多的課外知識，開拓了視野，認識了將來電子的發(fā)展方向，是自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質的飛躍。課程設計既是對我們所學知識的全面總結和綜合運用，也是今后走向社會的實際操作應用鑄就了一個良好開端。課程設計是我對所學理論知識的檢驗與總結，能夠培養(yǎng)和提

19、高設計者獨立分析和解決問題的能力，從老師的角度來說，指導做課程設計是老師對學生所做的一次執(zhí)手訓練。其次，課題設計的指導是老師檢驗其教學效果，改進教學方法，提高教學質量的絕好機會。在沒有做課題設計以前總覺得課題設計只是對我們現(xiàn)在所學知識的大概總結，但是真的面對課題設計時才發(fā)現(xiàn)這種想法是錯誤的。課題設計不僅是對前面所學知識的檢驗，而且也是對自己綜合能力的一種提高。通過這次課程設計使我明白了原來自己所學知識過于理論化了，面對單獨的課題感覺很茫然。自己要學習的東西還很多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，眼高手低。通過這次課程設計使我明白了學習是個長期積累的過程，在以后的工作和學習中應該不斷

20、的學習，努力擴充自己的知識和提高自己的綜合素質。總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難！在不斷努力下終于完成了課題設計，有種如釋重負的感覺，同時也得出一個結論：知識必須通過其應用才能實現(xiàn)其價值。有些東西以為學會了，但真正到用時才發(fā)現(xiàn)是兩回事。所以到真正會用的時候才是真的學會了。在此，感謝我們指導老師悉心的指導，感謝老師給我們的幫助。在設計過程中，我通過查閱相關資料，與同學交流經驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，收獲頗大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對以后的學習工作生活有很大的幫助。除此之外，其也大大的提高了我的動手能力，是我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難與成功的喜悅。在設計過程所學到的東西是這次課程設計最大的收獲與財富，使我終身獲益。附錄 主電路圖