-带电流截止负反馈转速单闭环V-M不可逆直流调速系统.doc
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1、带电流截止负反馈转速单闭环V-M不可逆直流调速系统摘要晶闸管电动机调速系统(VM系统)在20实际60年代开始逐步取代GM系统而成为20世纪后30年中直流调速系统的主要形式。电源是静止装置,由电力电子AC/DC变换器供电。输出电压可调的电力电子AC/DC变换器最常见的就是大家所熟悉的晶闸管可控整流器,通过改变晶闸管的可控整流器的控制角来改变可控整流器输出电压的极性和大小。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的在对调速精度要求不高的,大功率容量的电机中的应用是非常广泛的,它具有控制简单方便,调速性能较好,设备成本低
2、等的优点。通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析,比较原始系统和校正后系统的差别,得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统。关键词:稳态性能 稳定性 单闭环 电流截止负反馈 无静差目录第0章 前言.3第1章 课程设计内容.3第2章 性能指标.4第3章 方案论证. .5第4章 主回路与控制回路设计. .8 第5章 参数计算.15第6章 Matlab建模与仿真.16第7章 总电气图25第8章 结束语26第9章 致谢27第10 章 参考文献28前言为了提高直流调速系统的动静态性能指标,通常采
3、用闭环控制系统。对调速指标要求不高的场合,采用单闭环系统,而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈,电流反馈,电压反馈等。在单闭环系统中,转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器。反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变,就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较,构成闭环系统。对调速系统来说,若想提高静态指标,就得提高静特性硬度,也就是希望转速在负载电流变化时
4、或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变,最直接和有效的方法就是采用转速负反馈构成闭环调节系统一、课程设计内容系统参数:电动机:功率装置放大倍数:电枢回路总电阻:电枢电感:电机有关时间常数:系统指标:调速范围D=10,无静差其主要内容包括:1、方案确定;2、主电路设计;3、控制电路设计;4、主要电气设备的计算和选择;5、绘制原系统的动态结构图;二、性能指标 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,最高速与最低转速之间的范围,是有级调速还是无极调速,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波动,运行停止时
5、要求的定位精度等等。归纳起来,对于调速系统系统转速控制的要求有以下三方面: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,不易经受剧烈速度的机械则要求起、制动尽量平静。为了进行定量分析,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速可调范围,若额定负载下的转速降落为nN ,则按照上面分析的结果,该系统的静差率应该是最低速时
6、的静差率,即 ,于是最低转速为 ,而调速范围为 ,将上式的nmin 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。 三、 方案论证 普通闭环直流调速系统及其存在的问题(1)起动的冲击电流-直流电动机全电压起动时,如果没有限流措施,会产生很大的冲击电流,这不仅对电机换向不利,对过载能力低的电力电子器件来说,更是不能允许的。(2)闭环调速系统突加给定起动的冲击电流-采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时,由于惯性,转速不可能立即建立起来,反馈电压仍为零,相当于偏差电压,差不多是其稳态工作值的 1+k 倍。这时,由于放大器和变换器的惯性都很小,电枢电压一下子就达到
7、它的最高值,对电动机来说,相当于全压起动,当然是不允许的。(3)堵转电流-有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如,由于故障,机械轴被卡住,或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬,若无限流环节,硬干下去,电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护,一过载就跳闸,也会给正常工作带来不便。 限流保护电流截止负反馈的提出为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题,系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理,要维持哪一个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。那么,引入电流负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。通过对电流负反
8、馈和转速负反馈的分析。考虑到,限流作用只需在起动和堵转时起作用,正常运行时应让电流自由地随着负载增减,采用电流截止负反馈的方法,则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流,而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。 对于直流电动机调速的方法有很多,各种调速方法可大致归纳如下: 方案1 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,低速运行时转速稳定性差,容易产生张力不平稳,难以控制
9、。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,速度要求在1000r/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2 弱磁调速 系统采用弱磁调速。由于弱磁调速方法的
10、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,速度要求在1000r/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3 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
11、平行的人为机械特性,调速方向是基速以下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。基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。与电动机同轴安装一台测速发电机GT,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un,与给定电压U*n相比较后,得到转速偏差电压Un,经过放大器A,产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc,用以控制电动机的转速。这就责成了反馈控制的闭环直流调速系统。晶闸管装置常用于特大容量系统。其原理图如图1所示。 图1 转速单闭环V
12、-M不可逆直流调速系统由图可见,该系统的控制对象是直流电动机M,被控量是电动机的转速n,晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节,由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压(综合)比较环节,电位器RP1是给定原件,测速发电机TG与电位器RP2为转速检测原件。该调速系统的组成框图如下:图2 特点: 把转速反馈与给定比较形成控制信号,组成闭环控制;测速环节:直流测速发电机,与直流电机同轴联结;设置放大器 闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用,在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压,而开环系统不能自动调节。以负载增大为例,闭环调速系统的自动调节过程如下: 总结:具有比例调节器的单
13、闭环调速系统的基本性质,强调指出:有静差系统的概念。这种系统是以存在偏差为前提的,反馈环节只是检测偏差,减小偏差,而不能消除偏差,因此它是有静差调速系统。 V-M系统的工作原理分析晶闸管电动机调速系统(简称VM系统),其原理图如图1-1所示。图中VT是晶闸管的可控整流器,通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位,即可改变平均整流电压Ud,从而实现平滑调速,也大大提高了系统的动态性能;反并联两组全控整流电路,就可实现电机的四象限运行。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;元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感,其中任一指标超过允
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