直流電機(jī)不可逆單閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-10-02 00:33 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 以上，其門極電流可以直接用電子控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)， 這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 VM系統(tǒng)本質(zhì)上是帶 R、 L、 E負(fù)載的晶閘管可控整流電路，結(jié)合分析和設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的需要， VM 系統(tǒng)的主要問(wèn)題可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：①觸發(fā)脈沖相位控制；②電流脈沖及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；③抑制電流脈動(dòng)的措施；④ VM系統(tǒng)的機(jī)械特性；⑤晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 12 第 2 章 總體方案的論證比較 總體方案的設(shè)計(jì) 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有很多，而其各有它自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。各種調(diào)速方法可大致歸納如下： （１） 弱磁調(diào)速 通過(guò)改變勵(lì)磁線圈中的電壓 Uf，使磁通量改變 （ Uf增大，磁通量增大； Uf增小，磁通量增?。?。 特點(diǎn)： 保持電源電壓為恒定的額定值，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電流大小，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法屬于基速以上的恒功率調(diào)速的方法。在電流較小的勵(lì)磁回路內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此控制起來(lái)比較方便，功率損耗小，用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁的電阻器功率小，控制方便且容易實(shí)現(xiàn)，而其更重要的是此方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但由于電動(dòng)機(jī)的換向有限以及機(jī)械強(qiáng)度的限制，速度不能調(diào)節(jié)得太高，從而電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍也就受到了限制。 （２） 串聯(lián)電阻調(diào)速 即在電樞回路中串入一個(gè)電阻，其阻值的大小根據(jù)實(shí)際 需要而定，使電動(dòng)機(jī)特性變軟， 特點(diǎn)： 在保持電源電壓和氣隙磁通為額定值，在電樞回路中串入不同阻值的電阻時(shí)，可以得到不同的人為機(jī)械特性曲線，由于機(jī)械特性的軟硬度，即曲線斜率的不同，在同一負(fù)載下改變不同的電樞電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)速的目的，屬于基速以下的調(diào)速方法。這種方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而其成本較低，單外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而其電阻在一定程度上要消耗能量，功率損耗大，低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差，只能適應(yīng)對(duì)調(diào)速要求不高的中小功率型電動(dòng)機(jī)。 （３） 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 電機(jī)降壓起動(dòng)是為了避 免高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流峰值 ,減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的加速轉(zhuǎn)矩和沖擊電流對(duì)工作機(jī)械、供電系統(tǒng)的影響。 13 特點(diǎn)： 在保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻，將電視兩端的電壓，即電源電壓降低為不同的值時(shí)，可以獲得與電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性相互平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速 方向是基速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本保持不變。所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很高，而且能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。但對(duì)于可調(diào)的直流電源成本投資相對(duì)其他方法較高。又由于電力電 子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種的直流調(diào)壓方法，可分為如下兩種： 1）使用晶閘管可控整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)； 2）使用脈寬調(diào)制的晶體管功率放大器調(diào)速系統(tǒng)。 基于以上的特點(diǎn)，當(dāng)前有 3種方法可供選擇。 方案一： 弱磁調(diào)速 系統(tǒng)采用弱磁調(diào)速。由于弱磁調(diào)速方法的特點(diǎn)可以看出：功率損耗小，特別是用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁的電阻器功率小，控制方便而其容易實(shí)現(xiàn)， 更重要的是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，為生產(chǎn)節(jié)約了生產(chǎn)成本。這是它的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)要注意到弱磁調(diào)速方法難以實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行，以及可逆運(yùn)行。只能在基速以上運(yùn)行，且電動(dòng)機(jī)的換向能力以及機(jī)械強(qiáng)度的限制，速度不能調(diào)得太高，這就限制了它的調(diào)速范圍的要求，針對(duì)我們要設(shè)計(jì)的目標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)，速度要求在 1500r/min，很明顯這種調(diào)速方法難以做到，必須要配合其他的控制方法才能實(shí)現(xiàn)，這樣成本將會(huì)升高，而且控制將會(huì)變得復(fù)雜，失去了弱磁調(diào)速本身所具有的優(yōu)點(diǎn)。 方案二： 串聯(lián)電阻調(diào)速 系統(tǒng)采用串聯(lián)電阻調(diào)速。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，控 制電路簡(jiǎn)單可靠，操作簡(jiǎn)便。這種調(diào)速屬于基速以下的調(diào)速方法，可以達(dá)到生產(chǎn)工14 藝對(duì)速度的要求。但它外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗比較大，低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生張力不平穩(wěn)，難以控制。 方案 三： 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)電樞電壓的調(diào)速方法。這種可以獲得與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性相平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速方向是基速以下只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本上保持不變所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很寬，而且可以實(shí)現(xiàn) 電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 鑒于以上對(duì)各種調(diào)速可行性方案的論述本，本系統(tǒng)將采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法以滿足生產(chǎn)工藝的要求。 主電路方案的論證比較 主電路主要是指電源裝置和執(zhí)行裝置（直流電動(dòng)機(jī)），由于電動(dòng)機(jī)是我們的控制對(duì)象，所以就對(duì)電源裝置進(jìn)行可行性和優(yōu)越性的比較論證。 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有兩種，具體為： 1）使用脈沖寬度調(diào)制晶體管功率放大器，即采用 PWM 的調(diào)壓調(diào)速控制； 2）使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速。 PWM 調(diào)壓調(diào)速方案 電源裝置采用 PWM 調(diào)壓，其基本思想是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載到具有慣 性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果相同。即慣性環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)是相同的。 SPWM波形 —— 脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，可表示如下。 15 圖 4 用 PWM 波代替正弦波 圖 5 PWM 調(diào)壓電路 通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通角的移相，改變觸發(fā)角，從而改變電壓的導(dǎo)通時(shí)間，改變電壓的平均值。電路如下： 圖 6 晶閘管可控整流裝置電路 16 電路特點(diǎn)： 電路直接由交流轉(zhuǎn)換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置時(shí) SRC，容量相對(duì) IGBT 而言，比較大，電動(dòng)機(jī)的容量就可以做的相對(duì)較大，可靠性也比較高，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的對(duì)象電機(jī)的容量是 3KW，可以很好地滿足容量的要求，再次，觸發(fā)電路也比較簡(jiǎn)單，有現(xiàn)成的集成觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。不過(guò)由于也存在正反兩組的問(wèn)題，所以也要考慮邏輯控制問(wèn)題，以免發(fā)生環(huán)路導(dǎo)通短路事故。 綜上所述，綜合考慮比較兩者的優(yōu)點(diǎn)，可調(diào)電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調(diào)壓調(diào)速。 控制電路方案的論證比較 ： 對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制調(diào)節(jié)方法有幾種控制方法： （ 1）才用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法； （ 2） 采用雙閉環(huán)的速度、電流反饋控制調(diào)節(jié)方法。 方案論證： 1) 采用才用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋的方法，能實(shí)現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調(diào)試等簡(jiǎn)單。但是此方法又有其缺點(diǎn)，在啟動(dòng)過(guò)程總系統(tǒng)是非線性的，而且
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