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毕业设计电压负反馈自动调速系统姓名王亚珂班级电气1104学号0401110413指导老师杨科科一・概述二.设计方案三.系统的分析与计算任务实现电路五.结论六.体会一.概述
1.1调速的基本概念调速即速度掌握,是指在传动系统中认为地或自动地转变电动机的转速,以满意工作机械对不同转速的要求从机械特性上看,就是通过转变电动机的参数或外加电压等方法,来转变电动机的机械特性,从而转变它与工作机械特性的交点转变电动机的稳定运转速度速度调整,可以通过手动给定信号并通过中间放大、爱护等环节来实现电动机转速人为给定,不能自动订正转速偏差的方式称为开由式(3-5)可写出闭环调系统的特征方程式为它的一般表达式为依据劳斯——古尔维茨稳定性判据,可求出系统稳定的充分必要条件为a00a]0a30a[-式(3-6)的各项系数明显都是大于零的,因此系统稳定条件为或为〕/+()(图+7;)(1+27;7;整理后得四.任务实现电路主电路由晶闸管VT
1、VT2和整流二极管VD
1、VD2组成单相半控桥式整流电路,VD19为续流二极管,主回路接入平波电抗器L以改善电机的换向条件,VD1—VD4组成桥式整流电路,给电机励磁供电放大及触发电路采纳单结晶闸管触发电路,掌握信号经VD
13、VD14限幅和C
5、C
6、C10滤波,由晶闸管VTR放大后作为移相掌握信号,移相脉冲经脉冲变压器分别加到VT1或VT2的掌握极,通过掌握信号的变化可掌握移相触发脉冲的相位,从而使主电路的桥式整流器的输出直流电压按要求无级变化给定与反馈电路电压负反馈信号由R
3、R4及电位器1取出,电流正反馈信号由电位器2取出,这两个反馈信号与给定信号串联相加,作为放大电路的出入反馈量的大小分别通过电位器调整,由电阻R
1、R2及C1组成的电压微分负反馈信号与给定信号并联,用以改善系统的动态性能,电流负反馈电路由三极管,稳压管,二极管,电阻,电容和电位器组成爱护电路快速熔断器F1用作短路电流爱护;压敏电阻分别为沟通侧、晶闸管侧的过电压爱护及换向浪涌电压爱护,电阻R16和电容C7用作直流侧过电压爱护图4-1任务实现线路图校正电路在系统中,要实现无静差,系统必需在前向通道上(对扰动量,则在扰动作用点前)含有积分环节,故采纳PI串联校正图4-2串联校正框图图4-3串联校正对系统性能的影响五.结论对调速系统来说,转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式,但是,要实现转速负反馈必需有转速检测装置,如测速发电机或光电数字转速检测器等对模拟量掌握来说,就是采纳测速发电机作为反馈检测器件,安装测速发电机时,要求其轴和主电机的轴严格同心,这不仅增加了设施成本,也增加了维护调试上的困难,对于调整器指标要求不高的系统来说,可以采纳电机端电压负反馈的方法来替代测速发电机的速度反馈方法,从而使系统加以简化从静特性方程式上可以看出,电压负反馈环把被反馈环包围的变流器内阻等引起的稳态速降减1/k+1倍,而由电枢电阻引起的速降仍和开环系统一样,由于扰动量处在电压负反馈环外,系统对它引起的转速降落无抑制作用,同样,对于电动机励磁变化所造成扰动,电压负反馈电压负反馈也无法无法克服,因此,电压负反馈调速成系统的稳态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大些,即稳态性能要差一些在实际系统中,为了尽可能减小稳态速降,电压反馈应尽量靠近电动电枢两端因此,在电压负反馈的同时,对电枢压降加以补偿,即进行电流补偿掌握晶闸管变流器的输出电压中除了直流重量外,还含有沟通重量如把沟通重量引到运算放大器的输入端,不仅不能起调作用,反而会产生干扰,严峻时会造成放大器局部饱和,因此,电压反馈信号一般都要经地滤波处理需要指出的是,电压负反馈加电流补偿的调速系统的负反馈电压信号直接取自接在电动机电枢两端的电位器上,这种连接方式虽然单向,担却把主电路的高电平和掌握电路的低电平串在一起了这从平安角度上看不合适的,简洁发生事故,对于小容量调速系统这种连接方式仍可作为一项有效的措施,而对于较大容量的系统,通常应在负反馈回路中加入电压隔离变换器,使主电路和掌握电路之间没有电的直接联系六.体会通过此次设计,使我知道了如何避开直流可逆调速发生,使在不行逆的条件下保证各项工作正常进行,有效采用直流的作用进行工作,提高直流机的各项性能指标使我们了解了调速的分类、调速系统的静态指标、调速系统的时域指标、开环和闭环调速系统的特点、晶闸管变流器转速负反馈调速系统、转速负反馈调速系统的动态分析、电压负反馈调速系统、电压负反馈加电流补偿的调速系统等等并理解了电压负反馈加电流补偿的调速系统的功能,实现形式以及系统的优缺点环掌握,在许多状况下还盼望转速稳定,即转速不随负载及电网电压等外接扰动而变化此时电动机转速应能自动调整,即采纳闭环掌握这样的系统称为闭环系统调速的分类无级调速和有级调速无级调速,又称连续调速,是指电动机的转速可以平滑地调整其特点是转速变化匀称,适应性强而且简洁实现调速自动化,因此在工业中被广泛使用有级调速,又称间断调速或分级调速它的转速只有有限的几级调速范围有限且不易实现调速自动化向上调速和向下调速电动机未作调速时的固有转速,即为电动机额定负载时的额定转速,也称为基本转速或基速一般地,在基速方向提高转速的调速称为向上调速反之为向下调速恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速有很大一部分机械,其负载性质属于恒转矩类型,即在调速过程中不同的稳定速度下,电动机的转矩为常数假如选择的调速方法能使电磁转矩T为常数,则在恒转矩负载下,电机无论在高速或低速下运行,其发热状况始终是全都的这就使电动机容量能得到合理而充分的采用这种调速方法称为恒转矩调速,例如,当磁通肯定时,调整电动机的电枢电压或电枢回路电阻的方法就属于恒转矩调速方法恒功率调速具有恒功率特性的负载,是指在调速过程中负载功率P为常数,其负载转矩T=a/na为励磁调整系数,这种调速方法称为恒功率调速用恒功率调速方法去带动恒转矩负载是不合理的,在高速时会使电机过载调速系统的静态指标调速范围生产机械要求电动机能供应的最高转速和最低转速之比叫做调速范围通常用D表示,即=怒1-1静差率又称转速变化率电动机在某一转速下运行时,负载由抱负空载变到额定负载所产生的转速降落与额定负载时转速之比,称为静差率S常用百分数表示即s-乂“x1-2明显,静差率与机械特性的硬度有关,特性越硬,静差率越小静差率也与工作速度有关,速度越高,静差率越小,因此,调速范围和静差率这两项指标不是孤立的,必需同时提出才有意义调速系统的时域指标阶跃响应性能指标图17是典型的闭环掌握系统原理框图,图中Rt为阶跃参考输入信号,Nt为系统的扰动输入信号,系统的输出为Cto当给定信号变化方式不同时,输出相应也不一样,通常以输出量的初始值为零、给定信号为阶跃变化下的过度过程作为典型的跟随系统过程这时的动态响应又称作阶跃响应,一般盼望阶跃响应输出量与其稳态值的偏差越小越好,达到输出量的时间越快越好,主要的阶跃响应性能指标有图17典型闭环系统.提升时间tr在典型的阶跃响应过程中,输出量从零开头,到第一次提升到稳态值所经过的时间称为提升时间,它表示动态响应的快速性见图1-3图1-3典型阶跃响应曲线.超调量5%在典型的阶跃响应过程中,输出量超出稳态值的最大偏差量与稳态值之比,用百分数表示,即-uX网%1-4超调量反映系统的相对稳定性超调越小相对稳定性越好.调整时间ts调整时间又称过渡时间,它衡量系统整个调整过程的快慢,原则上它应当是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间但是对于线性掌握系统来说,理论上要使时间t到无穷才真正稳定但是实际系统常取±5%的范围作为允许误差带,以响应曲线进入该误差带所需的最短时间定义为调整时间
1.
4.2抗扰性能指标掌握系统在稳态运行中,假如受到扰动,经受一段动态过程后,总能达到新的稳态,这以恢复过程标志这掌握系统抵挡扰动的力量一般以系统运行时突加一个使输出量降低的扰动以后的过渡过程作为典型的抗扰过程,如图1-4恢复时间tv从阶跃扰动作用开头到输出量恢复稳定,即进入距稳态值允许误差带所需的时间,称为恢复时间(见图1-4)图中Cb称为抗扰指标中输出量的基准量图1-4突加扰动的动态过程
1.5电压负反馈加电流补偿的调速系统对调速系统来说转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式但是要实现转速负反馈必需有转速检测装置,如测速发电机等对模拟量掌握来说,就是采纳测速发电机作为反馈检测器件,安装测速发电机时,要求其轴和主电机轴严格同心,这不仅增加了设施成本,也增加了维护上的困难,对于调速指标要求不高的系统来说,可以采纳电机端电压负反馈的方法来代替测速发电机的速度反馈方法,从而使系统加以简化,但是,电压负反馈调速系统不能克服电枢压降所造成的转速降落,调速性能不如转速负反馈,因此,在电压负反馈的同时,对电枢压降加以补偿,即进行电流补偿掌握图1-5电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图图1-5电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图二.设计方案
2.1单闭环转速负反馈调速系统系统在调整过程中,当电动机在给定电压Um掌握下运行时,若负载转矩突然增大,使转速n下降,测速发电机的负反馈电压Um也成比例下降,偏差电压4Um增大,掌握电压Uct增大,使晶闸管变流器的输出电压Udo加大,由于机械惯性,电动机电势E来不及变化电枢电流Id及电磁转矩T随之增大,使转速n回升,从而削减了转速降落当负载变化时,转速闭环负反馈引起系统前向通道各物理量变化的过程归结如下可见,单闭环转速反馈体统的反馈精度高,简洁实现自动化,但是结构简单,要求精度高,不易完成,设施成本高等缺点图2-1转速负反馈闭环调速系统
2.2电压负反馈调速系统假如略去电机的电枢压降,则电机电枢的两端的电压近似与速度成正比,所以电机端电压的负反馈是电机转速负反馈的一种近似,图2-2是电压负反馈调速系统的原理图图2-2电压负反馈调速系统的原理图由图可知电压负反馈调速系统的静态特性方程KtKU jRhn==M+Kc-2-1式中,K=KK
7.从静态特性方程可以看出,电压负反馈把被包围的变流器内阻等引起的稳态速降减小1/1+K倍,由于扰动在电压负反馈环之外,系统对它引起的转速降落没有抑制作用,同样,对于电动机励磁变化所造成的扰动,电压负反馈也无法克服,因此,电压负反馈调速系统的稳态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大些,即稳态性能要差些
2.3电压负反馈加电流补偿的调速系统对调速系统来说转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式但是要实现转速负反馈必需有转速检测装置,如测速发电机等对模拟量掌握来说,就是采纳测速发电机作为反馈检测器件,安装测速发电机时,要求其轴和主电机轴严格同心,这不仅增加了设施成本,也增加了维护上的困难,对于调速指标要求不高的系统来说,可以采纳电机端电压负反馈的方法来代替测速发电机的速度反馈方法,从而使系统加以简化,但是,电压负反馈调速系统不能克服电枢压降所造成的转速降落,调速性能不如转速负反馈,因此,在电压负反馈的同时,对电枢压降加以补偿,即进行电流补偿掌握图1-5电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图图2-3电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图
2.4方案分析方案一的转速负反馈调整系统的掌握精度高,设施精良、简单,简洁实现自动化,但是综合给定任务,该任务不需要特别高的掌握精度,故不采纳方案二的电压负反馈调速系统由于不能对在电压负反馈环之外的扰动引起的转速降落产生抑制作用,并且,对于电动机励磁变化所造成的扰动,电压负反馈也无法克服,故不采纳方案三是电压负反馈加电流补偿的调速系统,该系统不但具有使处于电压负反馈环之外的扰动引起的转速降落产生抑制作用而且设施相对简洁,经济性好,适于本任务的设计三.系统的分析与计算
3.1直流电动机的传递函数为了对调速系统进行稳定性和动态品质分析,须建立系统的数学模型通常先依据系统中各环节的物理规律,列写出描述该环节动态过程的微分程,进而求出各环节的传递函数,然后,组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数下面将分别给出闭环调速系统各环节的传递函数和闭环调速系统的传递函数图37他励直流电动机的等值电路图3-1给出了额定励磁下他励直流电动机的等值电路,规定的正方向如图箭头方向所示,设主电路电流连续,可写出微分程式U/RIJLg+E(3-1)atLF=黑•与,式中E一一额定励磁下的感应电动势;Te额定励磁下的电磁转矩;Ti包括电机空载转矩在内的负载转矩;GD2一一电气传动系统运动部分分析算到电机轴上的飞轮量;金二30仁——额定励磁下的转矩电流比将上述微分方程式加以整理可得以下方程U-e=r3+Tl与)与坐式atRat中Tl=UR——电磁时间常数;7机=6藤/375℃“系统机电时间常数;L„=TJCm一—负载电流在零初始条件下,取上述方程式两侧的拉氏反变换,分别得到如下述传递函数表达式⑹=1/R心⑹-E(S)一乙S+1(3-2)石(,)_R(3-3)依据式(3-2)和式(3-3)并考虑到n=E/Ce即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图,如图(3-2)所示也可简化成图(3-3)所示图3-2额定励磁下直流电动机的动态结构图图3-3简化后的动态结构图
3.2电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图图2-3是电压负反馈加电流补偿的调速系统的原理图,由图可知瓦旦十上=乩(3-4)K一七式中弓一思一反馈系数当负载增大,稳态转速降落增加时,电流补偿信号(即电流反馈信号)增大,使整流电压增大,从而补偿转速降落同时,随着负载加大,电枢电压降低,通过电压负反馈的作用,整流输出电压增大,也使转速降落削减,依据式(3-4)和系统结构,可以得到电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图,如图(3-4)所示图3-1电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图由图3-1可以写出系统的静态特性方程KK9U《R-土凡》,KKK即h_及d”+++T7(3-5)式中K=K・K7・由式(3-5)可知,电流补偿作用为正值,即正反馈作用,能补偿另两项的稳态速降,达到削减静差的目的
3.3系统稳定条件。