電機(jī)拖動課程設(shè)計

1、<p><b>　　機(jī)電工程系</b></p><p><b>　　電機(jī)及拖動基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 直流電動機(jī)的工作原理2</p&

2、gt;<p>　　1.1 改變電樞電路電阻調(diào)速：2</p><p>　　1.2 改變磁通Φ調(diào)速：2</p><p>　　1.3 改變電樞電壓調(diào)速：2</p><p>　　第二章 調(diào)速系統(tǒng)整體框圖及PID算法的基本原理3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系：3</p><p&

3、gt;　　2.2 調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：3</p><p>　　2.3 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)：4</p><p>　　2.4 測速發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)：4</p><p>　　2.5 PID調(diào)節(jié)器算法的基本原理4</p><p>　　2.5.1 比例調(diào)節(jié)器4</p><p>　　2.5.2 比例積分調(diào)節(jié)器

4、4</p><p>　　2.5.3 比例積分微分調(diào)節(jié)器4</p><p>　　第三章 依據(jù)條件計算相關(guān)環(huán)節(jié)參數(shù)5</p><p>　　3.1 電流環(huán)節(jié)的設(shè)計5</p><p>　　3.1.1 確定時間常數(shù)5</p><p>　　3.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)5</p><p>

5、　　3.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)5</p><p>　　3.1.4 校驗近似條件6</p><p>　　3.1.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容6</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計6</p><p>　　3.2.1 確定時間常數(shù)6</p><p>　　3.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)7</

6、p><p>　　3.2.3 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)7</p><p>　　3.2.4 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容7</p><p>　　3.2.5 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量7</p><p>　　第四章 主電路的設(shè)計及電路原理圖8</p><p>　　4.1 主電路的設(shè)計8</p><p>　　4.2

7、 原理圖8</p><p>　　第五章 觸發(fā)電路的設(shè)計及電路原理圖9</p><p>　　5.1 該電路分為五個基本組環(huán)節(jié)：10</p><p>　　5.1.1 同步環(huán)節(jié)：10</p><p>　　5.2.2 鋸齒波形成及脈沖移相環(huán)節(jié)：10</p><p>　　5.2.3 脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)：

8、10</p><p>　　5.2.4 雙脈沖形成環(huán)節(jié)：11</p><p>　　5.2.5 強(qiáng)觸發(fā)及脈沖封鎖環(huán)節(jié)：11</p><p>　　第六章 個人總結(jié)與體會11</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)12</p><p>　　第一章 直流電動機(jī)的工作原理</p><p>　　電

9、動機(jī)轉(zhuǎn)速特性： </p><p>　　n=U/CeΦ-(R/CeCTΦ2)T</p><p>　　此公式也是直流電動機(jī)的調(diào)速公式，改變加在電動機(jī)電樞回路的電阻Ｒ，外加電壓Ｕ或者磁通Φ都可以改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。</p>

10、<p>　　1.1 改變電樞電路電阻調(diào)速：</p><p>　　當(dāng)電樞電路串聯(lián)附加電阻Ｒ時，即械特性方程變?yōu)?lt;/p><p>　　n=U/CeΦ-(R+Ro)T/CeCtΦ2 </p><p>　　Ro：電動機(jī)電樞電阻</p><p>　?。遥弘姌须娐吠獯郊与娮?lt;/p><p>　　即電動機(jī)電樞電路中串聯(lián)

11、電阻時特性的斜率增加，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將會增加，因而實際轉(zhuǎn)速降低了。</p><p>　　1.2 改變磁通Φ調(diào)速：</p><p>　　在電動機(jī)勵磁電路中，改變其串聯(lián)電阻的大小或采用專門的勵磁調(diào)節(jié)器來控制勵磁電壓，都可以改變勵磁電流和磁通。</p><p>　　此時電動機(jī)的電樞電壓通常為恒定值，而且不串附加電阻，因為調(diào)速過程中為使電動機(jī)容量得到充分利

12、用，應(yīng)該使電樞電流　一直保持在額定電流Ｉn，因此改變磁通調(diào)速適合于恒功率負(fù)載，實現(xiàn)恒功率調(diào)速。</p><p>　　1.3 改變電樞電壓調(diào)速：</p><p>　　當(dāng)改變電樞電壓Ｕ時，理想空載轉(zhuǎn)速No也將改變，而機(jī)械特性的斜率不變，此時方程為：</p><p>　　n=U/CeΦ-RT/CeCtΦ =No-KmT</p><p>　　改變電

13、樞電壓調(diào)速方式屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并在空載或負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時也能得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。從以上三種調(diào)速方案中，確定調(diào)壓調(diào)速。</p><p>　　第二章 調(diào)速系統(tǒng)整體框圖及PID算法的基本原理</p><p>　　當(dāng)給定信號來時，經(jīng)過PID對信號進(jìn)行處理輸出一個穩(wěn)定的信號給觸發(fā)電路，形成脈沖信號調(diào)節(jié)整流電路的輸出電壓，電壓傳給主電路，帶動電動機(jī)轉(zhuǎn)動。測速發(fā)電機(jī)對電動機(jī)進(jìn)行測速，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為電壓信號，傳送給

14、比較器，對信號進(jìn)行時刻變化調(diào)速，使其達(dá)到一個衡均轉(zhuǎn)速，電流截止負(fù)反饋，對主電路電流進(jìn)行檢測過電流時起作用，將信號傳給比較器進(jìn)行控制。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系：</p><p>　　電壓比較環(huán)節(jié)： ΔUn=Ugn-Ufn</p><p>　　轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)： ΔUfn=αn</p><p>　　式中： Ufn負(fù)反

15、饋電壓 Ugn轉(zhuǎn)速給定電壓</p><p>　　Δun偏差電壓 α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 單位為vmn/r</p><p>　　由以上兩式可得：Δun=Ugn-αn</p><p><b>　　其轉(zhuǎn)速關(guān)系為：</b></p><p>　　N↑→Ufn↑→ΔUn↓→Uc↓→α↑→Ud↓→n↓</p>

16、<p>　　通過此調(diào)節(jié)過程，系統(tǒng)重新進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 </p><p>　　2.2 調(diào)速系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：</p><p>　?、僬{(diào)速范圍：D=nmax/nmin</p><p>　　nmax最高轉(zhuǎn)速 nmin最低轉(zhuǎn)速</p><p>　　②靜差率：S=Δned/no= (no-ned)/ no</p>

17、<p>　　S=ned/no×100﹪</p><p>　　2.3 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)：</p><p>　　為了實現(xiàn)限流保護(hù)，須在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，電流反饋信號取自串入電機(jī)電樞回路的小電阻Rs兩端，IdRs正比于電樞電流。為了實現(xiàn)電流截止負(fù)反饋，引入比較電壓Ubj ,并將其與IdRs反向串聯(lián)。忽略二極管正向壓將，則當(dāng)IdRs＞Ubj時，二極管導(dǎo)通，電流反

18、饋信號Ufi=IdRs-Ubj,當(dāng)IdRs≤Ubj時，二極管截止。設(shè)Ilj為臨界截止電流，將Ubj調(diào)整到Ubj=IljRs,當(dāng)Id>Ilj時，電流截止負(fù)反饋投入；當(dāng)Id≤Ilj時，電流截止負(fù)反饋被截止，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對電流負(fù)反饋的控制要求。</p><p>　　2.4 測速發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)：</p><p>　　抑制擾動性能是反饋系統(tǒng)最突出的特征。在調(diào)速中只考慮負(fù)載擾動，TL表示電動機(jī)負(fù)

19、載轉(zhuǎn)距，Te表示電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距負(fù)載突增時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程如下：</p><p>　　TL↑→TL>Te→n↓→Ufn→△Un↑→Uc↑→Udo↑→Id↑→Ie↑→n↑</p><p>　　通過此調(diào)節(jié)過程，系統(tǒng)重新進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 </p><p>　　2.5 PID調(diào)節(jié)器算法的基本原理 </p><p>　

20、　2.5.1 比例調(diào)節(jié)器 </p><p>　　比例調(diào)節(jié)器是最簡單的一種調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為 </p><p>　　u=Ke+U0式中，K為比例系數(shù)，U0為控

21、制量的基準(zhǔn)，也就是說e=0時的控制作用（閥門起始開度，基準(zhǔn)電信號等）。 </p><p>　　比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng) </p><p>　　2.5.2 比例積分調(diào)節(jié)器

22、 </p><p>　　為了消除在比例積分調(diào)節(jié)中殘存的靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加上積分調(diào)節(jié)，形成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為積分時間。</p><p>　　2.5.3 比例積分微分調(diào)節(jié)器 </p><

23、p>　　積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但花出的代價是降低了響應(yīng)的速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但對偏差兩作出即時反應(yīng)（即比例調(diào)節(jié)作用），而且對偏差量的變化作出反應(yīng)，或者說按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅于萌芽狀態(tài)中。為達(dá)到這一目的，可以 在上述PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加入微分式中，Td為微分時間。

24、 </p><p>　　理想的PID調(diào)節(jié)器對偏差階躍變化的響應(yīng)，他正在偏差e階躍變化的瞬間t=t0處有一沖擊式瞬時響應(yīng)，這里有附加的微分環(huán)節(jié)引起的。理想PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)有加入的微分環(huán)節(jié)，可見它對偏差的任何變化都產(chǎn)生控制作用Ud,以調(diào)整系統(tǒng)輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，Ud越大，反饋校正量則越大。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服

25、振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后—超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)要復(fù)雜。 </p><p>　　第三章.依據(jù)條件計算相關(guān)環(huán)節(jié)參數(shù)<

26、/p><p>　　3.1 電流環(huán)節(jié)的設(shè)計</p><p>　　3.1.1 確定時間常數(shù)</p><p>　?。?）整流裝置滯后時間常數(shù)T。根據(jù)有關(guān)手冊三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。</p><p>　　（2）電流濾波時間常數(shù)Tfi=0.001s</p><p>　　(3) 電流環(huán)小時間常數(shù)取TΣi=T

27、s+Tfi=0.0027s</p><p>　　3.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　因 ，所以按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　3.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　ACR超前時間常數(shù)τi=Ta=0.03s</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：

28、時，應(yīng)取，因此</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p>　　3.1.4校驗近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率</b></p><p>　?。?）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:</p><p><b>　　而,滿足近似條件。</b><

29、/p><p>　?。?）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：</p><p><b>　　而</b></p><p>　?。?）小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p>　　3.1.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　取,各電容電阻值計算如下：</p><p>　　按照上述

30、參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：滿足設(shè)計要求</p><p><b>　　3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1確定時間常數(shù)</p><p>　?。?）電流環(huán)參數(shù)的時間常數(shù)為</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Tfn=0.002s</p><p>　　(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時

31、間常數(shù)</p><p>　　3.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型Ⅱ系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： </p><p>　　3.2.3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都好的原則取h=5，則ASR的超前

32、時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p>　　于是。ASR的比例系數(shù)為</p><p>　　3.2.4計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p><b>　　取，則</b></p><p>　　3.2.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p>&

33、lt;p><b>　　當(dāng)h=5時，；而</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　所以能滿足要求。</b></p><p>　　第四章 主電路的設(shè)計及電路原理圖</p

34、><p><b>　　4.1主電路的設(shè)計</b></p><p>　　主電路為三相橋式全控整流電路，它可看成是由一組共陰極接法和另一組共陽極接法的三相半波可控整流電路串聯(lián)而成。共陰極組VT1、VT3、VT5在正半周導(dǎo)點，流經(jīng)變壓器的電流為正向電流；共陽極組VT4、VT6、VT2在負(fù)半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的電流為反向電流。變壓器每相繞組在正負(fù)半周都有電流流過，變壓器繞組中沒有

35、直流磁通勢，同時也提高了變壓器繞組的利用率。</p><p><b>　　4.2 原理圖</b></p><p>　　第五章 觸發(fā)電路的設(shè)計及電路原理圖</p><p>　　同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路，不受電網(wǎng)波動和波形畸變的影響，移相范圍寬，應(yīng)用廣泛。因此在本課題中選用鋸齒波同步電壓。晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率就越大。對于大中電

36、流容量的晶閘管，為了保證其觸發(fā)脈沖具有足夠的功率，往往采用晶體管組成的觸發(fā)電路。晶體管觸發(fā)電路按同步電壓的形式不同，分為正弦波和鋸齒波兩種觸發(fā)電路如下圖所示： </p><p>　　5.1該電路分為五個基本組環(huán)節(jié)：

37、 </p><p>　　5.1.1同步環(huán)節(jié)：

38、 </p><p>　　在鋸齒波電路中，同步就是要求鋸齒波的頻率與主回路電源的頻率相同。鋸齒波是由起開關(guān)作用的V2控制的，V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2截止</p><p>　　持續(xù)時間就是鋸齒波的寬度，V2開關(guān)作用的晶閘管的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發(fā)脈沖與主回路電源同步，必

39、須使V2開關(guān)的頻率與主回路電源頻率達(dá)到同步。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器二次側(cè)電壓來控制V2的通斷，這就保證了觸發(fā)脈沖與主回路同步。 </p><p>　　5.2.2 鋸齒波形成及脈沖移相環(huán)節(jié)： </p>

40、<p>　　電路中由晶閘管V1組成恒流源向電容C2充電，晶閘管V2作為同步開關(guān)控制恒流源對C2的充放電過程。晶體管V3為射極跟隨器，起阻抗變換和前后級隔離作用，以減小后級對鋸齒波線性的影響當(dāng)V2截止時，由V1管、V9穩(wěn)壓管、R3、R4組成的恒流源以恒流Iel對C2充電，u2隨著時間t線性增長。Iel/C2為充電斜率，調(diào)節(jié)R3可改變Iel,從而調(diào)節(jié)鋸齒波的斜率。當(dāng)V2導(dǎo)通時，因R5阻值小，電容C2經(jīng)R5、V2管迅速放電到零。

41、為了減小鋸齒波電壓與控制電壓Uc、偏移電壓Ub之間的影響，鋸齒波電壓u2經(jīng)射極跟隨器輸出。 鋸齒波電壓ue3與Uc、Ub進(jìn)行并聯(lián)疊加，它們分別通過R7、R8、R9與V4的基極相接。根據(jù)疊加原理，分析V4管基極電位時，可看成鋸齒波電壓ue3、控制電壓Uc（正值）和偏移電壓Ub（負(fù)值）三者單獨作用的疊加。當(dāng)V4管基極b4斷開時，只考慮鋸齒波電壓ue3作用。可見，uˊe3仍為鋸齒波，但斜率比ue3低。 可見，Uˊc仍為一與Ub平行的一直線，但

42、數(shù)值比Uc小。 可見，Uˊb仍為一與Ub平行的一直線，但數(shù)值比Ub小。所以V4管的基極電壓可表示為 ： </p><p>　　ub4=uˊes+(Uˊc-Uˊb) </p><p>　　其中式中(Uˊc-Uˊb)為負(fù)值，uˊes是隨時間變化的正向鋸齒波電壓。當(dāng)三者合成電壓ub4為負(fù)時，V4管截止；合成電壓ub4由負(fù)過零變正時，V4由截止轉(zhuǎn)為飽和導(dǎo)

43、通，ub4被鉗位到0.7V。 </p><p>　　5.2.3 脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)： </p><p>　　脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管V4、V5、V6組成；放

44、大和輸出環(huán)節(jié)由V7、V8組成；同步移相電壓加在晶體管V4的基極，觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器二次側(cè)輸出。 </p><p>　　充電回路為：由電源+15V端R11 C3 V5發(fā)射結(jié) V6 VD4 電源-15V端，C3充電電壓為28.3V，極</p><p>　　性為左正右負(fù)。

45、 </p><p>　　5.2.4 雙脈沖形成環(huán)節(jié)： </p><p>　　三相全控橋式電路要求觸發(fā)脈沖為雙脈沖，相鄰兩個脈

46、沖間隔為60o，該電路可以實現(xiàn)雙脈沖輸出。</p><p>　　對于三相全控橋電路，電源三相U、V、W為正相序時，6只晶閘管的觸發(fā)順序為VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 彼此間隔60o,為了得到雙脈沖，6塊觸發(fā)板的X、Y可按下圖方式連接，即后相的X端與前相的Y端相連。</p><p>　　5.2.5 強(qiáng)觸發(fā)及脈沖封鎖環(huán)節(jié)：

47、 </p><p>　　在晶閘管串、并聯(lián)使用或全控橋式電路中，為了保證被觸發(fā)電路的晶閘管同時導(dǎo)通?？刹捎幂敵龇蹈摺⑶把囟傅膹?qiáng)脈沖觸發(fā)電路。同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路抗干擾能力強(qiáng)，不受電網(wǎng)電壓波動與波形畸變的直接影響，移相范圍寬。缺點是整流裝置的輸出電壓與控制電壓之間不成線性關(guān)系，且電路較復(fù)雜。</p&g

48、t;<p>　　第六章 個人總結(jié)與體會</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我學(xué)到了不少新知識、新方法、新觀點。這次設(shè)</p><p>　　計不但鍛煉了我的學(xué)習(xí)能力、分析問題與解決問題的能力，同時也鍛煉了</p><p>　　我克服困難的勇氣和決心。</p><p>　　在這次課程設(shè)計中，通過我們幾個同學(xué)的努力探討。我從一開

49、始的迷茫而無從下手，到后來慢慢的思路清晰，整個過程中一步一腳印走過來，感覺電機(jī)拖動的知識的掌握得到了很大的提高。</p><p>　　本次設(shè)計，讓我很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目，課題結(jié)合開發(fā)，設(shè)計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得怎樣把理論運(yùn)用于實際，又讓我們懂得了在理論中遇到了問題怎樣用理論去解決。 </p><p>　　涉及到實際動手的東西，顯然是有困難的。首先把設(shè)計任務(wù)搞清，接下來就

50、是找相關(guān)資料，通過去圖書館和上網(wǎng)，然后對資料進(jìn)行整理。找資料說起來好像很簡單，但真正做起來是要耐心的，要進(jìn)行篩選甄別，所以這個過程是要花費一些時間的，但這其中也拓展了你的知識。書上原理性的東西與真正的動手操作還是有很大區(qū)別的，要考慮很多因素。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，使我明白了自身的不足，還有就是學(xué)習(xí)上存在的以應(yīng)試為目的陋習(xí)，自己真正學(xué)到的知識還是相當(dāng)有限的，而且都是很死板知識，并沒有做到活學(xué)活用。

51、</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 《電機(jī)控制》 許大中主編</p><p>　　2. 《電力電子技術(shù)》 王兆安主編</p><p>　　3. 《電力拖動自動控制系統(tǒng)》 陳伯時主編</p><p>　　4. 《 DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實驗裝