直流电力拖动系统设计概要.docx

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直流电力拖动系统设计概要

前言

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。

然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

第一章设计任务分析

1.1课题的内容与要求

某型铣床采用镶齿锯片铣刀，驱动电机采用直流电动机，铣刀最大直径500mm，最小直径100mm，铣刀允许最大切削速率20m/s，最高切削速度下最大许用切削力500N，铣刀最大许用切削力矩500N*M，铣刀卡盘、联动轴和铣刀飞轮矩为75N*m2。

试设计此拖动系统，要求切削速率1-20m/s无级可调，设定速度后空载到最大吃刀深度速度波动小于10%。

铣床工作现场有三相四线制380V交流电源，100A空开保护，最大电压波动，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。

1.2系统的概述与分析

根据课题的要求该系统对电机的转速控制采用无静差直流调速系统进行控制。

无静差直流调速系统可分为：

转速负反馈、电压负反馈、电流正反馈、附加电流正反馈的电压负反馈等几种直流调速系统。

无静差直流调速系统如图1.1所示：

图1.1

采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。

TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。

当电流超过截止电流Idcl时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压Ud急剧下降，达到限流的目的。

当电动机电流低于其截止值时，系统结构框图如图1.2所示：

图1.2

第二章电力拖动系统的性能指标分析

电力拖动系统拖动的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能指标要求，包括技术性指标、可靠性指标、经济性指标等方面的指标。

技术性指标作为电力拖动系统设计的主要遵循指标，主要包括了电力拖动系统的机械特性、转速指标及调速性能等方面。

这些指标是设计电力拖动系统必须首先予以明确的。

2.1机械特性

对于拖动生产设备的电力拖动系统，只有当电动机与负载的机械特性配合适当，系统才能正常的运行。

所以电力拖动系统的机械特性必须根据负载的转矩特性加以选定、设计，于是我们必须首先明确拖动对象的转矩特性。

负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。

根据统计分类一般分类为三类：

（1）恒转矩负载特性

（2）恒功率负载特性

（3）泵与风机类负载特性

以上三类负载机械特性是从各种实际负载中概括出来的典型化的负载机械特性，实际负载机械特性可能是以某种典型特性为主的几种典型特性的组合。

如果拖动对象的负载特性没有给出，则需要通过分析、实验等方法求取，具体方法可查阅相关文献。

当拖动对象的负载特性确定后，电力拖动系统能够工艺设备正常工作的必要条件和充分条件是：

1.必要条件:

电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在=

2.充分条件:

在交点处满足<。

或者说，在交点的转速以上存在<,在交点的转速以下存在>。

由此，我们可大致解算出电力拖动系统需要具有的基本参数，包括选用电动机应该具有的输出转矩、输出功率、最大转速和拖动系统的人为机械特性。

2.2调速特性

任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。

例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，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，突加或突减负载时允许的转速波动，运行时停止时要求的定位精度等等。

归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：

（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速。

（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；

（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。

2.2.1稳态性能指标

我们给出调速范围和静差率的定义，这是电力拖动系统的主要稳态特性指标：

调速范围：

生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即

（2-1）

其中和一般都是指在电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如，精密磨床，也可以用实际负载时的最高和最低转速。

静差率：

当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即

（2-2）

显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。

它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。

调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。

在调速工程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。

如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。

因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。

闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

2.2.2控制系统的动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。

自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。

1、跟随指标常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。

（1）上升时间表示动态响应的快速性。

（2）超调量反映系统的相对稳定性，超调越小，相对稳定性越好。

（3）调整时间它衡量整个输出量调节过程的快慢，反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。

2、抗扰动指标

控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量以后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。

（1）动态降落：

调速系统突加额定负载扰动时转速的动态降落。

最大动态速降⊿nmax反映了系统抗干扰的能力和稳定性。

（2）恢复时间：

反映系统的抗扰能力。

总之，一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。

扰动的来源可能包括以下方面，所有这些因素最终都要影响到转速。

（1）负载变化的扰动（使Id变化）；

（2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；

（3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）；

（4）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；

（5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；

（6）检测误差的扰动（使变化）。

以上这些动、稳态指标为设计电力拖动系统的结构方案、控制方案、调节器形式及调节器参数校正提供了依据，为系统的调试、评价提供了标准。

第3章电动机的选择

3.1电动机种类的选用

电力拖动系统是应用电动机来拖动生产机械工作的，由于生产机械种类繁多，工艺要求不一，因而作为驱动用电动机的种类也很多。

按电流种类分，有直流电动机和交流电动机，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。

电动机的主要种类可表示为表1。

表1电动机的分类

为了合理选用电动机种类，应同时考虑两个方面的问题：

一是电动机的性能，例如机械特性、起动性能和调速性能等；二是要知道生产工艺的特点，要使所选电动机的性能满足生产机械的工艺要求，具体可从下列几方面考虑。

3.1.1电动机的机械特性

电动机的机械特性，是指电动机的转速n与转矩T的关系，即n=f（T），其中，转矩T是指电磁转矩。

电动机的机械特性决定其稳定运行、起动、制动和转速调节的工作情况。

电动机的机械特性的一个重要指标是机械特性的硬度，它表示转速随转矩改变而变化的程度，通常用硬度系数β表示。

特性曲线上任一点的硬度系数的定义是该点的转矩变化百分数与转速变化百分数之比，即

（3-1）

按机械特性的硬度，可把电动机的机械特性分为三类如图3.1所示：

图3.1

（1）绝对硬的机械特性。

当转矩改变时，转速不变，如图3.1中的曲线1所示。

同步电动机即具有这种特性，它的2硬度系数β=∞。

（2）硬的机械特性。

转速随转矩而变化，但改变程度不大，如图3.1中的曲线2所示。

直流他励电动机和异步电动机正常工作部分的特性均属于此类，其β值为10～40，硬度系数在直线的机械特性上为一常数，在曲线的机械特性上为一变数。

（3）软的机械特性。

转速随转矩的变化而有较大的改变，如图3.1中的曲线3所示。

串励直流电动机即属于此类，其β<10。

生产机械具有不同的转矩转速关系，要求电动机的机械特性与其相适应。

例如，对于负载变化时，要求转速恒定不变的生产机械，就应选择同步电动机；对于要求起动转矩大、过载能力强及特性软的生产机械，例如电车、电气机车等电力牵引生产机械，就应选择串励或复励直流电动机。

对于拖动功率大（例如大容量空气压缩机、各种泵等），需要补偿电网功率因数时，宜采用交流同步电动机。

3.1.2电动机的起动性能

电动机的起动性能主要是指起动转矩的大小。

一些起动转矩要求不高的，例如机床、小容量水泵、通风机等，可以选用普通三相笼型异步电动机；但起动和制动频繁而且起动和制动转矩要求比较大的生产机械（例如起重机、矿井提升机、不可逆轧钢机、大容量水泵、压缩机、带式输送机、纺织机等），就要选用三相绕线转子异步电动机。

3.1.3电动机的调速性能

电动机的调速性能包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性（设备成本、运行效率等）各方面，都应满足生产机械的要求。

例如，调速性能要求不高的各种机床、通风机、船用锚机、船用起货机等多选用普通三相笼型异步电动机；功率不大、有级调速的电梯或某些机床可选用多速电动机；而调速范围较大、调速要求平滑的龙门刨床、高精度车床、造纸机、可逆轧钢机等多选用调速性能优越的他励直流电动机和绕线转子异步电动机。

随着交流调速技术的迅速发展，例如交流变频调速器的使用，交流电动机的应用必将更加广泛。

3.1.4电动机的电源

交流电源比较方便，随处可得，而直流电源则需要有整流设备。

由于居民住宅中只有单相电源，所以，家用电器都选用单相异步电动机。

采用交流电动机时还应注意，异步电动机要从电网吸收滞后性无功功率使电网功率因数下降，而同步电动机处于过励状态时可从电网吸收超前无功功率。

因此，在要求改善工厂功率因数的情况下，对大功率的电动机可选用同步电动机。

3.1.5电动机的经济性

满足了生产机械对于电动机起动、调速、各种运行性能等方面要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便的电动机。

能同时满足以上条件的电动机可能不是一种类型，还应综合考虑其他情况，例如节能、货源、技术状况等。

3.2电动机电压等级的选用

电动机电压等级要与工厂企业或车间的供电电压一致。

一般中、小型交流电动机额定电压为220/380V或380/660V，大型交流电动机的额定电压是3000V、6000V及10000V。

直流电动机额定电压一般为110V、220V和440V。

大功率直流电动机可提高到600～800V。

当电动机由晶闸管整流装置直接供电时，为配合不同的整流电路联结形式，新改型直流电动机还增设了160V（配合单相全波整流）及440V（配合三相桥式整流）等新的电压等级。

3.3电动机额定转速的选用

额定功率相同的电动机，额定转速越高，电动