電力拖動課程設計--某型銑床的主驅動系統(tǒng)設計

1、<p>　　電力拖動綜合課程設計</p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </p><

2、;p>　　設計題目：某型銑床的主驅動系統(tǒng)設計 </p><p><b>　　2012年11月</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 設計任務分析3</p><p>　　1.1 課題的要求與內容3</p><p>　　1.2

3、系統(tǒng)的概述與分析：3</p><p>　　第2章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標分析5</p><p><b>　　2.1機械特性5</b></p><p><b>　　2.2調速特性5</b></p><p>　　2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標5</p><p>　　2.2.2

4、動態(tài)性能指標6</p><p>　　第3章 電動機的選擇7</p><p>　　3.1 電機容量的原則7</p><p>　　3.2電機電氣線路8</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)設計10</p><p>　　4.1 雙閉環(huán)動態(tài)抗擾性能10</p><p>　　4.2 閉環(huán)系統(tǒng)分

5、析及參數計算12</p><p>　　4.3直流調速系統(tǒng)用的可控整流裝置12</p><p>　　第五章 系統(tǒng)校正與參數整定15</p><p>　　5.1 拖動對象的參數計算15</p><p>　　5.2 預制參數設置15</p><p>　　5.3 調節(jié)器參數計算15</p><p

6、>　　5.4 調節(jié)器的實現及器件選擇16</p><p>　　5.5 檢測電路參數設置18</p><p>　　5.6 調節(jié)器限幅輸出電路19</p><p>　　5.7 平波電抗器的計算19</p><p><b>　　總結20</b></p><p><b>　　參考

7、文獻21</b></p><p>　　某型銑床的主驅動系統(tǒng)設計</p><p>　　第1章 設計任務分析</p><p>　　1.1 課題的要求與內容</p><p>　　某型銑床采用鑲齒鋸片銑刀，驅動電機采用直流電動機，銑刀最大直徑500mm，最小直徑100mm，銑刀允許最大切削速率20m/s，最高切削速度下最大許用切削力50

8、0N，銑刀最大許用切削力矩500N*M，銑刀卡盤、聯動軸和銑刀飛輪矩為75N*m2。試設計此拖動系統(tǒng)，要求切削速率1-20m/s無級可調，設定速度后空載到最大吃刀深度速度波動小于10%。銑床工作現場有三相四線制380V交流電源，100A空開保護，最大電壓波動，通風良好，環(huán)境干燥，無粉塵，現場無防爆要求。</p><p>　　1.2系統(tǒng)的概述與分析：</p><p>　　根據課題的要求該系統(tǒng)

9、對電機的轉速控制采用無靜差直流調速系統(tǒng)進行控制。無靜差直流調速系統(tǒng)可分為：1轉速負反饋，2電壓負反饋3電流正反饋等4附加電流正反饋的電壓負反饋等幾種直流調速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖如圖1-1所示：</p><p>　　圖1-1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　ASR—轉速調節(jié)器 ACR—電流調節(jié)器 TG—測速發(fā)電機 TA—電流法互感器</p>&

10、lt;p>　　UPE—電力電子變換器 UN* --轉速給定電壓 Un--轉速反饋電壓 </p><p>　　Un*--電流給定電壓 Ui—電流反饋電壓</p><p>　　采用比例積分調節(jié)器以實現無靜差，采用電流截 止負反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經整流后得到電流反饋信號Ui。當電流超過截止電流Idcl時，Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶

11、體管VBT導通，則PI調節(jié)器的輸出電壓Uc接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓U d急劇下降，達到限流的目的。</p><p>　　當電動機電流低于其截止值時，由如下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖框圖所示：</p><p>　　圖1-2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　第2章 電力拖動系統(tǒng)的性能指標分析</p><p><b>　　2.1機械

12、特性</b></p><p>　　我們稱n=f(T)為電動機的機械特性，n=f(Tz)為生產機械的負載轉矩特性。</p><p><b>　　恒轉矩負載特性</b></p><p>　　當轉速變化時，負載轉矩的大小保持不變稱為恒轉矩負載特性。</p><p>　　可分為：反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載。&

13、lt;/p><p><b>　　恒功率負載特性</b></p><p>　　恒功率負載是指負載的功率為常數，不隨轉速的變化而變化。由于 Pz=Tz·Ω=Tz·=k,則</p><p>　　Tz=·= （ 2-1 ）</p><p>

14、　　式中常數k1=9.55k.由式中可知，恒功率負載的轉矩與轉速成反比。</p><p>　　以上三類負載機械特性是從各種實際負載中概括出來的典型化的負載機械特性，實際負載機械特性可能是以某種典型特性為主的幾種典型特性的組合。</p><p>　　如果拖動對象的負載特性沒有給出，則需要通過分析、實驗等方法求取，具體方法可查閱相關文獻。</p><p>　　當拖動對象

15、的負載特性確定后，電力拖動系統(tǒng)能夠工藝設備正常工作的必要條件和充分條件是：</p><p><b>　　1.必要條件:</b></p><p>　　電動機的機械特性與負載轉矩特性有交點,即存在 。 （ 2-2 ） </p><p><b>　　2.充分條件:</b></p>

16、<p>　　在交點處滿足 。 或者說，在交點的轉速以上存在 ,在交點的轉速以下存在 。 （ 2-3 ）</p><p>　　由此，我們可大致解算出電力拖動系統(tǒng)需要具有的基本參數，包括選用電動機應該具有的輸出轉矩、輸出功率、最大轉速和拖動系統(tǒng)的人為機械特性。&

17、lt;/p><p><b>　　2.2調速特性</b></p><p>　　（1）調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地（有級）或平滑地（無級）調節(jié)轉速；</p><p>　?。?）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；</p><p>　?。?）加、減速——

18、頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。</p><p>　　2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標</p><p>　　我們給出調速范圍和靜差率的定義，這是電力拖動系統(tǒng)的主要穩(wěn)態(tài)特性指標：</p><p>　　調速范圍：生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母 D 表示，即：</p>

19、;<p><b>　　（ 2-4 ）</b></p><p>　　靜差率：當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落 nN ，與理想空載轉速 n0 之比，稱作靜差率 s ，</p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　?。?2-5 ）</b&

20、gt;</p><p>　　調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數值為準。</p><p>　　閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。</p><p>　　2.2.2 動態(tài)性能指

21、標</p><p>　　工藝設備還要求電力拖動系統(tǒng)具有滿足工藝要求的動態(tài)指標，包括跟隨指標和抗擾動指標：</p><p>　　1、跟隨指標：調速系統(tǒng)對給定信號的跟隨性能一般用階躍給定信號下，系統(tǒng)響應的最大超調量、調整時間和振蕩次數三個指標來衡量。</p><p><b>　　最大超調量：</b></p><p><

22、b>　　（ 2-6 ）</b></p><p>　　調整時間ts：從給定量作用于系統(tǒng)開始到被調量進入穩(wěn)定區(qū)域止的時間。</p><p>　　振蕩次數：被調量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數。</p><p>　　2、抗擾動指標：對擾動量作用時的動態(tài)響應性能，一般用最大動態(tài)速降⊿nmax、恢復時間tf和振蕩次數N來衡量。</p><p>

23、;　　最大動態(tài)速降⊿nmax反映了系統(tǒng)抗干擾的能力和穩(wěn)定性</p><p>　　恢復時間tf反映系統(tǒng)的抗擾能力</p><p>　　振蕩次數N定義同跟隨特性，同樣反映系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗擾能力</p><p>　　擾動的來源可能包括以下方面，所有這些因素最終都要影響到轉速。</p><p>　　1）負載變化的擾動（使Id變化）；</p>

24、<p>　　2）交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；</p><p>　　3）電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；</p><p>　　4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；</p><p>　　5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；</p><p>　　第3章 電動機的選擇</p><

25、;p>　　3.1 電機容量的原則</p><p>　?。?）電動機在工作過程中，其額定功率應得到充分利用。要求溫升接近但不超過規(guī)定的允許數值。</p><p>　?。?）電動機應滿足生產機械需要的有關機械特性的要求。保證一定負載下的轉速穩(wěn)定，有一定的調速范圍及具有良好的起動和制動性能。</p><p>　?。?）電動機的結構型式應滿足設計提出的安裝要求和適應周

26、圍的工作環(huán)境。例如防止灰塵進入電動機內部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。</p><p>　　切削線速度=2π*主軸轉速*刀具直徑/1000 n=32r/s=1920r/minr/min</p><p>　　銑床的切削功率 PN=w</p><p><b>　　額定電壓 380V</b></p><p><b

27、>　　3.2電機電氣線路</b></p><p>　　表3-1 電動機技術數據表</p><p><b>　　圖3-2 接線圖</b></p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)設計</p><p>　　4.1 雙閉環(huán)動態(tài)抗擾性能</p><p>　　單閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)對于被包在反饋環(huán)內的

28、一切擾動量都有抑制作用。這些擾動量最終要反映到被調量，由測出被調量的偏差進行調節(jié)，根據系統(tǒng)的靜態(tài)特性，擾動才會被抑制，。但還存在不能及時調節(jié)的問題。</p><p>　　從圖4-1可知，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉速調節(jié)器來產生抗擾動作用。因此，在突加負載時，必然會引起動態(tài)速升，為了減少動態(tài)速升，必須在設計轉速調節(jié)器ASR時，要求系統(tǒng)具有良好的抗擾動指標。</p><p>　　對于雙

29、閉環(huán)系統(tǒng)，擾動對系統(tǒng)的影響與擾動的作用點有關，擾動作用域內環(huán)的主通道中，將不會明顯的影響轉速，</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　轉速調節(jié)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的組成，</b></p><p>　　該系統(tǒng)給定電位器RP

30、G由轉速環(huán)節(jié)輸出電壓控制，用以保證轉速信號給定的信號精度。</p><p>　　系統(tǒng)的工作原理和靜特性，</p><p>　　由系統(tǒng)的控制原理圖我們可以看出，系統(tǒng)的轉速調節(jié)是按給定量和反饋量的偏差進行調節(jié)，其偏差大小，該信號經過放大器放大后，去控制觸發(fā)脈沖的移相角，調節(jié)整流電壓和電動機的轉速變化，只要系統(tǒng)的被調轉速產生偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用，也起到了穩(wěn)速的作用。</p&g

31、t;<p>　　要實現這轉速系統(tǒng)的各個參數，要有放大器，而且放大器的倍數要足夠大，才能保證一定的性能指標。因此在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉速反饋電壓后，若要轉速偏差小，就必須壓的很低。所以設置放大器，才能獲得足夠的電壓。此系統(tǒng)必須要求采用二極管限幅電路，限幅電路。電路如圖</p><p><b>　　圖 4-2</b></p><p><b>　　轉速

32、環(huán)節(jié)參數計算：</b></p><p><b>　　確定時間常數，</b></p><p>　　電流環(huán)的等效時間常數為， （ 4-1 ）</p><p>　　轉速濾波時間常數 TON</p><p>　　根據所用測速發(fā)電機的紋波情況，取TON =0.01<

33、;/p><p>　　（3）轉速環(huán)小時間常數Tn</p><p>　　按時間常數近似處理，取 （ 4-2 ）</p><p>　　2選擇轉速調節(jié)器的結構</p><p>　　按典型二型系統(tǒng)設計轉速環(huán)，故ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：</p><p><b>　　

34、（ 4-3 ） </b></p><p>　　式中：Ka:調節(jié)器的比例參數，</p><p>　　:轉速調節(jié)器的超前時間常數，</p><p>　　4.2 閉環(huán)系統(tǒng)分析及參數計算</p><p>　　電動機：UN=380V nN =1000r/min</p><p>　　Pn=54w In=0.62

35、A</p><p><b>　　主回路： </b></p><p>　　全控橋式整流： m=3</p><p>　　負載及電動機: GD2=0.25 kg.m2</p><p><b>　　固有參數計算</b></p><p><b>　　電勢系數;</b&

36、gt;</p><p><b>　　轉矩系數:</b></p><p><b>　　電磁時間常數 </b></p><p><b>　　機電時間常數 </b></p><p>　　晶閘管整流器滯后時間常數 </p><p><b>　　取A

37、SR限幅值:</b></p><p>　　取轉速給定的最大值 =10V</p><p>　　取轉速反饋濾波時間常數:</p><p>　　4.3直流調速系統(tǒng)用的可控整流裝置</p><p>　　此次設計用的是V-M方式，步驟如下，</p><p>　　(1) 根據電動機的額定電壓不同，確定整流變壓器的輸出電

38、壓和可控整流電流的結構形式，一般請款，當控制角a為0時，整流輸出電壓的有效值U應約等于1.1倍的電動機額定電壓UN,運算關系如下表。</p><p>　　(2) 電路結構確定后既要進行晶閘管的型號選擇，一般取晶閘管的額定電壓的1.5倍^2倍的UM，額定電流大于2倍的電動機額定電流IN確定，</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><

39、;p>　　圖4-3 直流調速系統(tǒng)用地可控直流電源原理圖</p><p>　　（3）觸發(fā)電路上設計，一般采用KC或KJ系列的集成觸發(fā)器，觸發(fā)電路需要三個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，</p><p>　　即構成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，</p><p><b>　　如圖所示：</b>

40、</p><p>　　圖 4-4 觸發(fā)電路設計原理圖</p><p>　　第五章 系統(tǒng)校正與參數整定</p><p>　　5.1 拖動對象的參數計算</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取H=5則ASR的超前時間常數為</p><p><b>　　轉速開環(huán)增益：</b></p&

41、gt;<p>　　于是：ASR的比例系數為：</p><p>　　5.2 預制參數設置</p><p>　　1、調節(jié)器輸出限幅值、給定值取值范圍根據控制電路供電情況選定，一般要求小于10V。控制電路供電可采用開關電源模塊或者儀用線性電源模塊，一般應包含有15V輸出以供電運放。</p><p>　　2、電流、電壓反饋系數確定： </p>&

42、lt;p><b>　　（ 5-1 ）</b></p><p><b>　?。?5-2 ）</b></p><p>　　3、變流環(huán)節(jié)開環(huán)增益： （ 5-3 ）</p><p>　　4、確定反饋量的濾波電路時間常數。</p><p>　　5.3 調節(jié)

43、器參數計算</p><p>　　1、電流調節(jié)器參數計算</p><p>　　一般電流環(huán)校正為典I系統(tǒng)。取電流調節(jié)器為PI調節(jié)器，則其時間常數和開環(huán)增益應為：</p><p><b>　　=0.03s</b></p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益，要求時，應該取，因此</p><p>　　于是，ACR

44、的比例系數為</p><p>　　2、速度調節(jié)器參數計算</p><p>　　一般速度環(huán)校正為典II系統(tǒng)，要求系統(tǒng)無靜差時為PI調節(jié)器，則其時間常數和開環(huán)增益應為：</p><p>　　其中h為系統(tǒng)Bode圖中頻寬，有拖動對象要求的動態(tài)品質決定。</p><p>　　5.4 調節(jié)器的實現及器件選擇</p><p>　　

45、對于模擬控制，調節(jié)器由運放及外圍器件組成。調節(jié)器形式、參數確定后，要確定運放型號和外圍器件參數。</p><p>　　1、電流調節(jié)器的實現：</p><p>　　電流調節(jié)器電路原理圖如圖5-1所示：</p><p>　　圖 5-1電流調節(jié)器電路原理圖</p><p>　　電流調節(jié)器電路參數計算公式</p><p>&l

46、t;b>　　（ 5-4 ）</b></p><p>　　另外還有考慮供電情況以選擇電阻的功率值、電容的耐壓值以確定其型號。</p><p>　　2、轉速調節(jié)器的實現：</p><p>　　模擬式轉速調節(jié)器電路如圖5-2所示，轉速調節(jié)器參數計算：</p><p>　　圖 5-2 轉速調節(jié)器電路圖</p><

47、p>　　另外還有考慮供電情況以選擇電阻的功率值、電容的耐壓值以確定其型號。</p><p>　　5.5 檢測電路參數設置</p><p>　　各反饋量的反饋系數應當由對調節(jié)器限幅值、給定值取值范圍做出預制參數范圍確定。</p><p>　　1、轉速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數和電路參數：</p><p>　　轉速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數為：

48、 （ 5-5 ）</p><p>　　而： = 2 Cetg， （ 5-6 ）</p><p>　　其中Cetg為測速發(fā)電機的電動勢系數， 2為其輸出電位器的分壓系數。在根據連接方式和電動機最大轉速確定了測速發(fā)電機信號后，測速發(fā)電機的電動勢系數Cetg確定。一

49、般對 2先試取=0.2，再檢驗是否合適。</p><p><b>　　其阻值為：</b></p><p><b>　?。?5-7 ）</b></p><p><b>　　校驗其功耗：</b></p><p><b>　　（ 5-8 ）</b></p&

50、gt;<p>　　為了使電位器溫度不致很高，實選瓦數應為所消耗功率的一倍以上。</p><p>　　2、電流反饋環(huán)節(jié)的反饋系數和電路參數：</p><p>　　電流檢測電路如圖5-3所示：</p><p>　　圖 5-3 電流檢測電路圖</p><p>　　TA型號可查《電氣工程手冊》。</p><p>

51、　　5.6 調節(jié)器限幅輸出電路</p><p>　　電路原理圖如圖5-4所示：</p><p>　　圖 5-4電路原理圖</p><p>　　調節(jié)器輸出限幅值取值范圍根據控制電路供電情況選定，一般要求小于10V。</p><p>　　5.7 平波電抗器的計算</p><p>　　為了使模塊在控制直流電機起動和調速時，能

52、夠更平穩(wěn)、扭矩更大，推薦使用濾波電抗器。電抗器的選擇方法按對電流脈動情況的要求根據下式估算出電感。</p><p><b>　?。?5-9 ）</b></p><p>　　式中：Kmd——系數，三相全控整流取Kmd=1.05；</p><p>　　S ——電流最大允許脈動系數，S取10%；</p><p>　　IZ——負

53、載額定電流（A）；</p><p>　　U2——三相輸入相電壓；</p><p>　　LD——電動機電感，其值按下式計算：</p><p><b>　　（ 5-10 ）</b></p><p>　　KD——系數。一般無補償電機取8～12；快速無補償電機取6～8；有補償電機取5～6；</p><p>

54、;　　UE——電動機額定電壓；</p><p>　　ρ——電動機磁極對數；</p><p>　　NE——電動機額定轉速；</p><p>　　IE ——電動機的額定電流。</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　這個肯定要自己寫一些東西了</p><

55、p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1.林瑞光 編《電機與拖動基礎》，浙江大學出版社，2002年，P1/279</p><p>　　2.陳伯時 編《電機拖動自動控制系統(tǒng)》，機械工業(yè)出版社，2003年,P2/144</p><p>　　3.王兆安 黃俊 編 《電力電子技術》，機械工業(yè)出版社，2000年,P1/214<