毕业论文：《某钢厂可逆冷轧机主传动晶闸管直流调速系统设计》.doc

1绪论 1.1课题的背景、目的及意义 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 在20世纪90年代大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的启动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺候控制首选。因为它具有良好的线性特征，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。 1.2本课题国内、外研究应用情况 近30年来，电力拖动系统得到了迅速的发展，但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开： （1）采用新型电力电子器件 电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。 传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管得到了越来越广泛的应用。 （2）应用现代控制理论 在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在采用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两个方面原因：第一是高性能处理器的应用；第二是在辨识，参数估值以及控制算法性能方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。 1.3 本课题采用的技术及应用方案　 根据本课题的实际情况，宜从以下两个方面入手分析： （1）直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型； （2）双闭环直流调速的工程设计。 本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速，该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，称为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。 关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统，其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。 2 调速方案的总体选择及论证 以下介绍在直流调速系统中比较常用的开环控制、转速负反馈控制、转速、电流双闭环控制等控制方法。 2.1直流调速的一般原理 理想化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为： 式中n——转速（r/min） U——电枢电压（V） I——电枢电流（A） R——电枢回路总电阻（） ——励磁磁通（Wb） ——由电机结构决定的电动势常数 在上式中，是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：调节电枢供电电压；减弱励磁磁通；改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，改变电阻只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 2.2 开环直流调速系统 图2-1中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。 图2-1晶闸管——电动机调速系统(V——M系统)原理图 锯齿波同步移相触发电路将在第3章介绍，其整流原理为三相桥式全控整流，通过改变触发角从而改变整流电压以进行调速，基本原理见下图2-2所示。 图2-2三相桥式全控整流电路 开环直流调速系统控制电路简单，有利于在实验室实现，并且能实现一定范围内的无级调速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统是可以满住要求的。 然而，开环直流调速系统没有控制结果的反馈，控制精度不高，在需要调速的生产机械对静差率有一定的要求的场合往往不能满住要求。例如龙门刨床，由于毛坯