辽宁石油化工大学毕业设计论文

辽宁石油化工大学毕业设计论文内容摘要：

义 直流 流电动机是最早出现的电动机，也是最早实 现 调速的电动机。 长期以来 直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。 由于它 具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。 因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。 直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。 直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。 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，多电动机同步控制系统等多种类 型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。 在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。 当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不是很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。 直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。 因此，直流调速系统的应用研究有实际意义在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节 并且要求有良好的静、动态性能。 由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性 .尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位 . 由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动速系统的主要形式。 直流传动系统概述 电力拖动的基本概述 现代工业生产中，大多数生产机械都采用电力拖动。 随着生产科学技术的发展， 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 2 电力拖动及其自动化得到不断的发展。 电力拖动系统为电气与机械综合的系统。 它由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置四部 分组成。 电动机及其供电电源的作用是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配；执行机构是完成生产工艺任务的；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。 随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统在准确性、快速性、经济性、先进性等方面提出愈来愈高的要求，因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化得到不断的发展。 电力拖动系统的发展，亦按着从低级到高级、从简单到复杂的一般规律。 电力拖动自动化在新型电机、大功率半导 体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的推动下，发生了巨大的变革。 由单机自动化本身高层次的发展，扩展到生产过程与管理的自动化。 电力拖动自动化的发展，为工业发展和科学技术进步打开了更广阔的前景。 直流传动控制系统发展概况 长期以来，直流电机由于其良好的起、制动性能和调速性能，在电力拖动调速系统中占有主导地位，虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但就反馈闭环控制的机理来说，直流电动机的传动与控制理论和实现都是交流电动机传动控制的基础，从根本上说，由于直流电动机电枢和磁场能独立进行 激励，而且转速和输出转矩的描述是对可控电压（或电流）激励的线性函数，因此，容易实现各种直流电动机控制系统，也容易实现对控制目标的 “ 最佳化 ” ，这也是直流机长期主导传动领域的原因。 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系统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 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 3 竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。 因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动 控制系统。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖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。 错位 无环流调速系统简介 许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。 采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流 过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。 这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。 换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除 有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。 因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。 无环流可逆调速系统可按实现无环 流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。 逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的 可逆系统， 但是应用到电气元件较多 ,系统结构较为复杂 ,当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时 工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统 .而错位无环流系统 的系统结构简单 , 调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。 而且在切换过程中容易出现电流冲击。 因此错位无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。 也可对错位无环流系统进行改进。 例如，为避免电源电压波动造成逆变颠覆现象 ，最好是 在电流调节器上设置活动限幅，当电源电 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 4 压降低时，限幅值亦随之下降。 错位无环流系统从形式上看，除了多一个电压环而且无环流电抗器外，与自然环流系统没有任何区别。 它们之间的原则性区别在于初始相位的整定不同。 随着逻辑控制无环流可逆调速系统的出现，错位控制无环流系统目前其实际应用已经较少 ,但是作为一种简单的调速系统 ,其应用也是必不可少的。 控制系统的计算机仿真 计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系统的仿真模型。 计算机仿真通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的 综合与预测。 它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。 计算机仿真基本内容包括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。 随着计算机仿真与技术的发展，目前各个科学与工程领域均已开展了仿真技术的研究。 系统系统仿真技术已经被公认为是一种新的试验手段，在科学与工程领域发挥着越来越重要的作用。 MATLAB 语言是当前国际上自动控制领域的首选计算机语言。 MATLAB 中的Simulink 提供的面向框图的仿真即概念性仿真功能，使得用户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析。 Simulink 的概念性仿真模块允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子电机环节的系统进行建模与仿真，这是目前其他计算机语言无法做到的。 设计主要内容 本次设计的主要内容是直流电动机无环流可逆调速系统设计，直流电动机无环流可逆调速系统主要有错位控制无环流和逻辑控制两种方式，本次设计采用的是错位控制无环流的方式。 主要针对主电路和控制电路进行设计。 设计的重点在于 主电路参数的选择 ,控制 电路的设 计，在控制电路设计中详细描述电流调节器，转速调节器，和 电 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 5 压调节器 的设计方案。 最后在 MATLAB 中对本次设计进行适当仿真模拟，得出仿真结果与理论值进行比较。 论文的结构 本设计共分为 七 章，第一章主要介绍电力拖动系统的基本概况；第二章介绍了 错位控制无环流调速 系统的主要原 理 ；第三章主要是 主电路的设计 ，第四章主要介绍控制电路的设计， 第五章介绍保护电路的设计， 第 六 章介绍了 系统的 MATLAB 仿真结果。 第七章为设计的结束语。 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 6 2 错位控制无环流可逆调速系统的原理 可逆 调速系统的原理 图 21 两组晶闸管装置 触 发并联线路 较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管 —电动机系统。 由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常需要采用俩组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如图 21，电动机正转时，由正组晶闸管 VF 供电；反转时，由反组晶闸管 VR 供电。 两组晶闸管分别由两组触发装置进行控制，都能灵活的控制电机的起动、制动和升速、降速。 但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。 在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转时同样可利用正组晶闸 管实现回馈制动，总结起来，可将可逆线路的正反转时的晶闸管和电机状态总结为表。 表 VM 系统反并联可逆线路的工作状态 VM 系统的工作状态 正向运行 正向制动 反向 运行 反向制动 电枢端电压极性 + + — — 电枢电流极性 + — — + 电机旋转方向 + + — — 电机运行状态 电动 回馈发电 电动 回馈发电 晶闸管工作的组别和状态 正组整流 反组逆变 反组整流 正组逆变 机械特性所在象限 限 一 二 三 四 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 7 环流的介绍 环流的定义 采用两组晶闸管反并联的可 逆 VM 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。 如图 22 中的 Ih。 一般情况，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。 图 22 反并联可逆 V— M 系统中的环流（ Ih— 环流 Id— 负载电流） 环流的分类 （ 1）静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类： 直流平均环流 由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 瞬时脉动环流 两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。 （ 2）动态环流：仅在可逆 VM 系统处于过渡过程中出现的环流。 错位控制无环流系统 静态环流的错位消除原理 采用配合控制的原理，当一组晶闸管装置整流时，让另一组处于待逆变状态，而 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 8 且两组触发脉冲的零位错开的比较远，避免了瞬时脉动环流产生的可能性，这就是错位控制无环流可逆系统。 具体地说，在 α=β 配合控制的有换流可逆调速系统中，两组触发脉冲的配合关系是 orf 180 ， 0cU 时的初始相位整定在 orf 90 ，从而消除了直流平均环流，但仍存在瞬时脉动环流。 在错位控制的无环流可逆调速系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是 orf 300 ，甚至是orf 360 ，也就是说初始相位整定在 oorf 1 8 01 5 0 或 。 这样，当待逆变组的触发脉冲到来时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态， 不可能导通，当然就不会产生静态环流了。 错位控制无环流系统的结构 如图 23 主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联可逆线路， 控制电路采用转速、电流双闭环系统，其中，转速调节器 ASR 控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器 ACR 控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角 αmin 与最小逆变角 βmin。 根据可逆系统正反向运行需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负极性，电流反馈应能否反映极性，因此电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器。 在错位 无环流系统中增设了电压内环。 电压内环的作用： 缩小反向时的电压死区，加快系统的切换过程。 1） 抑制电流断续等非线性因素的影响，提高系统的动、静态性能。 2） 防止动态环流，保证电流安全换向。 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸 9 )( sU ct A S RA C RA V R 1 G T FG T RT An nin*UnUi*UT AT GiUvU T V Dv*UMV RV F 1 5 V+ 1 5 V 图 23 三环 错位控制无环流可逆调速系统 ASR— 转速调节器， ACR— 电流 调节器 ， AVR— 电 压 调节器， TG— 测速发电机， TA— 电流互感器， AR— 反相器，。