十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速綜述

1、目錄摘 要 2緒 論 31. 設(shè)計(jì)要求 42. 設(shè)計(jì)內(nèi)容 42.1 調(diào)速方案的選擇 42.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的選擇 42.1.2 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 42.1.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇 42.1.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖 52.2 主電路的計(jì)算 62.2.1 整流變壓器的計(jì)算 62.2.2 晶閘管元件的選擇 62.2.3 晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算 72.2.4 平波電抗器的計(jì)算 92.3 觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn) 102.4 控制電路的計(jì)算 112.4.1 給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 112.4.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)112.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

2、 123.系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真 . 153.1 開環(huán) 153.1.1 開環(huán)物理模型 153.1.2 開環(huán)物理模型仿真圖 163.1.3 開環(huán)數(shù)學(xué)模型 173.1.4 開環(huán)數(shù)學(xué)模型仿真圖 173.2 單閉環(huán) 173.2.1 單閉環(huán)物理模型 183.2.2 單閉環(huán)物理模型仿真圖 183.2.3 單閉環(huán)數(shù)學(xué)模型 183.2.4 單閉環(huán)數(shù)學(xué)模型仿真圖 193.3 雙閉環(huán) 193.3.1 雙閉環(huán)物理模型 193.3.2 雙閉環(huán)物理模型仿真圖 203.3.3 雙閉環(huán)數(shù)學(xué)模型 203.3.4 雙閉環(huán)數(shù)學(xué)模型仿真圖 214. 結(jié)論心得 22參考文獻(xiàn)： 23摘要工業(yè)上，為了提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量， 充分利用晶閘管元

3、件及電動(dòng)機(jī)的過 載能力，要求實(shí)現(xiàn)理想啟動(dòng)， 即要求在啟動(dòng)過程中， 是啟動(dòng)電流一直保持最大允 許值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)， 轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升， 以縮短啟動(dòng)時(shí)間； 啟動(dòng)結(jié)束后， 電流從最大值迅速下降為負(fù)載電流值且保持不變， 轉(zhuǎn)速維持給定轉(zhuǎn) 速不變。 又因調(diào)速精度要求較高， 故采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。 啟動(dòng) 時(shí)，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用， 電流內(nèi)環(huán)起主要作用， 調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流一直保持最 大允許值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起 主要作用， 使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定器的變化而變化， 電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電動(dòng) 機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能

4、很好， 具有調(diào)速范圍廣、 精度高、 動(dòng)態(tài)性能好和 易于控制等優(yōu)點(diǎn)， 所以在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器 , 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 (ASR) 和電流調(diào)節(jié)器 (ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速和電流。 本文對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析， 對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)的原理進(jìn)行了一些說明， 介紹了其主電路、 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)， 詳細(xì)介紹了電流 調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以及一些參數(shù)的選擇和計(jì)算， 使其滿足工程設(shè)計(jì)參數(shù) 指標(biāo)。關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器32緒論許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)， 并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、 動(dòng) 態(tài)性能

5、。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、 穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能， 在高 性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中， 相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟， 應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。 它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能， 它對(duì)于被反饋環(huán)的 前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的 調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較 高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等， 單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因 為在單閉環(huán)

6、系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)系統(tǒng)中， 只有 電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。 但它只是在超過臨界電流值以后， 強(qiáng)烈的負(fù) 反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊， 并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 在實(shí)際工作中， 我們希望 在電機(jī)最大電流限制的條件下， 充分利用電機(jī)的允許過載能力， 最好是在過度過程中始終保 持電流 （轉(zhuǎn)矩） 為允許最大值， 使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流 成方波形， 而轉(zhuǎn)速是線性增長的。 這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的 啟動(dòng)過程

7、。隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展， 電力傳動(dòng)裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用， 對(duì) 其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)調(diào)速， 因此我們就要對(duì)這樣的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán) 晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)， 包括主電路和控制回路。 主電路由晶閘管構(gòu)成， 控制回路主要 由檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分。1. 設(shè)計(jì)要求(1) 電樞回路總電阻取 R=2R總分輪力矩GD=2.5GDa=2.5*11.76N ?M,極對(duì)數(shù) P=1。( 2)其它未盡參數(shù)可參閱教材中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)舉例”的 有

8、關(guān)數(shù)據(jù)。(3)要求：調(diào)速范圍 D=10,靜差率S=5%穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量S 1%=5%, 電流脈動(dòng)系數(shù)SI=10%啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 S N=6I eSr （uf）=6*0.1*24.88/1202=1.037ufU2式中S-變壓器容量（KVA;U 2_-變壓器二次相電壓有效值（V；Iem-變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，對(duì)于10100KVA勺變壓器，一般為10%4%電阻值 R C=5U21/I 21=5*120/67.36=8.907 QB. 非線性電阻保護(hù)方式非線性電阻保護(hù)方式主要硒堆和壓敏電阻的過電壓保護(hù)。壓敏電阻的標(biāo)稱電壓 UiMa=1.3 2U=1.3* .、2*120=2

9、20.6V式中U-壓敏電阻兩端正常工作電壓有效值（V）。C. 直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)過電壓保護(hù)可以用阻容或壓敏電阻保護(hù)，但采用阻容保護(hù)容易影響系統(tǒng)的快速性，并造成di/dt加大，一般只用壓敏電阻作過壓保護(hù)。壓敏電阻的標(biāo)稱電壓 UiMa=2UDC =2*2.34U 2=2*2.34*120=561.6V（2）晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù)為了抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓，通常采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路的方法， 阻容保護(hù)元件參數(shù)可以根據(jù)查經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表得到晶閘管額定電流102050100200500100電容（uf）0.10.150.20.250.511電阻（Q ）1008040201052表1.

10、1阻容保護(hù)的原件參數(shù)（3）過電流保護(hù) 快速熔斷器是最簡單有效的過電流保護(hù)器件，與普通熔斷器相 比，具有快速熔斷的特性，在發(fā)生短路后，熔斷時(shí)間小于20毫秒，能保證在晶閘管損壞之前自身熔斷，避免過電流損壞晶閘管，圖1.3接法對(duì)過電流保護(hù)最有 效。圖1.3快速熔斷器的安裝方法(4) 電壓和電流上升率的限制不同規(guī)格的晶閘管對(duì)最大的電壓上升率及電流上升率有相應(yīng)的規(guī)定，當(dāng)超過其規(guī)定的值時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。限制電壓及電 流變化率的方法有A 交流進(jìn)線電抗器限制措施，交流進(jìn)線電抗器Lb的計(jì)算公式為B=0.04U22f *0.81仏=0.0896mH式中交流器輸出額定電流I dN,電源頻率f,變壓器二次相電壓U

11、2B. 在橋臂上串聯(lián)空心電感，電感值取 2030卩H為宜。C. 在功率較大或頻率較高的逆變電路中，接入橋臂電感后，會(huì)使換流時(shí)間增長，影響正常工作，而經(jīng)常采用將幾只鐵氧磁環(huán)套在橋臂導(dǎo)線上，使橋臂電感在小電流時(shí)磁環(huán)不飽和，電感量大，達(dá)到限制電壓上升率和電流上升率的目的， 還可以縮短晶閘管的關(guān)斷時(shí)間。2.2.4平波電抗器的計(jì)算晶閘管整流器的輸出直流電壓是脈動(dòng)的， 為了限制整流電流的脈動(dòng)、保持電 流連續(xù)，常在整流器的直流輸出側(cè)接入帶有氣隙的電抗器，稱作平波電抗器。(1)電動(dòng)機(jī)電樞電感LDLd-K2pn nIn*1000=8*220*1000/(2*1*1450*82.55)=7.35mH對(duì)于快速無補(bǔ)償

12、電動(dòng)機(jī) Kd取8,磁極對(duì)數(shù)p=1(2) 變壓器電感Lt為Lt 二 KTUdl 匕=3.9*0.05*120/82.55=0.28mHI N式中 Kt -3.9, U dl=0.05。(3) 平波電抗器的選擇。維持電流連續(xù)時(shí)的LP為U2LP = L, - 2Lt Ld = K, -(2Lt Ld)=0.639*120/(0.05*82.55)-(2*0.28+1 d min7.35)=18.58-7.91=10.67(mH)式中， = 0.693, ld min = 0.051 N 0限制電流的脈動(dòng)系數(shù)S =5%寸，Lp值為Lp = L1 - 2Lt Ld = K2(2Lt Ld) =1.045

13、*120/(0.05*82.55)-7.91=30.Si I N38-7.9 仁22.47(mH取兩者中較大的，故選用平波電抗器的電感為22.47m H時(shí)，電流連續(xù)和脈動(dòng)要求能同時(shí)滿足。2.3觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)觸發(fā)電路可選擇鋸齒波同步觸發(fā)電路，也可選擇KC系列集成觸發(fā)電路。此系統(tǒng)選擇集成觸發(fā)電路，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，功耗低，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠。 其缺點(diǎn)是移相范圍小于180，為保證觸發(fā)脈沖對(duì)稱度，要求交流電網(wǎng)波形畸變 率小于5%適用范圍：廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。選用集成電路MC787組成的三相觸發(fā)電路，如圖2-5所示。該集成塊由同步 過零、鋸齒波形成電路、比較電路、抗干擾鎖定電路、調(diào)制脈沖

14、發(fā)生器、脈沖形 成電路、脈沖分配及驅(qū)動(dòng)電路組成。圖1.4的三相觸發(fā)電路原理接線圖，可作為觸發(fā)三相全控橋或三相交流調(diào)壓 晶閘管電路。其中三相電壓的零線和電源共地，同步電壓經(jīng)RC組成的T形網(wǎng)絡(luò)濾波分壓，并產(chǎn)生30相移，經(jīng)電容耦合電路取得同步信號(hào)，電路輸出端采用 等值電阻進(jìn)行1/2分壓，以保證對(duì)稱。輸出端由大功率管驅(qū)動(dòng)，可配接脈沖變壓 器觸發(fā)晶閘管。2.4控制電路的計(jì)算2.4.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)根據(jù)電路要求，選用穩(wěn)壓管、晶閘管、集成穩(wěn)壓管等組成，本設(shè)計(jì)采用集成 穩(wěn)壓管的可調(diào)輸出電路。由于放大器輸出電壓和輸出電壓極性相反，而觸發(fā)器的移相控制電壓Vc又為正電壓，故給定電壓 UG就為負(fù)電壓，而一切

15、反饋均取正值，為此給定電壓與 觸發(fā)器共用一個(gè)10V的電源，用一個(gè)2.2K Q ,1W電位器引出給定電壓。2.4.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)(1) 測(cè)速發(fā)電機(jī)的選擇 有電機(jī)參數(shù)可知選用的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的參數(shù)有： 額定電壓Etg=40V,nTc=2000r/min負(fù)載電阻FTg=2KQ的電位器。由于主電動(dòng)機(jī)的額 定轉(zhuǎn)速為1450r/min ,因此，測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)出最高電壓為 29V,給定電源10V,只 要適當(dāng)取反饋系數(shù)a，即可滿足系統(tǒng)要求。(2) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)設(shè)轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Ton=0.01s,則轉(zhuǎn)速反饋系a =Un /n N=10/1450=0.00

16、7V?min/r(3) 電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)設(shè)電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.002s,則電流反饋 系數(shù)B =0.08V/A(4) 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)士 f 士仃 士 亠曲c U n I n Ra 230-82.55*0.7 n d d電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù) ：Ce= N N a=0.11876nN1450按要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降： nN=也空=1450 5%=7.63r/minD(1 S ) 10(15%)2.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)(1)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)間常數(shù)在三相橋式全控電路有:已知Ts OWs , G =.002s，所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)TA =Ts Toi=0.0017+0.0

17、02=0.0037S。2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因?yàn)殡娏鞒{(diào)量g乞5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型 I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器Ki is 1Wacr s -Kj -電流調(diào)機(jī)器的比例系數(shù)-i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間系數(shù)3 )電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)Ti =Tl=0.03s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量 豈5%0.5查得有K| Ti=0.5，所以Ki二乃電樞回路總電阻R=2Ra=1.4 Q，所以ACR的比例系數(shù)Ki 二K| R i上13TWci，滿足條件30.18 0.03:40.82SJ : Wci，滿足條件電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件

18、:3 .Ts Ti3： 0.0017 0.002= 180.8SWd，滿足條件135.1 0.03 1.41.7740 0.08所以取 KPI =1.8, K“ =0 : 6054）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率 WCi = KI =135.1 S 。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:1196.1S3 0.0017忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件:5）計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的R0=4Ok1，有 RKi Ro=1.77 40=70.8 k，,取 80小，G !0030.375F，取 0.4，Coi =磯=4 0.002 = 02F，取R 80k0R040kQ0.2年。故s=代Ki i

19、S 1 =四0.03S 1，其結(jié)構(gòu)圖如下所示:0.03s圖1.5電流調(diào)節(jié)器（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1） 確定時(shí)間常數(shù):1有KI Tz = 0.5,則2TZ = 2 0.0037s = 0.0074s，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)_K|_1Ton=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) TpTon =0.0074 0.0 0.0174s。Ki2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器WASR s 二Kn nS 1Kn-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù).n _ - -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：n 二 hT育=5 0.0174 = 0

20、.087s，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 Kny2262 = 396.4s。2h2T2 漢52 漢 0.01742ASR的比例系數(shù)為：h 1 G T. 6 0.08 O.11867 18 .11。2 RT帀2 5 0.007 1.4 0.0174所以取 Kpn = 6, K in = :” 704）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 WcnN =Kn r =396.4 0.087 =34.49。W1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為135.1 = 63.7s，AWcn，滿足條件。3”T旦3 0.0037轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：1 1135.38.7s Wcn，滿足近3也 3 0.01似條件。5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取 R0=4Ok，則 Rn 二 Kn R =6.11 40 二 244.4k1，取 250k1。Cn 二亍第心48嚇，取 4嚇Con5 0.0140kJ= 1.25F，取 1 JF 。故 WAsr s 二Kn ns 16.110.087s 10.087s。其結(jié)構(gòu)圖如下:W2校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量:飽和，重計(jì)算二nn om-i- ConT由h=5,查得。設(shè)理想空載W2Kb al圖1.6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器匚n =37.6% 10%，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使ASR退z=0, h=5 時(shí)