二十四寸圓盤拉伸機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題 目 二十四寸圓盤拉伸機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 大神 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化大神班 指導(dǎo)老師 李京 完成日期 2015.9.11 前言直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性, 調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍廣, 過(guò)載能力強(qiáng), 可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn), 能滿足生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求, 因此在工業(yè)控制領(lǐng)域, 直流電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。較大功率直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到各種金屬加工專用生產(chǎn)機(jī)械上，拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備，是金屬加工工程作業(yè)的動(dòng)力核心。本直流調(diào)速系統(tǒng)是弱電控制與強(qiáng)電控制相結(jié)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)由控制電路與主電路

2、組成?？刂齐娐钒刂浦噶钛b置、控制器、反饋信號(hào)檢測(cè)裝置等部件，其作用是檢測(cè)電機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、電樞電流等信號(hào)，將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給控制器發(fā)出控制信號(hào)；主電路由電源、變流器、直流電動(dòng)機(jī)等部件組成，其作用是根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載進(jìn)行作業(yè)。本設(shè)計(jì)首先對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了論證，并按照選定的系統(tǒng)方案確定了主電路和控制電路的形式，對(duì)主電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括變壓器、晶閘管及保護(hù)環(huán)節(jié)的選擇和計(jì)算，對(duì)控制電路的控制器也進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和校驗(yàn)，而對(duì)給定電路、晶閘管觸發(fā)電路、電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路則僅做了方案設(shè)計(jì)工作并未進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中參閱和引用了大量教材及國(guó)內(nèi)相關(guān)的文

3、獻(xiàn)資料，計(jì)算所用到的主要參數(shù)和物理量文字符號(hào)見附錄A，系統(tǒng)電路原理圖另附。目錄前言21.設(shè)計(jì)目的和要求41.1設(shè)計(jì)目的41.2設(shè)計(jì)內(nèi)容41.3設(shè)計(jì)背景41.4設(shè)計(jì)要求52.調(diào)速的方案選擇52.1直流電機(jī)調(diào)速的基本方法52.2可控直流電源的選擇62.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇72.3.1開環(huán)V-M系統(tǒng)72.3.2單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)82.3.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)93主電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算113.1主電路的設(shè)計(jì)113.1.1整流變壓器的計(jì)算113.1.2晶閘管元件的計(jì)算133.1.3電抗器參數(shù)的計(jì)算143.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)153.2.1過(guò)電壓保護(hù)163.2.2過(guò)電流保護(hù)164控制電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算

4、174.1觸發(fā)電路的選擇174.2給定電路的設(shè)計(jì)184.3轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)194.4電流信號(hào)的檢測(cè)204.5 ASR、ACR的設(shè)計(jì)和工程計(jì)算214.5.1 ASR、ACR的設(shè)計(jì)214.5.2調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)計(jì)算224.5.3 ACR的工程計(jì)算234.5.4 ASR的工程計(jì)算25結(jié)論27參考文獻(xiàn)271. 設(shè)計(jì)目的和要求1.1設(shè)計(jì)目的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化專業(yè)的主干專業(yè)課，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、實(shí)踐性和工程背景，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)和理論分析個(gè)解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，使學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法，提高學(xué)生調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)及正確使

5、用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等工具書的能力，理解分析、制定設(shè)計(jì)方案的能力，設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力，實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)調(diào)試能力，編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書的能力。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）根據(jù)工藝要求，論證、分析、設(shè)計(jì)主電路和控制電路方案，繪出該系統(tǒng)的原理圖（2號(hào)圖紙）。（2）設(shè)計(jì)組成該系統(tǒng)的各單元，分析說(shuō)明。（3）選擇主電路的主要設(shè)備，計(jì)算其參數(shù)（含整流變壓器的容量S，電抗器的電感量L，晶閘管的電流、電壓定額，快熔的容量等），并說(shuō)明保護(hù)元件的作用（必須有電流和電壓保護(hù)）。（4）設(shè)計(jì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)（或張力環(huán)），確定ASR和ACR（或張力調(diào)節(jié)器ZL）的結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其參數(shù)。（5）結(jié)合實(shí)驗(yàn)，論述該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。1.3設(shè)計(jì)背景二十

6、四寸圓盤拉伸機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)二十四寸圓盤拉伸機(jī)主要用來(lái)加工各種型號(hào)的銅、鋁毛細(xì)管的專用生產(chǎn)機(jī)械，它由放線機(jī)、模具、拉伸機(jī)、夾鉗臂、剪線鉗、靠輪及收線機(jī)等組成。拉伸機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的大體輪廓，其中放線機(jī)、拉伸機(jī)及收線機(jī)分別用三臺(tái)直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，而靠輪。夾鉗臂及剪線鉗由氣動(dòng)閥來(lái)控制。(一) 生產(chǎn)過(guò)程及對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求1、生產(chǎn)過(guò)程：收、放線筐復(fù)位 拉伸機(jī)定位 夾鉗臂打開至對(duì)準(zhǔn)模具口 夾鉗臂夾緊 拉、收、放機(jī)合閘 低速拉伸 模座上升到位 靠輪拉緊 延時(shí)剪斷管頭 高速拉伸 完畢、靠輪松 停機(jī)、準(zhǔn)備下一個(gè)生循環(huán)，拉伸毛細(xì)管內(nèi)徑0.81.2mm2、對(duì)電氣控制的系統(tǒng)要求（1）拉伸機(jī)定位要準(zhǔn)確，系統(tǒng)的制動(dòng)性能

7、好；（2）拉、收、放電機(jī)的線速度要嚴(yán)格保持協(xié)調(diào)，自動(dòng)跟蹤拉伸機(jī)速度，系統(tǒng)快速性好。（3）靠輪靠緊的拉伸機(jī)圓盤后、剪線鉗才剪斷線頭，以保證順利拉伸；（4）具有完善的連鎖及保護(hù)功能；（5）有自動(dòng)/手動(dòng)切換功能1.4設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求:只設(shè)計(jì)圓盤拉伸機(jī)控制系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量i5%，空載啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n10%直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=40KW，UN=440V，IN=104A ,nN=1000r/min,Ra=0.3，電樞回路總電阻R=0.5，電流過(guò)載倍數(shù)=1.8，GD2=77.5Nm22. 調(diào)速的方案選擇2.1直流電機(jī)調(diào)速的基本方法直流電機(jī)電樞回路的平衡方程為：U=E+I

8、aR電樞反電動(dòng)勢(shì)為：E=Cen由此可得轉(zhuǎn)速特性方程為：n=U-IaRCe有轉(zhuǎn)速特性方程可以看出，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有如下三種方法：11. 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速2. 改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)速3. 改變電樞回路電阻調(diào)速對(duì)于要求在一定速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上小范圍的弱磁升速。因此，為滿足設(shè)計(jì)要求，采用變電壓調(diào)速。2.2可控直流電源的選擇實(shí)現(xiàn)直流調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個(gè)平滑可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有一下三種：21) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流

9、發(fā)電機(jī)構(gòu)成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電源。2) 相控整流器。用靜止的相控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。3) 直流斬波或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組由于至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多，體積龐大，日常運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用高，至今只在少數(shù)尚未進(jìn)行設(shè)備更新的工廠采用；脈寬調(diào)制變換器雖然可以得到脈動(dòng)很小的直流電流，減少電機(jī)的損耗和發(fā)熱，但由于受到整流器件容量的限制目前只用于較小功率的調(diào)速系統(tǒng)。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，主要用晶閘管整流元件組成整流電源，而晶閘管直流電機(jī)系

10、統(tǒng)是在各種工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用極為廣泛的一種電力拖動(dòng)系統(tǒng)。晶閘管三相全控橋式整流電路原理圖如下：3圖2.1 三相全控橋式整流電路原理圖三相可控整流電路的類型有很多，包括三相半波、三相半控橋式、三相全控橋式等。其中三相全控橋式整流電路輸出電壓波形的脈動(dòng)最小，并且可用于容量較大的直流電機(jī)。因此，為滿足性能要求，采用三相全橋整流電路供電。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇2.3.1開環(huán)V-M系統(tǒng)由晶閘管相控整流器直接給直流電機(jī)供電的調(diào)速為開環(huán)V-M系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如下：圖2.2開環(huán)V-M系統(tǒng)原理框圖電動(dòng)機(jī)M是被控對(duì)象，轉(zhuǎn)速n是被調(diào)量，晶閘管相控整流器采用三相全橋整流電路，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器GT的移相電壓，便可改變整流電壓U

11、d，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。電流連續(xù)時(shí)，開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性為:2N=U-IaRCe=1Ce6Emsin6cos-IdR=n0-n當(dāng)電動(dòng)機(jī)加負(fù)載時(shí)，電樞回路就產(chǎn)生相應(yīng)的電流Id，此時(shí)即產(chǎn)生n=IdRCe的轉(zhuǎn)速降。n越小，機(jī)械特性的硬度越大。系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行時(shí)，n完全取決于電樞回路總電阻R及所加負(fù)載的大小。因此，從整體來(lái)看，開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性是很軟的，滿足不了設(shè)計(jì)要求，需要設(shè)置反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機(jī)械特性。2.3.2單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)是一種最基本的反饋控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如下：圖2.3單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)的控制對(duì)象為直流電機(jī)M，被調(diào)量是轉(zhuǎn)速n。測(cè)

12、速發(fā)電機(jī)TG引出與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un，Un與轉(zhuǎn)速給定電壓Un*比較后送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，ASR輸出移相控制電壓Uct送給晶閘管觸發(fā)器GT，用以調(diào)節(jié)晶閘管整流輸出電壓Ud,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：2n=KpKsUn*-IdRCe(1+K)=n0cl-ncl通過(guò)比較閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性，可以得出以下結(jié)論：1) 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多ncl=nop1+K2) 閉環(huán)系統(tǒng)靜差率比開環(huán)系統(tǒng)小得多scl=sop1+K3) 當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高Dcl=(1+K)Dop因此，單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系

13、統(tǒng)可以達(dá)到較好的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，但其跟隨性能和抗擾性能一般難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.3.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為了能夠獲得更好的跟隨性能，提高生產(chǎn)率，充分利用晶閘管器件及電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)近似于理想的起動(dòng)。理想啟動(dòng)的過(guò)程如下圖： 圖2.4調(diào)速系統(tǒng)理想啟動(dòng)的電流和轉(zhuǎn)速波形理想起動(dòng)就是在整個(gè)過(guò)程中，起動(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)矩起動(dòng)，轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升，以縮短起動(dòng)時(shí)間；起動(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。為了實(shí)現(xiàn)近似于理想的起動(dòng)，我們考慮在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的基礎(chǔ)上引入電流負(fù)反饋。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下：圖2.5轉(zhuǎn)

14、速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖該系統(tǒng)為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。ACR和電流檢測(cè)-反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)，ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)-反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成了轉(zhuǎn)速環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出作為ACR的輸入，再由ACR的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。ASR和ACR均為PI調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)快速的響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)時(shí)的無(wú)靜差。其輸入/輸出設(shè)有限幅電路。ACR輸出限幅值限制了晶閘管整流器輸出電壓Udm，ASR輸出限幅值決定了主電路中的最大允許電流Idm。圖2.6實(shí)際起動(dòng)轉(zhuǎn)速和電流的波形從圖2.6起動(dòng)轉(zhuǎn)速和電流的波形可以看出，在啟動(dòng)時(shí)，突加階躍給

15、定信號(hào)Un*，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)速偏差電壓Un很大，ASR飽和，輸出為限幅值Uim*且不變，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。在此情況下，電流負(fù)反饋環(huán)起恒流調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速線性上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值且略有超調(diào)時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入信號(hào)變極性，ASR退飽和，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)起調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速保持恒定。圖2.7轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖除了跟隨性能以外，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能得到了很大的提高。從圖2.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可以看出，負(fù)載擾動(dòng)是在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)

16、環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。1綜上所述，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)特性，因此，為了滿足設(shè)計(jì)要求，最終選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。3主電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1主電路的設(shè)計(jì)圖3.1主電路原理圖如圖3.1所示，來(lái)自系統(tǒng)母線的三相交流電經(jīng)空氣開關(guān)通過(guò)整流變壓器向晶閘管供電，為了減少高次諧波對(duì)電網(wǎng)的不良影響，變壓器采用/Y接法，整流主回路采用兩組三相全控橋式整流器反并聯(lián)組成的可逆電路。快速熔斷器可以對(duì)交流側(cè)和直流側(cè)進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)，并采用阻容吸收電路對(duì)交流側(cè)和晶閘管進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，電抗器可以起到保證電流連續(xù)、限制電流脈動(dòng)、

17、限制環(huán)流的作用。3.1.1整流變壓器的計(jì)算1) 變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過(guò)低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。選擇過(guò)大又會(huì)造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。要比較精確地計(jì)算二次相電壓必須考慮以下因素：1、 最小控制角。在一般可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的取30-35的范圍。2、電網(wǎng)電壓波動(dòng)。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動(dòng)5%-10%考慮在電網(wǎng)電壓最低時(shí)要求能保證最大整流輸出電壓，故通常取波動(dòng)系數(shù)。3、 變壓器漏抗產(chǎn)生的換相壓降： 4、 晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航?。考慮了以上因素后，變壓器二次電壓的計(jì)算公式為：式中，整流電路輸出電壓最大值；為主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串

18、聯(lián)晶閘管的正向壓降；A理想情況時(shí)整流電壓與二次電壓之比，即，三相全控橋A為2.34；C線路接線方式系數(shù)，三相橋式整流C為0.5；變壓器短路電壓比，10-100KVA取，容量越大，也越大；變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比，應(yīng)取最大值。所以，根據(jù)設(shè)計(jì)要求取，Udmax=UN=440V，, , ,代入式3.1得： U2=Udmax+nUA(cosmin-CUshI2/I2N=440+212.340.9(0.866-0.50.051)279V電壓比K=U1/U2=380/2791.362) 一次側(cè)電流和二次側(cè)相電流的計(jì)算在可控硅整流電路中，交流側(cè)電流有效值與直流側(cè)整流電流之間，存在著

19、固定的比例關(guān)系，即；其中比例系數(shù)因整流電路而異，例如三相橋式整流電路帶大電感負(fù)載變壓器二次電流有效值為： （3.2）由式3.2此可得：, ；取電動(dòng)機(jī)額定電流104A，考慮變壓器勵(lì)磁電流和變比，得：I2=KI2Id=0.81610485AI1=1.05KI1IdK=1.050.8161041.36=62.4A3) 變壓器容量的計(jì)算一次側(cè)的容量為： S1=3U1I1 (3.3)二次側(cè)的容量為： S2=3U2I2 （3.4）變壓器平均容量： （3.5）式中，U1=380V，U2=279V，I1=62.4A，I2=85A；S1=3U1I1=338062.471.14KVAS2=3U2I2=327985

20、71.15KVA=12(71.14+71.15)71.15KVA從上述數(shù)據(jù)可得變壓器參數(shù)如下表3.1所示：表3.1 變壓器參數(shù)相數(shù)接線容量一次側(cè)電壓一次側(cè)電流二次側(cè)電壓二次側(cè)電流3/Y71.5KVA380 V62.4A279V85A3.1.2晶閘管元件的計(jì)算1) 晶閘管的額定電壓2晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓，乘以(23)倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓，即 （3.6）整流電路形式為三相全控橋，而UTN=36 U21950V， 取UTN=2000V2) 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過(guò)的額定電流有效值大于實(shí)際流過(guò)管子電流最大有效值，即晶閘管電

21、流有效值: （3.7）考慮(1.52)倍的裕量，則晶閘管的額定電流： （3.8）式中，取電動(dòng)機(jī)額定電流104A，代入式3.8得：ITN76.44A 取。故選晶閘管的型號(hào)為KP10010D。3.1.3電抗器參數(shù)的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過(guò)電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。1） 維持輸出電流連續(xù)的臨界電感量2 （3.9）式中，K1與整流電路有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，三相全控橋式K1=0.693； 變壓器二次側(cè)相電壓，U2=279V 電路所需的最低電流，一般為，在此取。所以， L1=K1U2I

22、dmin=0.6932790.0510437.18mH 2） 限制輸出電流脈動(dòng)的電感量 （3.10）式中，整流電路輸出電壓最大值；變壓器二次側(cè)相電壓，U2=279V；輸出最低頻率分量的頻率值，三相全控橋式電路；給定的允許電流脈動(dòng)系數(shù)，通常三相整流電路中取到之間，此處取； 取電流有效值，即Id=104A?？傻茫?L2=44023.143002790.0510417.17mH3） 電動(dòng)機(jī)電感量 電動(dòng)機(jī)的電感可按下式計(jì)算： （3.11）式中：、直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓、電流與轉(zhuǎn)速，UN=440V，I=104A，nN =1000r/min； 電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)，P=5；由此可得： 3.53mH4） 變壓器的漏

23、感變壓器的漏感可按下式計(jì)算： （3.12）式中：計(jì)算系數(shù)，三相橋式整流電路；變壓器短路電壓比，一般取。將、U2=279v、Id=104A代入式3.11可得：LB5.23mH5） 實(shí)際串入電抗器的電感量輸出電流連續(xù)的實(shí)際臨界電感量Ld1=L1-2LB+LD=37.18-25.23+3.53=23.19mH限制電流脈動(dòng)時(shí)的實(shí)際電感量Ld2=L2-2LB+LD=17.17-25.23+3.53=3.19mH取較大者做為串入電抗器的電感量，即Ld=23.19mH。3.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)晶閘管有換相方便，無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過(guò)電壓、

24、過(guò)電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否正常可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。3.2.1過(guò)電壓保護(hù)1) 交流側(cè)保護(hù)圖3.2交流側(cè)的阻容吸收保護(hù)電路電源變壓器初級(jí)側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵心中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出很高的瞬時(shí)過(guò)電壓，這種過(guò)電壓可用阻容保護(hù)。由于電容兩端的電壓不能突變，可以限制變壓器次級(jí)的電壓變化率，因而限制了瞬時(shí)電壓上升的水平。電容器把變壓器鐵心的磁能轉(zhuǎn)化成電容電能。串聯(lián)的電阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振蕩。2) 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)以電動(dòng)機(jī)為負(fù)載時(shí)，變流裝置的直流側(cè)也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。這是為了避免過(guò)電壓通過(guò)導(dǎo)通的晶閘管，依

25、舊采用阻容保護(hù)。3.2.2過(guò)電流保護(hù)晶閘管承受過(guò)電流的能力比一般電器差得多，必須在極短的時(shí)間內(nèi)把電源斷開，因此選用快速熔斷器保護(hù)。如圖3.3，將快速熔斷器安裝在交流側(cè)，對(duì)交流側(cè)、直流側(cè)均可起到過(guò)電流保護(hù)的作用。圖3.3過(guò)電流保護(hù)1) 快速熔斷器的選擇變壓器二次側(cè)電流I2=85A，二次側(cè)電壓U2=279V。因此，選擇快速熔斷器熔體額定電流在90A，額定電壓在280V左右。2) 電壓和電流上升率的限制 電壓上升率：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。造成電壓上升率過(guò)大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓；由于晶閘管換相時(shí)相當(dāng)于線電壓短路，換相結(jié)束

26、后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過(guò)大。限制過(guò)大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使降低。電流上升率：導(dǎo)通時(shí)電流上升率太大，則可能引起門極附近過(guò)熱，造成晶閘管損壞。因此對(duì)晶閘管的電流上升率必須有所限制。產(chǎn)生過(guò)大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過(guò)晶閘管向直流側(cè)保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。限制，除在阻容保護(hù)中選擇合適的電阻外，也可采用與限制相同的措施，即在每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)電感。限制和的電感，可采用鐵心電抗器，L值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)，或在導(dǎo)線上套上一個(gè)

27、或幾個(gè)磁環(huán)來(lái)代替橋臂電抗器。所以為了防止和，每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)23.19mH的電感。4控制電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1觸發(fā)電路的選擇觸發(fā)電路的種類很多，常用的有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字式觸發(fā)電路等。其中單結(jié)晶體管觸發(fā)電路常用于觸發(fā)50A以下要求不高的小功率單相或三相半波電路中；正弦波同步觸發(fā)電路受電網(wǎng)的波動(dòng)及干擾影響較大，不宜采用；鋸齒波同步觸發(fā)電路電路比較復(fù)雜，調(diào)試和維護(hù)過(guò)程繁瑣；數(shù)字式觸發(fā)電路電路復(fù)雜，用于較高要求的場(chǎng)合；而集成觸發(fā)電路體積小，功耗低，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。3圖4.1三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如

28、圖4.1所示，觸發(fā)電路采用3個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行放大。4.2給定電路的設(shè)計(jì)在調(diào)速系統(tǒng)中如果突加速度給定，會(huì)產(chǎn)生較大的加速度，加速度過(guò)大會(huì)引起過(guò)大的超調(diào)量，因此本系統(tǒng)引入給定積分器來(lái)整定加速度。5圖4.2給定積分電路原理圖給定積分器的電路圖如圖4.2所示，放大器1為由正相輸入的開環(huán)放大器，因此只要有一個(gè)很小的信號(hào)電壓，放大器1就迅速飽和。此電壓經(jīng)過(guò)電位器R9分壓后送到放大器2的方向輸入端。放大器2為一個(gè)積分調(diào)節(jié)器，輸出經(jīng)過(guò)R7反饋到放大器1的輸入端，構(gòu)成負(fù)反饋。調(diào)節(jié)電位器R3，即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加速度，電阻R8決定加速度上限，R10和R11決

29、定加速度下限。當(dāng)系統(tǒng)起動(dòng)后，K1常開觸點(diǎn)閉合，R10和R11并聯(lián)，這時(shí)放大器1的輸出較小，起動(dòng)加速度也比較低。當(dāng)系統(tǒng)停車時(shí)，K1常開觸點(diǎn)斷開，放大器1的輸出變大，于是停車加速度就較高，系統(tǒng)迅速而平穩(wěn)地減速停車。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R3可手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速。4.3轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)方法有直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種：直接檢測(cè)是采用各種傳感器直接獲取檢測(cè)信號(hào)；間接檢測(cè)是用其他可測(cè)信號(hào)通過(guò)數(shù)學(xué)模型和函數(shù)關(guān)系推算出難以直接測(cè)量的所需信號(hào)。本系統(tǒng)采用直接檢測(cè)。常用的轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的是轉(zhuǎn)速的模擬信號(hào)；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測(cè)速裝置。本系統(tǒng)采用測(cè)速發(fā)電機(jī)。圖4.3直流測(cè)

30、速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流發(fā)電機(jī)相同，檢測(cè)電路如圖4.3所示，通過(guò)調(diào)節(jié)取樣電阻，可以調(diào)節(jié)速度反饋系數(shù)。4.4電流信號(hào)的檢測(cè)為了準(zhǔn)確地取出電流反饋信號(hào)，而又能使主回路與控制回路隔離，以保證設(shè)備和操作安全，在較大功率直流調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用交流電流互感器作為電流反饋信號(hào)的檢測(cè)器。圖4.4交流信號(hào)檢測(cè)電路如圖4.4所示采用交流互感器檢測(cè)主電路的電流，三相分別用三個(gè)交流互感器；取樣電阻使用阻值很小的標(biāo)準(zhǔn)電阻串接在被測(cè)電路中，將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成被測(cè)電壓；電流反饋信號(hào)整流為三相橋式電路，因此電流反饋信號(hào)波形與主回路波形具有相同的重復(fù)頻率，無(wú)需很大的濾波環(huán)節(jié)來(lái)濾平反饋信

31、號(hào)。這種方法簡(jiǎn)單可靠，沒(méi)有時(shí)間延遲。4.5 ASR、ACR的設(shè)計(jì)和工程計(jì)算4.5.1 ASR、ACR的設(shè)計(jì)按照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)時(shí)，先從電流環(huán)開始，對(duì)其進(jìn)行變換和簡(jiǎn)化，然后根據(jù)電流環(huán)控制的要求，選擇ACR的類型并計(jì)算其參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后，把電流環(huán)等效成一個(gè)環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。圖4.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4.5所示為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中在電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋通道和輸入端增加了電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和給定濾波。因?yàn)殡娏鳈z測(cè)信號(hào)中常含有交流成分，需加低通濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要而定。因?yàn)闉V波環(huán)節(jié)可以抑制信號(hào)中的交流分量，但同

32、時(shí)也給反饋檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)延遲，所以在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號(hào)與反饋信號(hào)同步，并可使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電動(dòng)機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，其時(shí)間常數(shù)用Ton表示。ASR和ACR的電路實(shí)現(xiàn)見圖4.6。圖4.6 ASR、ACR電路原理圖4.5.2調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)計(jì)算1) 電流反饋系數(shù)的計(jì)算 設(shè)：速度調(diào)節(jié)器的限幅值Uim*為；電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)電流為，即為208A。則電流反饋系數(shù)為：=Uim*Idm=102080.05V/A2) 速度反饋系數(shù)的計(jì)算 設(shè)：最大給定電壓為，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速. 則速度反饋系數(shù)為：=Unm*nN=0.01V/rpm3) 電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)系數(shù) 已知電樞電阻設(shè)：電動(dòng)機(jī)的磁通在運(yùn)行過(guò)程中保持不變，則電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)系數(shù)為： 4) 可控整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器限幅值Uc=10V，整流裝置的輸出電壓Ud0取額定電壓440V 整流裝置的放大系數(shù)Ks為： Ks=Ud0Uc=44010=444.5.3 ACR的工程計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要使系統(tǒng)超調(diào)量小、跟隨性能好，若采用II型系統(tǒng)，將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，因此選擇將電流環(huán)校正成I型系統(tǒng)。將電流環(huán)按工程設(shè)計(jì)方法變換和簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后最終的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.7所示。圖4.7 電流環(huán)最終簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1) 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，三相全橋電路的平均失控時(shí)間電流濾波時(shí)間