孫嘯—1209111119—某冷軋機(jī)主傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、銅陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué) 號_1209111119_ 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）課 題 某冷軋機(jī)主傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 孫 嘯 院 部 電 氣 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級 2012級 自動(dòng)化（2）班 指導(dǎo)教師 貢 照 天 二 一 六 年 六 月14某冷軋機(jī)主傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本次設(shè)計(jì)主要講述了直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)整及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。本次設(shè)計(jì)使用的整流方案為三相全控晶閘管整流電路，調(diào)速方案應(yīng)用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，雙閉環(huán)可以取得很好地調(diào)速性能，其是在理論和實(shí)踐等方面都比較成熟的體系，在需要進(jìn)行調(diào)速控制的領(lǐng)域得到了大量的使用。其中共加入了雙比例積分調(diào)節(jié)器，一個(gè)用來控制電機(jī)速度

2、，另一個(gè)用來控制電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，前者為外環(huán)保持直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，后者為內(nèi)環(huán)能夠維持電路內(nèi)電流穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速環(huán)起到主要的調(diào)速作用（保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值），電流環(huán)起輔助作用（防止電路過電壓，對抗干擾，穩(wěn)定電流在給定值），二者聯(lián)合可以達(dá)到令人滿意的調(diào)速性能，從而就能達(dá)到平滑調(diào)速的目的。本次設(shè)計(jì)還對電路保護(hù)與抗干擾等諸方面進(jìn)行了討論，保證了機(jī)床運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；晶閘管；雙閉環(huán)A cold-rolling mill main drive DC drive system designAbstractThe design focuses on the computati

3、onal design, and adjust the parameters of DC Motor Control System. The rectification program designed to use a three-phase full-controlled thyristor rectifier circuit, the choice of speed plus the current composition of the double-loop speed control system as the main drive of this design program sp

4、eed, double-loop can get good speed performance, which is in theory and practice and other aspects are more mature system, in areas that require speed control has been a lot of use. Wherein the total added dual proportional integral regulator, a motor is used to control the speed, and the other to c

5、ontrol the current constitution speed loop and current loop, the outer ring to keep the former DC motor speed and stability, which is able to maintain the inner ring in-circuit current stability, speed loop play a major role in the governor (speed maintained stable at a given value), current loop pl

6、ay a supporting role (to prevent over-voltage circuit, anti-interference, stable current at a given value), both of which can be combined with satisfactory speed performance, so as to be able to achieve the purpose of smooth speed control. The design also for other circuits and interference protecti

7、on aspects were discussed, ensure that the machine is running security and stability.Keywords: DC motor; speed control system; thyristor; double-loop目 錄摘 要IAbstractII插圖清單IV第1章 緒 論- 1 -1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述- 1 -1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法- 2 -1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介- 2 -1.4冷軋機(jī)簡介- 3 -第2章 系統(tǒng)主電路方案的選擇與保護(hù)- 4 -2.1 系統(tǒng)主要部分采用方案的確定- 4 -2.2

8、整流電路的保護(hù)- 6 -第3章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速反饋控制方案的確定- 10 -3.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速反饋控制方案的選擇- 10 -3.2 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速反饋控制方案的設(shè)計(jì)- 11 -3.3 動(dòng)態(tài)抗干擾性能分析- 12 -第4章 系統(tǒng)主電路及保護(hù)裝置的參數(shù)計(jì)算- 13 -4.1主電路裝置參數(shù)的計(jì)算與選定- 13 -4.2 整流電路保護(hù)裝置的參數(shù)計(jì)算與選定- 15 -第5章 電流環(huán)、速度環(huán)與無環(huán)流邏輯切換裝置的設(shè)計(jì)- 17 -5.1 電流內(nèi)環(huán)- 17 -5.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)- 18 -5.3 無環(huán)流邏輯切換裝置- 20 -第6章 調(diào)速環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算- 24 -6.1 調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)型式的確定- 24 -

9、6.2 電流內(nèi)環(huán)的調(diào)整- 24 -6.3 轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)整- 28 -6.4 調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)計(jì)算- 32 -結(jié) 論- 34 -參 考 文 獻(xiàn)- 35 -致 謝- 36 -圖表清單圖 2-1 三相橋式電樞反并聯(lián)可逆電路原理圖- 6 -圖 2-2 快速熔斷器- 7 -圖 2-3 交流側(cè)過電壓保護(hù)- 7 -圖 2-4 直流側(cè)過電壓保護(hù)- 8 -圖 2-5 換相過電壓保護(hù)- 8 -圖 2-6 系統(tǒng)主傳動(dòng)晶閘管整流電路- 9 -圖 3-1 機(jī)床主傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖- 11 -表 4-1 變壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)- 14 -圖 5-1 電流檢測裝置- 17 -圖 5-2 兩個(gè)調(diào)節(jié)器（ACR1與ACR2）的電氣

10、原理圖- 18 -圖 5-3 轉(zhuǎn)速檢測和電壓隔離裝置原理圖- 19 -圖 5-4 轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)和給定積分器原理圖- 20 -圖 5-5 無環(huán)流邏輯切換裝置的結(jié)構(gòu)- 21 -圖 5-6 無環(huán)流邏輯切換裝置的原理圖- 22 -圖 5-7 邏輯判斷與延時(shí)電路的結(jié)構(gòu)- 22 -圖 5-8 多“1”保護(hù)環(huán)節(jié)原理圖- 23 -圖 6-1 調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖- 24 -圖 6-2 電流閉環(huán)及其簡化后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖- 25 -圖 6-3 電流調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu)圖- 26 -圖 6-4 簡化過后的電流內(nèi)環(huán)- 27 -圖 6-5 調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu)圖- 28 -圖 6-6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖- 29 -圖 6

11、-7 簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖- 30 -圖 6-8 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的原理圖- 32 -圖 6-9 系統(tǒng)起動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)特性- 32 -V銅陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒 論1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述在生產(chǎn)和生活中，常常需要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的性能要求，來手動(dòng)或者自動(dòng)地改變直流電機(jī)的速度，我們把這樣的系統(tǒng)叫做直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的固有特性，可以得到通過改變直流電動(dòng)機(jī)的固有參數(shù)或改變外加電壓大小的方式改變其電樞電壓的方式等，使直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，這樣就可以做到調(diào)速的功能。調(diào)速一般都是通過反饋的值與給定的值進(jìn)行對比，然后根據(jù)偏差的值來對校正裝置發(fā)出控制信號，以達(dá)到其目的。直流調(diào)

12、速系統(tǒng)在現(xiàn)在，尤其是在需求高性能控制領(lǐng)域中依舊起著不可替代的作用。1.1.1 直流調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)使用直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)備非常容易實(shí)現(xiàn)速度的控制，易于構(gòu)建控制模型。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速具有在低轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩大的優(yōu)點(diǎn)，這是交流電動(dòng)機(jī)所無法媲美的。直流電機(jī)的適用領(lǐng)域相當(dāng)?shù)膹V，其一般可以在以下方面使用：加、減速要有一個(gè)緩沖過程；需要在低速時(shí)有大轉(zhuǎn)矩；有良好的挖土機(jī)特性，能夠過載電流限制設(shè)定電流。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)調(diào)速如此重要的作用，所以直流電機(jī)在很長一段時(shí)間內(nèi)直流調(diào)速在生產(chǎn)機(jī)械中占主要地位。但是在平常使用中，直流電機(jī)容易發(fā)生故障，包括電刷打火、電驅(qū)變色、散熱不充足、劇烈噪聲和振動(dòng)等問題，因此其需要經(jīng)常地維護(hù)，這是一筆不小的

13、開銷，交流電機(jī)就沒有這樣的問題，而且直流電機(jī)也不能像交流電機(jī)一樣構(gòu)造簡單，占地小巧，成本也很低廉。在現(xiàn)代，交流調(diào)速異軍突起，開始漸漸蠶食直流調(diào)速的領(lǐng)地，但在高性能調(diào)速領(lǐng)域其依然能夠固守國疆。1.1.2 直流調(diào)速的發(fā)展歷史直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)系大概統(tǒng)是在166年前誕生的，在上世紀(jì)中葉，由于技術(shù)尚不成熟，只有接近20%的高性能可調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)采用了直流電動(dòng)機(jī)。在20世紀(jì)50年代左右，水銀整流器與閘流管的出現(xiàn)促進(jìn)了直流調(diào)速的發(fā)展，它們屬于靜止變流裝置，替代了以前的老式整流裝置，大大提升了整流的性能。但這樣的變流裝置也有很大的缺點(diǎn)，水銀屬于重金屬，對人體和環(huán)境危害極大，并且其運(yùn)行可靠性差，對直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)

14、定運(yùn)行產(chǎn)生了極大的影響，但是限制于當(dāng)時(shí)的科技水平，采用此靜變流裝置也是無可奈何，實(shí)屬無奈之舉。1960年之后，晶閘管誕生了，因?yàn)榫чl管整流裝置優(yōu)異的性能，其得到了廣泛的應(yīng)用，直流調(diào)速技術(shù)在這之后得到飛速的發(fā)展。晶閘管整流裝置-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的整流裝置是由可控晶閘管構(gòu)成的，晶閘管整流性能優(yōu)異，工作穩(wěn)定，在上世紀(jì)60年代起得到了大范圍的應(yīng)用，直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展迎來了春天。上世紀(jì)80年代以后，全控型器件器件誕生了，其整流性能較晶閘管更為優(yōu)異，晶閘管漸漸被其替代。在控制器方面，數(shù)字電子控制已經(jīng)開始逐漸取代模擬電子控制。在現(xiàn)代，生產(chǎn)設(shè)備需要更高的非線性和智能化控制，然而模擬電子控制在這方面就顯得有些力

15、不從心，模擬電子控制的處理量少、功能單一，不能實(shí)現(xiàn)非線性的控制，到了其退伍的時(shí)候了。用全控型電力電子器件可以組成直流變換器-直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)在越來越多地被其取代了?，F(xiàn)在因?yàn)榻涣髡{(diào)速技術(shù)的迅猛發(fā)展勢頭，直流調(diào)速技術(shù)正在逐漸被淘汰，但是因?yàn)橹绷髡{(diào)速技術(shù)的調(diào)速性能比交流調(diào)速系統(tǒng)更為優(yōu)異，至今依然活躍在很多的高性能調(diào)速領(lǐng)域。1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法1.2.1 直流電機(jī)調(diào)速的理論依據(jù)理想狀態(tài)下，直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速為：(1-1)此式為調(diào)速理論的基礎(chǔ)，根據(jù)此式可以分析得出以下幾種調(diào)速方法。1.2.2 三種常見的直流調(diào)速方法在上面的公式中，是一個(gè)常數(shù)，其不會影響到電機(jī)的

16、速度，電流I的大小是根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)荷來決定的，也不會產(chǎn)生影響，所以只剩下三個(gè)參數(shù)可以影響電機(jī)的速度：(1) 調(diào)節(jié)電樞端電壓：改變電樞電壓能夠起到改變轉(zhuǎn)速的作用，機(jī)械特性曲線很硬，能夠在保證了輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，調(diào)整轉(zhuǎn)速，很容易實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)速；(2) 改變電樞回路總電阻R：轉(zhuǎn)子串電阻一般用于低精度調(diào)速場合，串入電阻后由于機(jī)械特性曲線會變得很軟，不能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速和平滑調(diào)速、效率低，一般在倒拉反轉(zhuǎn)型負(fù)載中使用；(3) 減弱每極磁通量：減弱每極磁通量后，電機(jī)的速度就會增加，其能夠調(diào)速的區(qū)間很小，只能加快而不能減慢速度，控制不好容易導(dǎo)致速度過快無法控制，其響應(yīng)比較慢，不適合單獨(dú)使用。1.3雙閉環(huán)直流

17、調(diào)速系統(tǒng)簡介轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，可靠性較好，而且設(shè)計(jì)比較方便，在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用非常的廣泛。它也是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課程中的的重要一環(huán)，對其進(jìn)行研究，有利于我們加深對直流調(diào)速系統(tǒng)的深入理解，也能成為以后交流調(diào)速研究的墊腳石。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)也是交流調(diào)速的理論基礎(chǔ)，交流調(diào)速系統(tǒng)在近代已經(jīng)越來越凸顯其重要性，研究此系統(tǒng)為我們打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為以后的交流調(diào)速系統(tǒng)的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能將我們本專業(yè)的各門課的知識串接起來，形成一個(gè)完整的知識網(wǎng)，對以后的學(xué)習(xí)與工作都有很大的幫助。1.4冷軋機(jī)簡介冷軋機(jī)是一種可以將鋼筋加工成帶鋼的設(shè)備，可以大大提高鋼筋的抗拉與抗壓性，同

18、時(shí)也一定程度地保留了鋼的延展性，節(jié)約了用鋼量，降低了用鋼所需的成本。第一臺冷軋機(jī)是由德國的施密茨公司在19世紀(jì)末期建造的，它的出現(xiàn)大大增強(qiáng)了生產(chǎn)力。冷軋機(jī)的性能與生產(chǎn)工藝代表著一個(gè)地區(qū)的重工業(yè)的等級。在生產(chǎn)過程中，可采用直流電動(dòng)機(jī)來處理軋制過程中對速度調(diào)節(jié)的需求。第2章 系統(tǒng)主電路方案的選擇與保護(hù)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)應(yīng)該在滿足設(shè)計(jì)提出的要求下，以較低廉的成本去獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，來創(chuàng)造更高的價(jià)值。2.1 系統(tǒng)主要部分采用方案的確定2.1.1 傳動(dòng)及調(diào)速方案的選擇(1) 電動(dòng)機(jī)的選擇電機(jī)的選擇直接關(guān)系到機(jī)床的運(yùn)行與產(chǎn)品的質(zhì)量，應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)的要求來確定，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求為生產(chǎn)機(jī)械工藝要求軋機(jī)

19、傳動(dòng)系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)可逆無級調(diào)速運(yùn)行，且有較高的穩(wěn)態(tài)控制精度，直流拖動(dòng)很容易就能勾實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，調(diào)起速來能在較廣區(qū)間非常得平穩(wěn)，過度自然，因此可以很好得滿足能滿足機(jī)床對電氣控制系統(tǒng)提出的要求，所以這里我們選擇直流電機(jī)作為本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(2) 電機(jī)直流調(diào)速方案的確定根據(jù)1.2.1中的分析可以看出以調(diào)節(jié)電樞電壓的調(diào)速方式最好，其它兩種調(diào)速方式都有較大的缺點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)將采用變壓調(diào)速的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1.2 整流電路的設(shè)計(jì)(1) 整流方式的選擇使用晶閘管整流的調(diào)速系統(tǒng)具有很多的長處，如調(diào)速范圍大、平滑性好、重量輕、噪音小、效率高、運(yùn)行可靠、調(diào)速快、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等。晶閘管整流裝置是變流裝置供電的直

20、流調(diào)速系統(tǒng)，它和其它整流裝置相比，在經(jīng)濟(jì)性上和可靠性上有很大優(yōu)勢，而且在理論與實(shí)踐方面相當(dāng)?shù)贸墒臁＞чl管整流也有一定的壞處，如因?yàn)槭褂米儔浩髡鹘涣麟姷玫街绷?，所以會有一定的電能損失，直流電機(jī)的運(yùn)行會受到一定的影響；直流電機(jī)處于低速時(shí)，電路的損耗加大；整流系統(tǒng)會對交流電網(wǎng)產(chǎn)生不好的影響，造成污染。但是晶閘管整流裝置還是利大于弊的，只要保護(hù)裝置齊備，晶閘管整流裝置運(yùn)行十分穩(wěn)定。因此在這里選擇晶閘管整流裝置給直流電機(jī)供電的方案。(2) 供電整流電路相數(shù)的確定整流電路出現(xiàn)最早，直流用電設(shè)備可以通過其將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來獲得電能，按使用的整流裝置的不同可以分成不可控、半控、全控三種，除了這些還有1相

21、整流與n（）相整流。這些整流電路的性能與適用領(lǐng)域都各不相同，單相晶閘管整流電路的性能不好，電壓不夠穩(wěn)，影響了交流電網(wǎng)的穩(wěn)定，所以一般多用于l0kw以下的拖動(dòng)系統(tǒng)中。三相半波整流電路雖然對于三相電網(wǎng)平衡運(yùn)行并沒有影響，只使用了3只晶閘管，較三相橋式全控整流電路使用原件更少，但是變壓器二次側(cè)在每周期中只有的時(shí)間有電流，效率較低，故運(yùn)行成本較高。三相橋式全控整流電路使用了6個(gè)晶閘管進(jìn)行整流，使用的晶閘管比三相半波可控整流電路多1倍，但使用其進(jìn)行整流時(shí)電路的電壓穩(wěn)定，可以保證變壓器的線圈不會磁化，轉(zhuǎn)換率比較高。前者在整流時(shí)失去控制的時(shí)間只是后者的，系統(tǒng)響應(yīng)的速度得到了很大的提升，與后者相比較，由于晶閘

22、管原件數(shù)量是其2倍，所以每個(gè)晶閘管元件所承受的正反向電壓是三相半波可控整流電路的，延長了晶閘管的壽命，增加了整流電路的可靠性。所以在l0kw以上的容量的整流裝置中應(yīng)用極其廣泛。除了以上的三相整流電路之外，還有6相及更多的整流電路，這些電路雖然整流的性能上很強(qiáng)勢，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、投資較大，在這里使用顯得有些得不償失。根據(jù)上述分析，我們可以很明確地選擇三相橋式全控整流電路作為本次的整流裝置。(3) 晶閘管整流裝置的接線方式機(jī)床在運(yùn)行時(shí)難免會需要正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)功能，在這里就需要直流電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，是由磁場與外加電壓的方向所共同決定。電樞可逆系統(tǒng)是指通過調(diào)整電樞電壓的流向，其它參數(shù)都

23、不管發(fā)生變化的可逆運(yùn)行系統(tǒng)；想要使磁場的極性出現(xiàn)變化可以通過變化勵(lì)磁電流的流向來達(dá)成目的，這樣就可以完成電機(jī)可逆運(yùn)行的功能，這種方式叫做磁場可逆系統(tǒng)。磁場可逆系統(tǒng)雖然投資較少，但是這樣調(diào)起速來有較大延遲，控制裝置很臃腫，不能達(dá)本次設(shè)計(jì)的性能要求。出于快速性和控制回路簡單的角度，本次設(shè)計(jì)的可逆方案將采用電樞可逆系統(tǒng)。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，整流裝置的接線方式一般都會采用兩套晶閘管變流裝置反極性連接的可逆電路，這樣做可以輕松地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行，這種方法相對簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際使用中主要采用交叉連接或者反并聯(lián)接這兩個(gè)接線方法。交叉連接這種方式的兩套晶閘管整流裝置的電源裝置是互相分立的，它們之間沒

24、有互相影響，這使得它可以輕松地實(shí)現(xiàn)多相整流，能夠較大地減少其對電網(wǎng)波形畸變的影響。而反并聯(lián)接只使用了一個(gè)供電單元，這樣就不會再需要兩組變壓器了，變壓器的使用率更加得高，而且也簡化了線路，接線更加方便。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)對快速性的要求并不算太高，所以綜合起來考慮三相橋式電樞反并聯(lián)可逆電路能完美的滿足本次設(shè)計(jì)的要求，所以選擇其來作為本次設(shè)計(jì)的整流裝置才最合理。圖2-1為其電路圖：圖 2-1 三相橋式電樞反并聯(lián)可逆電路原理圖2.2 整流電路的保護(hù) 整流電路直接與電網(wǎng)連接，功率很大，為了確保機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定安全，我們有必要在電路中設(shè)置保護(hù)裝置。過電壓、電流保護(hù)保護(hù)是我們在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)應(yīng)該最先考慮到的問題，這些

25、保護(hù)裝置通常都是按照以下兩種方式安置：一種是在適合的位置設(shè)置保護(hù)保護(hù)裝置，如壓敏二極管、快速熔斷器等；另外一種是使用電子保護(hù)電路，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電路中的各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)它們超過給定的閾值時(shí)，整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流電路暫時(shí)處于有源逆變狀態(tài)，逐漸使得電流與電壓趨于正常值。我們在這里將使用第一種保護(hù)方法，將交流側(cè)、直流側(cè)和晶閘管保護(hù)設(shè)備分開來設(shè)計(jì)，以應(yīng)對在本次設(shè)計(jì)的大功率整流裝置，保證其穩(wěn)定、安全運(yùn)行。2.2.1 過電流保護(hù)在日常的生產(chǎn)過程中，電機(jī)過載或整流裝置直流側(cè)的短路都是不可避免的，如果不設(shè)置保護(hù)必然會使原件損壞，引起不必要的麻煩，所以過電流的保護(hù)是不可或缺的一項(xiàng)保護(hù)措施。(1) 交流側(cè)快速熔斷器保

26、護(hù)整流電路，尤其是使用了半導(dǎo)體器件的電路一般都會使用快速熔斷器來進(jìn)行保護(hù)。因?yàn)榘雽?dǎo)體元件十分的脆弱，所以不能在長時(shí)間承受較大的過載電流，所以需要保護(hù)裝置有足夠快的斷流時(shí)間。而快速熔斷器正如其名字一樣，能夠在電路過載時(shí)快速的切斷電路，一般不會超過十毫秒。當(dāng)電路電流過載時(shí)，其就會迅速斷開，保證機(jī)床安全。在這里將其與晶閘管原件直接連接在一起，這樣做最為穩(wěn)妥，在變壓器一次側(cè)也采用此保護(hù)方法防止過電流。圖 2-2 快速熔斷器(2) 直流側(cè)快速自動(dòng)開關(guān)保護(hù)快速自動(dòng)開關(guān)具有反應(yīng)速度快（僅為2ms），當(dāng)短路時(shí)即使電流值很大，其也能安全地?cái)嚅_電路的連接；能夠同時(shí)兼顧過功率與過電流保護(hù)；可以調(diào)整切斷電路時(shí)的閾值，

27、可以重復(fù)使用，安裝和使用都很省事等特點(diǎn)。它被直接接入直流電路內(nèi)，當(dāng)其動(dòng)作速度比快速熔斷器快很多，盡量不會浪費(fèi)快速熔斷器，起到雙重保護(hù)的作用。2.2.2 過電壓保護(hù)(1) 交流側(cè)過電壓保護(hù)圖2-3為連接保護(hù)裝置的方式：圖 2-3 交流側(cè)過電壓保護(hù)這里我們采用阻容吸收器和壓敏電阻的方式來進(jìn)行保護(hù)，阻容吸收器能夠很好地吸收過電壓一瞬間產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和沖擊電流，削弱了過電壓的強(qiáng)度，防止了保護(hù)裝置輕易熔斷或跳閘，保證了運(yùn)行得穩(wěn)定。它的構(gòu)造非常的簡單，工作可靠，防止過電壓引起的電路的絕緣損壞，其是保證機(jī)床安全運(yùn)行必不可少的過電壓保護(hù)裝置，常用于6KV110KV的高壓電環(huán)境中，在這里使用正合適。交流側(cè)過電壓

28、保護(hù)到此設(shè)計(jì)完成。(2) 直流側(cè)過電壓保護(hù)在直流側(cè)過電壓保護(hù)中常常會使用壓敏電阻來進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)壓敏電阻兩側(cè)的電壓值低于其動(dòng)作值時(shí)，其相當(dāng)于斷路，當(dāng)兩側(cè)的電壓值達(dá)到其動(dòng)作值時(shí)，其電阻值直線下降，其將起到分流的作用，使大量的電流從它流過從而避免了后續(xù)的器件受到損傷，從而很好地起到了過電壓保護(hù)的作用。圖 2-4 直流側(cè)過電壓保護(hù)2.2.3 晶閘管保護(hù)晶閘管非常的需要過電壓的保護(hù)，在它的正面電壓強(qiáng)度過高時(shí)，其就會不受控制，導(dǎo)致整流電路發(fā)生故障，在反向電壓強(qiáng)度太高時(shí)，其就會徹底損壞，不能使用，導(dǎo)致整流裝置發(fā)生故障。所以必須設(shè)置完善的晶閘管保護(hù)措施。晶閘管主要在換相過程中容易發(fā)生故障，在這里我們采用采用在

29、晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收器的方式來避免晶閘管被反向擊穿。圖 2-5 換相過電壓保護(hù)綜合以上設(shè)計(jì)可以得到系統(tǒng)主傳動(dòng)晶閘管整流電路如圖2-6所示：圖 2-6 系統(tǒng)主傳動(dòng)晶閘管整流電路第3章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速反饋控制方案的確定3.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速反饋控制方案的選擇直流電機(jī)的調(diào)速控制方案多種多樣，籠統(tǒng)的可以分為開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。3.1.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n和給定電壓 之間沒有任何直接的聯(lián)系的調(diào)速系統(tǒng)。直接控制觸發(fā)器的輸出就可以直接控制晶閘管整流橋，就可以起到控制直流側(cè)電壓的目的，從而就可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。其控制電路極其簡單，在實(shí)驗(yàn)室中很容易實(shí)現(xiàn)，如果機(jī)床

30、的設(shè)計(jì)對靜差率要求并不髙，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以很好得滿足要求。但是，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)沒有反饋單元，控制精度不夠高，無法應(yīng)對實(shí)際生產(chǎn)中的各種干擾，這本設(shè)計(jì)中由于對控制精度要求較高，故不能采用開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。3.1.2 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指將輸出量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n反饋到輸入端（反饋量還有其他形式），通過反饋環(huán)節(jié)來校正直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成閉環(huán)回路的調(diào)速系統(tǒng)。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能夠很好得增加直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能。在對控制精度需求不高的情況下，可以采用單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)對系統(tǒng)控制精度要求較高時(shí)就可以采用多閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要包含以下幾種形式：(1) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系

31、統(tǒng)可以形象地理解為開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的“閉環(huán)化”。該系統(tǒng)將與轉(zhuǎn)速變化息息相關(guān)的電壓信號作為反饋量。當(dāng)給定值恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以糾正直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差，當(dāng)電網(wǎng)電壓或電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以被穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)是單閉環(huán)系統(tǒng)，較不帶任何負(fù)反饋的開環(huán)系統(tǒng)更加得穩(wěn)定。但是并不能達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求，因此不能使用本系統(tǒng)。(2) 引入電流負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)在全壓啟動(dòng)時(shí)，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這會對電機(jī)和電子元件產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，這是我們所要避免的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)在剛啟動(dòng)時(shí)與全壓起動(dòng)相同，這是不能被允許的，直流電機(jī)在被卡住或負(fù)載太大時(shí)，其就會無法

32、轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣會導(dǎo)致會電樞中電流太大，會使保護(hù)裝置動(dòng)作，影響機(jī)床正常工作。而電流截止負(fù)反饋可以保持電流基本不變，起到保護(hù)電路的作用。(3) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)雖然可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，但是其都存在一定的缺點(diǎn)，如在對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求高的地方，單閉環(huán)系統(tǒng)就顯得力不從心了。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電機(jī)剛啟動(dòng)或者堵轉(zhuǎn)時(shí)，其會導(dǎo)致電壓過高，導(dǎo)致原件損壞；而電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能對電流產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，它僅僅能在電流超出臨界值時(shí)，使電流回歸正常值。于是就出現(xiàn)了將二者結(jié)合起來構(gòu)成雙閉環(huán)來同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與電流的控制的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)性能更好，可以很好得滿足本次設(shè)計(jì)的要求，故本次設(shè)計(jì)將采用

33、此直流調(diào)速方案。3.2 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速反饋控制方案的設(shè)計(jì)在選定了系統(tǒng)主電路方案的同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求綜合考慮將使用邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。此系統(tǒng)中使用了兩種調(diào)節(jié)器，用來進(jìn)行電流與轉(zhuǎn)速的控制，即使用了電流與速度負(fù)反饋雙閉環(huán)，它們在一起共同工作，連接在一起。圖3-1為其系統(tǒng)框圖：圖 3-1 機(jī)床主傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖在本系統(tǒng)中共有兩個(gè)ACR，通過控制來控制正組整流裝置，通過控制來控制反組整流裝置，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆運(yùn)行，的輸入是通過的輸入經(jīng)由反號器FH生成。根據(jù)本次設(shè)計(jì)機(jī)床的生產(chǎn)工藝要求，為了使軋制過程要保持機(jī)速穩(wěn)定，在起動(dòng)過程中要求加減速恒定，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將采用給定積分器來給定。

34、在機(jī)床處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，將使用鎖0電路保證調(diào)節(jié)器輸出電位鎖在0電位，使機(jī)床能夠可靠地停止。3.3 動(dòng)態(tài)抗干擾性能分析當(dāng)我們在設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，最先應(yīng)該考慮的就是抗干擾的問題，而抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)與抗負(fù)載擾動(dòng)是其中最應(yīng)該優(yōu)先考慮的問題。3.3.1 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓改變時(shí)也有可能會受到影響，因?yàn)樵陔p閉環(huán)系統(tǒng)中存在著電流環(huán)，其能夠在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)及時(shí)作出相應(yīng)地調(diào)整，避免影響到電機(jī)的速度，能夠大大提高調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能。所以電網(wǎng)電壓擾動(dòng)在雙閉環(huán)系統(tǒng)中影響微乎其微，不用去理會。3.3.2 抗負(fù)載擾動(dòng)當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)的負(fù)荷改變時(shí)，會使電機(jī)的速度發(fā)生變化，這對調(diào)速系統(tǒng)來說是不被原諒的，應(yīng)該盡快對其

35、進(jìn)行校正。負(fù)載擾動(dòng)并不屬于電流環(huán)的管轄范圍，所以其需要使用調(diào)節(jié)器ASR來對其進(jìn)行糾正，所以當(dāng)我們設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR時(shí)，應(yīng)盡可能地保證其抗負(fù)載擾動(dòng)的性能。第4章 系統(tǒng)主電路及保護(hù)裝置的參數(shù)計(jì)算4.1主電路裝置參數(shù)的計(jì)算與選定4.1.1 整流變壓器參數(shù)的計(jì)算整流變壓器能夠提供給晶閘管整流橋合適的工作電壓，并將其與交流電網(wǎng)分離開來，減少其對外界的干擾，保證生命財(cái)產(chǎn)的安全，整流電路圖見圖2-1。(1) 為了能更好地減少晶閘管在工作時(shí)生成的三次諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的干擾，整流變壓器將采用方法來接線，這種接線方法可以有效地提高變壓器的供電質(zhì)量，同時(shí)抑制諧波。(2) 變壓器直流側(cè)電壓： (4-1)在這里我們?nèi)。?/p>

36、管壓降，交流側(cè)電壓的波動(dòng)系數(shù)，變壓器短路時(shí)電壓，則： (4-2)實(shí)際取值為。(3) 變壓器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流： (4-3)(4-4)(4-5)(4) 變壓器的容量：因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)使用的整流電路是三相橋式全控整流電路，所以,實(shí)際取值S=160KVA。(5) 根據(jù)以上計(jì)算變壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表4-1所示：表 4-1 變壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)相數(shù)接線方式 容量(KVA) 交流側(cè)電壓 (V) 交流側(cè)電流 (A) 直流側(cè)電壓 (V) 直流側(cè)電流 (A)三相 160 380 241 242 3774.1.2 晶閘管的選擇(1) 晶閘管的正常工作時(shí)的電壓為：。在本式中，則：，實(shí)際取值(2) 晶閘管的額定電流為：。在

37、這里我們?nèi)?，則：，實(shí)際取值。(4-6)(3) 晶閘管的電壓安全系數(shù)為：電流的安全系數(shù)為：。根據(jù)上述分析綜合考慮，在這里我們選擇型號為KP600-10的晶閘管12個(gè)。4.1.3 電抗器的計(jì)算為了抑制晶閘管整流電路中的環(huán)流和電流脈動(dòng)，我們在晶閘管整流電路中串聯(lián)入電抗器?？梢酝ㄟ^以下計(jì)算求得其電抗量L：(1) 變壓器漏感為：(4-7)(2) 直流電動(dòng)機(jī)的電樞電感為：(4-8)(4-9)在三相橋式全控整流電路中，當(dāng)整流電流開始工作時(shí)，變壓器漏感與電樞電感量之和為：(3) 電抗量L為：(4-10)4.2 整流電路保護(hù)裝置的參數(shù)計(jì)算與選定整流電路的交流側(cè)直接與電網(wǎng)相連，直流側(cè)又有很多的重要元器件，為了保證

38、各元器件的安全與機(jī)床的穩(wěn)定運(yùn)行，為整流電路添加保護(hù)裝置是很有必要的。4.2.1 過電流保護(hù)(1) 交流側(cè)快速熔斷器保護(hù)快速熔斷器在熔斷時(shí)的電流為，經(jīng)過下式計(jì)算：；，即。實(shí)際選取型號為RS3-750-700A的快速熔斷器12只，其為600A，滿足上述要求。本次設(shè)計(jì)變壓器交流側(cè)的線電壓為380V，快速熔斷器的額定電壓可選擇400V3只。(2) 直流側(cè)直流快速自動(dòng)開關(guān)保護(hù)由直流電動(dòng)機(jī)的額定電流可以得出，實(shí)際選取型號為DS9-10/15的直流快速自動(dòng)開關(guān)，其額定電壓為1500V，額定電流為1000A，當(dāng)直流側(cè)電流在800-2000A范圍外時(shí)，快速開關(guān)就會跳閘，阻止了電流地流通，防止了元器件的損壞。4.

39、2.2 過電壓保護(hù)(1) 交流側(cè)過電壓保護(hù)我們需要在變壓器的交流側(cè)設(shè)置阻容保護(hù)裝置來進(jìn)行過電壓保護(hù)，因?yàn)樽儔浩鞯娜萘繛?60KVA遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5KVA。(4-11)變壓器直流側(cè)阻容吸收器的各參數(shù)：將采用與交流側(cè)相同的接線法，這里我們?nèi)?，通過以下算式可以得到：由此，我們實(shí)際取值為，的臨界值。電阻值為：(4-12)實(shí)際取值為。阻容吸收器的電流為： 電阻的總功率為： 綜合以上數(shù)據(jù)，在這里我們選擇阻容吸收器原件如下：電容選取油浸電容，電容值為30uF，額定電壓為630V的電容3只，電阻選取繞線電阻，電阻值為，功率為1000W的電阻3只。壓敏電阻容定電壓為：壓敏電阻承受的額定V峰值實(shí)際選取型號為MY31-4

40、40/3的壓敏電阻3只，其額定電壓為440V，通過容量3KA。(2) 直流側(cè)過電壓保護(hù)根據(jù)交流側(cè)壓敏電阻的計(jì)算方法，可以選取壓敏電阻MY31-440/3型1只，并聯(lián)在整流裝置直流側(cè)。4.2.3 晶閘管保護(hù)取 ，電容耐壓電阻功率實(shí)選油浸電容，630V12只，繞線電阻，10W12只。第5章 電流環(huán)、速度環(huán)與無環(huán)流邏輯切換裝置的設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速反饋控制單元主要由電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)與無環(huán)流邏輯切換電路等部件構(gòu)成。電流檢測電路、電流調(diào)節(jié)器ACR與觸發(fā)脈沖輸出電路構(gòu)成了電流內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速檢測電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與轉(zhuǎn)速給定電路構(gòu)成了轉(zhuǎn)速外環(huán)；無環(huán)流邏輯切換電路能夠保證反并聯(lián)接的兩套晶閘管整流裝置不會同時(shí)進(jìn)行整

41、流工作，實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行，保證了晶閘管整流電路的穩(wěn)定運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)中還使用了鎖0電路來確保機(jī)床穩(wěn)定停車。圖3-1為控制系統(tǒng)的框圖。5.1 電流內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器ACR是電流內(nèi)環(huán)的主要組成部分，其設(shè)計(jì)直接決定了電流內(nèi)環(huán)的性能，電流內(nèi)環(huán)的最大電流應(yīng)該給定與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的飽和幅值相同的給定值，其值為直流電動(dòng)機(jī)的被允許的最大電流值，保護(hù)了機(jī)床的安全，達(dá)成了時(shí)間最優(yōu)控制。三相交流電網(wǎng)電壓波動(dòng)可以通過電流內(nèi)環(huán)來實(shí)現(xiàn)抗擾功能，保證了機(jī)床的平穩(wěn)運(yùn)行。5.1.1 電流檢測裝置為了讓電流負(fù)反饋信號方向在直流電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行時(shí)不發(fā)生變化，我們在直流電機(jī)調(diào)速反饋控制系統(tǒng)中共設(shè)置了兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器ACR和1個(gè)反號

42、器，因此本系統(tǒng)將使用的電流檢測裝置不用去管的極性。圖5-1為電路互感裝置與整流裝置：圖 5-1 電流檢測裝置5.1.2 電流調(diào)節(jié)器ACR比例積分調(diào)節(jié)器是一種非常常見的控制器，它包含了兩種控制器的長處，而且彌補(bǔ)了各自的短處，起到了互相補(bǔ)完的效果，因此PI調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)中得到了較為廣泛的運(yùn)用。電流調(diào)節(jié)器ACR將采用PI調(diào)節(jié)器形式來滿足本設(shè)計(jì)的要求，其主要由型號為BG305的集成運(yùn)放構(gòu)成。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出信號經(jīng)過限幅和功率放大后產(chǎn)生了觸發(fā)裝置GT的移相控制信號，它的輸出最大值將被設(shè)定到上。圖5-2為其原理圖：圖 5-2 兩個(gè)調(diào)節(jié)器（ACR1與ACR2）的電氣原理圖當(dāng)電流檢測裝置檢測到的主電路

43、中的電流過大或過小時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR就會產(chǎn)生動(dòng)作，電流調(diào)節(jié)器ACR會將輸出電壓控制信號的值變?yōu)?，觸發(fā)脈沖也會被設(shè)定為，從而保證了機(jī)床的安全。當(dāng)機(jī)床停機(jī)時(shí)，鎖0電路會將電流調(diào)節(jié)器ACR的鎖在0，保證機(jī)床正常停機(jī)。5.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)的里面，其是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)的基石，轉(zhuǎn)速環(huán)在調(diào)速系統(tǒng)中起主要的作用，電流環(huán)只起輔助作用，通過對其的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。5.2.1 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電壓隔離器本次設(shè)計(jì)使用直流測速發(fā)電機(jī)來作為轉(zhuǎn)速環(huán)的轉(zhuǎn)速檢測單元，它能夠把直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測定，其輸出的電壓信號與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，通過檢測其輸出的電壓即可得到直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)前時(shí)

44、刻的轉(zhuǎn)速。直流電壓隔離器可以使直流測速發(fā)電機(jī)與控制系統(tǒng)互不影響。圖5-3為其原理圖：圖 5-3 轉(zhuǎn)速檢測和電壓隔離裝置原理圖5.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR是由型號為BG305的線性集成運(yùn)放組成PI調(diào)節(jié)器形式，使機(jī)床在運(yùn)行時(shí)能夠使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)能夠及時(shí)作出調(diào)整，起到抗干擾的作用；此速度調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差，能夠很好地滿足本設(shè)計(jì)的要。5.2.3 轉(zhuǎn)速給定及給定積分器轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)由給定電源GS，給定電位器等部件構(gòu)成。為了滿足本設(shè)計(jì)提出的要求，本系統(tǒng)將采用給定積分器作為本設(shè)計(jì)的給定裝置。給定積分器能夠利用其特性使直流電動(dòng)機(jī)在加減速過程中速度均勻變化。

45、圖5-4為轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)以及給定積分器原理原理圖：圖 5-4 轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)和給定積分器原理圖5.3 無環(huán)流邏輯切換裝置5.3.1 無環(huán)流邏輯切換裝置的設(shè)計(jì)觸發(fā)裝置是用來控制晶閘管整流橋從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行，觸發(fā)裝置應(yīng)能夠保證兩套晶閘管整流橋不會同時(shí)工作，其設(shè)計(jì)直接決定了機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)將使用型號為KC26的集成化6脈沖觸發(fā)器，其由3個(gè)型號為KC04的移相觸發(fā)器、1個(gè)型號為的6路雙脈沖形成器和1個(gè)型號為的脈沖列調(diào)制形成器連接連接而成。邏輯切換裝置的輸出信號與反號器共同實(shí)現(xiàn)了對晶閘管整流橋的控制。在實(shí)際使用中，常常使用兩個(gè)型號為KC41裝置的電路，其輸入端將并聯(lián)在一起，兩套晶閘管的控制

46、輸入端連接其兩個(gè)控制端7。其輸出端連接12個(gè)功率放大器，由脈沖變壓器輸出脈沖分別控制整流橋工作，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。5.3.2 無環(huán)流邏輯切換裝置的工作原理邏輯切換裝置是本裝置中最重要的組件。其能夠根據(jù)生產(chǎn)的需求，發(fā)出控制信號：其用來控制晶閘管整流裝置，發(fā)出脈沖激活晶閘管正組整流橋，阻斷晶閘管反組整流橋的脈沖，使得正組晶閘管整流橋工作，發(fā)出脈沖激活晶閘管反組整流橋，阻斷晶閘管正組整流橋的脈沖，使得反組晶閘管整流橋工作，只容許這兩種狀態(tài)存在，保證正組與反組晶閘管整流裝置不同時(shí)工作。電流的給定信號的極性與0電流的檢測信號作為邏輯切換裝置的輸入信號，封鎖正組晶閘管整流橋脈沖信號與封

47、鎖反組晶閘管整流橋脈沖信號作為其輸出信號，兩塊型號為KC41的六路雙脈沖形成器的7號端口（脈沖輸出控制端）分別連接，二者分別用來控制正、反兩組晶閘管整流橋。在本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中我們規(guī)定，處于高電平時(shí)為1狀態(tài)，處于低電平時(shí)為0狀態(tài)。當(dāng)為1時(shí)，正組晶閘管整流橋不工作，為0態(tài)時(shí)，正組晶閘管整流橋開始工作；為1態(tài)，反組晶閘管整流橋不工作，為0態(tài)時(shí)，反兩組晶閘管整流橋開始工作，圖5-5為其結(jié)構(gòu)圖：圖 5-5 無環(huán)流邏輯切換裝置的結(jié)構(gòu)圖5.3.3 其余各部件設(shè)計(jì)(1) 模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換可以使用使用電平檢測器來實(shí)現(xiàn)，由電流給定極性鑒別器與0電流檢測器構(gòu)成，二者都采用型號為BG305

48、的線性集成運(yùn)放來構(gòu)建，圖5-6為其原理圖：(a)(b)圖 5-6 無環(huán)流邏輯切換裝置的原理圖(a) 電流給定極性鑒別器 (b) 0電流檢測器(2) 邏輯判斷與延時(shí)電路的設(shè)計(jì)邏輯判斷與延時(shí)電路（封鎖延時(shí)和開放延時(shí)）均采用具有高抗干擾能力的單元型號為JD123的與非門裝置，圖5-7為其結(jié)構(gòu)圖：圖 5-7 邏輯判斷與延時(shí)電路的結(jié)構(gòu)圖(3) 電容的選取與防短路保護(hù)電容與電容值的大小分別決定了封鎖延時(shí)和開放延時(shí)的長短。在三相橋式整流電路中，一般取3ms，一般取7ms，根據(jù)公式計(jì)算可以得到，實(shí)際選取電容、的金屬化紙介電容器，其正常工作時(shí)的電壓都為，為避免正反兩組晶閘管整流橋同時(shí)處于工作狀態(tài)，造成兩組晶閘管

49、整流橋短路事故，在系統(tǒng)中設(shè)置了多1保護(hù)環(huán)節(jié)，圖5-8為其原理圖：圖 5-8 多“1”保護(hù)環(huán)節(jié)原理圖第6章 調(diào)速環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算ASRACR本次設(shè)計(jì)使用的是直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其為本次設(shè)計(jì)的被控制對象，它的動(dòng)態(tài)特性為一階慣性環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)，一個(gè)在內(nèi)部，一個(gè)在外部，據(jù)此可以畫出其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，圖5-6為其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：圖 6-1 調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖我們的首要任務(wù)是根據(jù)上述條件，確定系統(tǒng)的形式，才能進(jìn)一步地選擇調(diào)節(jié)器和計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。6.1 調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)型式的確定典型I型系統(tǒng)雖然設(shè)計(jì)比較方便，雖然其最大偏差比II型小，但是其應(yīng)對擾動(dòng)方面不如II型。典型II型系統(tǒng)對于本設(shè)計(jì)很

50、適合，雖然其設(shè)計(jì)較繁瑣，超調(diào)量也較大。在這種設(shè)計(jì)中，抗干擾能力比較高，所以設(shè)計(jì)時(shí)會采用典型的II型系統(tǒng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓開始發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電流環(huán)可以起到很好地反饋調(diào)節(jié)作用，所以在這里我們電流內(nèi)環(huán)將使用成典型II型結(jié)構(gòu)。負(fù)載擾動(dòng)是轉(zhuǎn)速環(huán)所要面對的最大干擾量，根據(jù)設(shè)計(jì)提出的要求，為了起到及時(shí)調(diào)節(jié)，消除干擾，維持電機(jī)速度的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速外環(huán)也最好使用典型II型結(jié)構(gòu)。到這里系統(tǒng)形式就確定完成了。6.2 電流內(nèi)環(huán)的調(diào)整6.2.1 電流內(nèi)環(huán)的簡化與設(shè)計(jì)ASR電流環(huán)一般是用來控電流的。由于在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)生活過程中，電阻與電感的比值比機(jī)械時(shí)間常數(shù)小得多，電流調(diào)節(jié)是很迅速的，但是反電勢E的變化就比較小，在這里我們可以不在意反

51、電動(dòng)勢影響。此時(shí)，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖可近似為圖6-2。圖中的（電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)）。(a)ACR(b)ACR(c)圖 6-2 電流閉環(huán)及其簡化后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖控制對象的傳遞函數(shù)為：(6-1)根據(jù)上式我們決定將轉(zhuǎn)速環(huán)I閉環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，在這里我們將使用PI調(diào)節(jié)器，為它的描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程，這里我們?nèi)?，圖6-3是其電氣原理圖：圖 6-3 電流調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu)圖6.2.2 電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器ACR的各項(xiàng)參數(shù)和可以通過下列計(jì)算得出：電樞回路總電阻R：R的值是直流電動(dòng)機(jī)電樞電阻，電抗器與晶閘管整流裝置總電阻之和，下面分別計(jì)算：(6-2)由公式可得R的值為：電樞回路總電感L：總

52、電感L與直流電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)時(shí)的電感量相等，所以：式中的在這里我們實(shí)際取值為2.5mH，根據(jù)公式，得到，直流電機(jī)電樞回路的機(jī)電時(shí)間常數(shù)按下式計(jì)算：(6-3)放大倍數(shù)：(6-4)失控時(shí)間：電流反饋濾波系數(shù)：(6-5)被稱為電流的反饋濾波時(shí)間常數(shù)，在這里我們將取其值為，它為一個(gè)與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固定值。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可得：，根據(jù)，在這里我們能夠?qū)⒋髴T性環(huán)節(jié)簡化為積分環(huán)節(jié)，圖6-4為簡化過后的電流內(nèi)環(huán)：圖 6-4 簡化過后的電流內(nèi)環(huán)在上圖中，。由電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)則可取ACR參數(shù)為h=5，代入上式中可得：(6-6)，由于我們選擇了型號為BG305的集成運(yùn)放構(gòu)成了電流調(diào)節(jié)器ACR，在這里我們?nèi)?，如果電位器處于狀態(tài)，

53、根據(jù)公式。(6-8)(6-7)實(shí)際取值為：，。ACR的結(jié)構(gòu)如圖6-5所示：圖 6-5 調(diào)節(jié)器ACR的結(jié)構(gòu)圖6.3 轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)整6.3.1 轉(zhuǎn)速外環(huán)的簡化與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)作為電流環(huán)的外環(huán)，應(yīng)該在電流環(huán)已設(shè)計(jì)好并已進(jìn)行了一定地優(yōu)化的前提下進(jìn)行，以達(dá)到更好地控制效果。從圖6-2中可以看出電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：(6-9)式中，代入可得：(6-10)根據(jù)相關(guān)的理論方法，對傳遞函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的化簡操作，可以得到下式：(6-11)ASR電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)可以用來替換圖6-1中的電流環(huán)，這樣就能夠取得其的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，也能夠把電流環(huán)變成單位反饋的形式。一階時(shí)間常數(shù)可以通過把小時(shí)間常數(shù)T和融合得到，通過上述一番操作

54、可以得到簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖6-6為轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖：(a)ASR(b)圖 6-6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR結(jié)構(gòu)的確定：從設(shè)計(jì)對調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性要求和轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到轉(zhuǎn)速外環(huán)在這里要構(gòu)建成典型II型， ASR應(yīng)該設(shè)計(jì)成PI調(diào)節(jié)器形式，這樣的設(shè)計(jì)可以基本上實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速，很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求對調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)為：(6-12)這里我們?nèi)　?.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)包括驅(qū)動(dòng)和，在這里我們不考慮負(fù)載擾動(dòng)的影響，根據(jù)圖6-6可以得出的簡化后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算過程如下：(6-13)(6-14)+。圖 6-7 簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖飛輪慣量為：根據(jù)設(shè)計(jì)提供的參數(shù)可知該直流電動(dòng)機(jī)，根據(jù)公式可得：。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁時(shí)的電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速的比值為：(6-15)當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁時(shí)的轉(zhuǎn)矩與電流的比值為：(6-16)在我們?nèi)≈绷麟妱?dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓時(shí)，電流的反饋系數(shù)為：(6-17)我們在這里選取值為：，其被稱為轉(zhuǎn)速反饋的濾波時(shí)間常數(shù)，是一個(gè)與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固定的值。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：(6-18)(6-19)小慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)之和為：根據(jù)最小準(zhǔn)則可以選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的值：h=5，經(jīng)過計(jì)算可得：(6-20)(6-21)(6-22)轉(zhuǎn)速