牛頭刨床自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

1、本科學(xué)生畢業(yè)論文論文題目：牛頭刨自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院：機電工程學(xué)院年 級：2010級專 業(yè)：電氣工程及其自動化姓 名：王紹楠學(xué) 號：20102253指導(dǎo)教師：袁明 2014年5月10日摘要牛頭刨床是一種利用住復(fù)運動的刀具切割已固定在機床工作平臺上的工件一般用來加工較小工件?；韼е俚?，作直線住復(fù)運動的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名。根據(jù)牛頭刨床的工作特點，要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，即需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管電動機系統(tǒng)。即采用兩組晶閘管整流裝置反向并聯(lián)的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的可逆運行。

2、但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱為環(huán)流，加重晶閘管和變壓器的負擔，甚至導(dǎo)致晶閘管損壞。需采用=控制消除環(huán)流使整流裝置處于整流狀態(tài)。關(guān)鍵詞調(diào)速系統(tǒng)；自然環(huán)流；雙閉環(huán)Abstract Shaper is a tool using the reciprocating motion of workpiece cutting has been fixed in the machine tool working platform is

3、 used to machiningworkpiece. The slippery pillow with a knife, as planer straight-line reciprocating movement, named after the turret ram front resem- bles aminotaur.According to the working characteristics of shaper, requirements for motorboth

4、forward, and can reverse, and often also need afast start and brake,which requires electric drive system has the characteristics of four quadrant operation, which requires reversible speed control system.Reversible DC speed regulating system with

5、0;thyristor - motor system.Method: using two groups of thyristor rectifier reverse parallelimplementation of reversible operation of the system. However, if therectifier voltage two devices simultaneously, there will be no flow throughthe &

6、#160;load and short circuit current flow directly between the two groups ofthyris- tor, called circulation, increase the burden of thyristor and transformer, and even lead to thyristor damage. Using  =  control to elimin

7、ate the circulation to rectifying device inthe state of the rectification.Key wordsSpeed control system; natural circulation; double closed loopII目錄摘要IAbstractII前言1第一章 可逆直流調(diào)速系統(tǒng)11.1反并聯(lián)可逆線路11.2可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流問題11.2.1 =配合控制原理21.2.2 =配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)41.2.3 =配合控制有環(huán)流工作原理51.2.4自然環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的工

8、作過程6第二章 自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計72.1主電路原理及電路圖72.2主電機選擇72.3環(huán)流電抗器82.4整流變壓器的計算與選取82.4.1閥側(cè)向電壓計算92.4.2閥側(cè)向電流計算92.5整流電路晶閘管的計算與選擇92.6晶閘管觸發(fā)電路的選取10第三章 自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計123.1直流雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方法123.1.1系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)分析123.1.2系統(tǒng)設(shè)計步驟133.1.3系統(tǒng)參數(shù)計算133.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計153.2.1 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)153.2.2校驗近似條件163.2.3計算調(diào)節(jié)器的電阻電容163.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計173.3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)173

9、.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇183.3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇183.3.4 校驗近似條件及轉(zhuǎn)速超調(diào)量193.3.5計算調(diào)節(jié)器電阻電容20第四章 自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)保護電路設(shè)計214.1晶閘管保護電路設(shè)計214.1.1晶閘管過電壓保護214.1.2晶閘管過電流保護224.2電動機保護電路設(shè)計22結(jié)論23參考文獻24致謝25牛頭刨自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計前言直流電動機具有良好的起、制動性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。由于各種系統(tǒng)往往都通過控制

10、轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。因此研究直流電機的速度控制有著非常重要的意義。第一章 可逆直流調(diào)速系統(tǒng)1.1反并聯(lián)可逆線路在要求頻繁正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械上，采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路。正轉(zhuǎn)時由正組供電，反轉(zhuǎn)時由反組供電。但一般不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)1。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖1-1所示。圖1-1 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路1.2可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流問題 采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行和回饋

11、制動問題，但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流2，如圖1-2中所示的Ic。一般來說這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。圖1-2 反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流在不同情況下，會出現(xiàn)下列不同性質(zhì)的環(huán)流：（1）靜態(tài)環(huán)流：兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時出現(xiàn)的環(huán)流，其中又有兩類： 直流平均環(huán)流：由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓差所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流。 瞬時脈動環(huán)流：兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差雖為零，但因電壓波形不同，存在瞬時的電壓差，仍會產(chǎn)生脈動的

12、環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。（2）動態(tài)環(huán)流：僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過度過程中出現(xiàn)的環(huán)流。1.2.1 =配合控制原理如果讓正組晶閘管VF和反組晶閘管VR都處于整流狀態(tài)，正組整流電壓Udof和反組整流電壓Udor正負相連，將造成電源短路，此短路電流即為直流平均環(huán)流。當正組晶閘管VF處于整流狀態(tài)時，其整流電壓Udof=+，此時讓反組處于逆變狀態(tài)，輸出一個逆變電壓把它頂住，即讓Udor=-，而且幅值與Udof相等 。即Udof=-Udor因為Udof=UdofmaxcosfUdor=Udormaxcosr且由Udormax=Udofmax=Ud0max所以cosf=-cosr得f=180°-r=

13、r 按照這樣的條件來控制兩組晶閘管，可以消除直流平均環(huán)流。這叫做=工作制配合控制3。當然，如果f>r，則cosf<cosr，更能消除直流平均環(huán)流。因此消除直流平均環(huán)流的條件是：fr 。圖1-3 =配合控制移相特性GTF-正組觸發(fā)裝置 GTR-反組觸發(fā)裝置 AR-反號器圖1-4 = 配合控制電路1.2.2 =配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)=工作制配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖如圖1-5所示，圖中主電路采用兩組三相橋式晶閘管反并聯(lián)的可逆電路，控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR都設(shè)計了雙向輸出限幅，以限制最大制動電流和最小控制角min與最小

14、逆變角min。圖中的電流互感器采用霍爾變換器可以滿足這一要求。圖1-5 =配合控制的可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖晶閘管裝置輸出的電壓是脈動的，Udof和Udor的瞬時值并不相等。Udof>Udor時，產(chǎn)生正向瞬時值電壓差，從而產(chǎn)生瞬時環(huán)流4。抑制瞬時脈動環(huán)流的辦法是在環(huán)流中串入電抗器，叫做環(huán)流電抗器或稱均衡電抗器。 =配合控制下，可以消除直流平均環(huán)流，但是一定有瞬時環(huán)流存在，所以稱為有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中不施加其他的控制，則瞬時脈動環(huán)流是自然存在的，因此又稱為自然環(huán)流系統(tǒng)。 1.2.3 =配合控制有環(huán)流工作原理不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機只能朝一個方向旋轉(zhuǎn)。它適用于不要求改變電動機旋轉(zhuǎn)方向

15、，且對停車的快速性也沒有特殊要求的生產(chǎn)機械。但是在很多情況下都要求電動機能正、反轉(zhuǎn)，或者要求有電氣制動以縮短制動時間，如牛頭刨床工作臺的往返運動，此時必須采用可逆調(diào)速系統(tǒng)。所謂自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，是系統(tǒng)中沒有直流環(huán)流僅有脈動環(huán)流，按=配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。(直流平均環(huán)流：由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓差所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流。瞬時脈動環(huán)流：兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差雖為零，但因電壓波形不同，瞬時電壓差仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。) =配合控制下，可以消除直流平均環(huán)流，但是一定有瞬時環(huán)流存在，所以稱為有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中不施加其他的控制，則瞬時脈動環(huán)流是自

16、然存在的，因此又稱為自然環(huán)流系統(tǒng)。1.2.4自然環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的工作過程在進行觸發(fā)移相時，當一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)時，另一組便處于逆變狀態(tài)，這是指控制角的工作狀態(tài)而言的。實際上，這時逆變組除環(huán)流外并不流過負載電流，也就沒有電能回饋電網(wǎng)，確切地說，它是處于“待逆變狀態(tài)”，表示該組晶閘管裝置是在逆變角控制下等待工作。當需要制動時，只要改變控制角，同時降低Udof和Udor，一旦電動機的反電動勢E>Udof=Udor時，整流組電流將被截止，逆變組才能真正投入逆變狀態(tài)，使電動機產(chǎn)生回饋制動，將電能回饋電網(wǎng)。同樣，當逆變組回饋電能時，另一組也是在等待著整流，可稱為處于“待整流狀態(tài)”5。所

17、以，在這種=配合控制下，負載電流可以很方便地按正反兩個方向平滑過渡，在任何時候，實際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作的狀態(tài)。第二章 自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計2.1主電路原理及電路圖作為整流裝置電源用的變壓器稱為整流變壓器。一般的變壓器有整流跟變壓兩項功能,其中整流是把交流變直流。整流的過程中,采用三相橋式全控整流電路6。在三相橋式反并聯(lián)可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯(lián)的環(huán)流通道，總共要設(shè)置4個環(huán)流電抗器。主回路原理圖如圖2-1所示。VFVRABCabcM圖2-1 主電路原理圖可控整流的原理：當晶閘管的陽極和陰極之間承正向電壓并且門極加觸發(fā)信號晶閘管導(dǎo)通，并且去掉門極的

18、觸發(fā)信號晶閘管依然維持導(dǎo)通。當晶閘管的陽極和陰極之間承受反向電壓并且門極不管加不加觸發(fā)信號晶閘管關(guān)斷。晶閘管導(dǎo)通的條件：受正向陽極電壓，同時受正向門極電壓，一旦導(dǎo)通后，門極信號去掉后晶閘管仍導(dǎo)通。晶閘管維持導(dǎo)通的條件：繼續(xù)受正向陽極電壓，同時流過晶閘管的電流大于它的維持電流。晶閘管關(guān)斷條件：必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加一反電壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。2.2主電機選擇牛頭刨床的原動件運動形式為連續(xù)回轉(zhuǎn)，可以選擇的原動機為內(nèi)燃機、液壓馬達、氣動馬達和電動機。電動機的功率/重量比大，輸出剛度硬，單向回轉(zhuǎn)，噪聲小，初始成本低，運轉(zhuǎn)費用是各種原動機中最低的，

19、且維護要求較少，功率范圍非常廣。所以，綜合各方面條件，確定選擇電動機為原動件。 電動機又有各種類型，如交流異步電動機、直流電動機、交流變頻變速電動機、伺服電動機、步進電動機和力矩電動機等。直流電機具有較好的調(diào)速性能直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。而且具有較大的起動力矩?？梢跃鶆蚨?jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。根據(jù)牛頭刨床的工作特點選用ZT2系列廣調(diào)速直流電動機，該電機擁有廣泛調(diào)速的特點，其主要參數(shù)：輸出功率：7.5KW 額定電壓：220V額定電流：

20、50A 功率因數(shù)：0.85電樞電阻：0.1 電樞回路電感：100mH過載系數(shù)：1.5 飛輪力矩：5.9kg·m2額定轉(zhuǎn)速：1500nmin2.3環(huán)流電抗器為了抑制瞬脈動緩流，可在換流回路中串入電抗器，叫做環(huán)路電抗器。環(huán)流電抗器的大小可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量限制在負載額定電流的5%10%來設(shè)計。三相零式反并聯(lián)可逆線路必須在正反兩個回路中各設(shè)一個環(huán)流電抗器，因為其中總有一個電抗器會因流過直流負載而飽和，失去限流作用7。再三向橋式反并聯(lián)可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯(lián)的環(huán)流通道，總共要設(shè)置四個環(huán)流電抗器。L=0.693U210%In=30mH2.4整流變壓器的計算與選取整流變壓器是

21、直流調(diào)速系統(tǒng)中一種關(guān)鍵設(shè)備，其閥側(cè)向電壓選擇的又是一個影響系統(tǒng)性能的重要因素。電壓選得過高，將會使變壓器的容量不必要的加大而造成浪費。還會增加運行中的無功功率。選得過低，將影響系統(tǒng)的工作性能或使電動機的最高轉(zhuǎn)速達不到設(shè)計要求。通常在計算時要考慮以下三個因素：(1)電網(wǎng)電壓波動。一般要按規(guī)定容許的最低電網(wǎng)電壓來考慮。(2)電流變化時產(chǎn)生的壓降。一般按最大工作電流考慮。(3)最小延遲角min。2.4.1閥側(cè)相電壓計算當采用三相橋式整流電路并帶有轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速系統(tǒng)時，一般可按下面的公式來計算：不可逆系統(tǒng)：U2=0.951.0UN3可逆系統(tǒng)：U2=1.051.1UN3式中，UN為電動機額定電壓U2=1.

22、1UN3=139.7V取U2=150V。2.4.2閥側(cè)相電流計算整流變壓器閥側(cè)相電流可按下式計算：I2=KIVIN其中KIV=0.816（三相橋式）則I2=0.816×50=40.8A綜上變壓器容量S為：S=3U2I2=17.099KVA取S=20KVA。2.5整流電路晶閘管的計算與選擇（1）額定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓由于采用三相橋式整流電路，所以晶閘管承受的最大反向電壓：URM=6U2=539V其晶閘管與陰極間的最大正向電壓：UFM=1.5×2U2=466.62V考慮安全余量，電壓為：23URM=10781617V取URM=1700V。（2）電流額定由于晶閘管

23、是一種具有較少熱慣性的元件，在使用中要保證在任何條件下晶閘管的最高工作溫度都不得超過其允許的額定結(jié)溫。所選用的晶閘管應(yīng)留有一定的功率余量，其額定電流應(yīng)高于受控電路的最大工作電流1.52.0倍。當整流電路的電感足夠大，整流電流連續(xù)時，對于三相橋式整流電路，晶閘管的額定電流為：IVTAV=1.52×IN=100A根據(jù)計算所得參數(shù)及實際工作情況選取型號為KP200A的晶閘管。2.6晶閘管觸發(fā)電路的選取對三相橋式全控整流電路，六個晶閘管需要依次輪流觸發(fā)。為了確保實現(xiàn)每個晶閘管的準確導(dǎo)通，可采用兩種方法實現(xiàn)：一是提供寬度大于60°小于120°的寬脈沖，二是提供間隔60

24、76;的雙窄脈沖。前者需要觸發(fā)電路輸出較大的功率，進而使脈沖變壓器功率也相應(yīng)增大，所以很少采用，一般都采用雙窄脈沖8。由分立元件組成的晶閘管電路的觸發(fā)電路種類很多，有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及同步信號為正弦波以及同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路等，這些電路都有自己的特點和適用范圍。相比較而言，同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路由于不受電網(wǎng)波動和波形畸變的影響，同時具有較寬的調(diào)節(jié)范圍和較強的抗干擾能力，因而得到了廣泛應(yīng)用。此電路的輸出為雙窄脈沖(也可為單窄脈沖)，適用于必須有兩相的晶閘管同時導(dǎo)通才能形成通路的電路，例如本例中的晶閘管三相橋式全控電路。下圖所示為同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。它由5個

25、基本環(huán)節(jié)組成：鋸齒波形成與脈沖移相控制環(huán)節(jié)；同步檢測環(huán)節(jié)；脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)；雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)和強觸發(fā)環(huán)節(jié)。VT5、VT6兩個晶體管構(gòu)成一個“或”門電路，當兩個晶體管都導(dǎo)通時，VT7、VT8截止，不會輸出觸發(fā)脈沖。但不論哪個管子截止，都會使晶體管VT5集電極電壓uc5變?yōu)檎妷海沟肰T7、VT8管導(dǎo)通，從而輸出觸發(fā)脈沖。所以只要用適當?shù)男盘杹砜刂剖筕T5或VT6截止(前后間隔60°)，就可以產(chǎn)生符合要求的雙窄脈沖。1號觸發(fā)器內(nèi)由晶體管VT4向VT5的基極送出的負脈沖信號使VT5截止，VT7、VT8導(dǎo)通一次，對元件1 輸出第一個觸發(fā)窄脈沖。經(jīng)過60°后，2號觸發(fā)器同樣

26、對元件2送出第一個窄脈沖，同時由該觸發(fā)器中VT4管的集電極經(jīng)的X 端送到與之相連的1號觸發(fā)器的Y端，使1號觸發(fā)器電路中電容C4微分，產(chǎn)生負脈沖送至VT6基極，使VT6截止，VT7、VT8又導(dǎo)通一次，從而由1號觸發(fā)器輸出第二個窄脈沖，且第二個脈沖比第一個脈沖滯后60°。以下重復(fù)這樣的過程，循環(huán)反復(fù)，就會使得六個晶閘管都得到相隔60°的觸發(fā)脈沖。VD4、R17的作用是防止雙脈沖信號互相干擾。圖2-2 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路第三章 自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計電流環(huán)和速度環(huán)是雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的核心，這兩個環(huán)的品質(zhì)直接關(guān)系到調(diào)速系統(tǒng)的性能指標。設(shè)計環(huán)的方法很多，在此選擇

27、常用的工程設(shè)計方法，這是因為在現(xiàn)代的電力拖動控制系統(tǒng)中，除電機外，都是由慣性很小的電力電子器件、集成電路等組成，經(jīng)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以近似為低階系統(tǒng)9。3.1直流雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方法3.1.1系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，它增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 圖3-1 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Toi 電流反饋濾波時間常數(shù)Ton 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用可歸結(jié)如下幾點。速度調(diào)節(jié)器作用：(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小

28、轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；(2) 對負載變化起抗擾作用；(3) 其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用：(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。(2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。(3) 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。3.1.2系統(tǒng)設(shè)計步驟系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”。 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。(1) 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精

29、度。電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用典型I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇：為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，而且在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 (2) 設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，

30、以滿足動態(tài)性能指標的要求。(3) 調(diào)節(jié)器的工程實現(xiàn)。3.1.3系統(tǒng)參數(shù)計算已知電動機主要參數(shù)：輸出功率：7.5KW 額定電壓：220V額定電流：50A 功率因數(shù)：0.85電樞電阻：0.1 電樞回路電感：100mH過載系數(shù)：1.5 飛輪力矩：5.9kg·m2額定轉(zhuǎn)速：1500nmin電動機的電動勢系數(shù)：Ce=（Un-In·Ra）/n=0.1433V·min/r電動機轉(zhuǎn)矩常量：Cm=（30/）·Ce=1.362V·min/r電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)：Tm=（GD2R）/375CmCe=0.24s電樞回路電磁時間常數(shù)：Tl=L/R=0.03s電流反饋

31、系數(shù)：=101.5In=0.133速度反饋系數(shù)：=10n=0.007變流裝置采用三相橋式整流電路，晶閘管觸發(fā)整流裝置放大倍數(shù)：Ks=40 整流裝置滯后時間常數(shù)。按附錄表一中各種整流電路形式的失控時間，三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.0017s電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有12Toi=3.33ms，因此?。篢oi=2ms=0.02s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取：Ton=0.01s電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti。按小時間常數(shù)近似處理，?。篢i=Ts+Toi=0.0037s3.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.2.1 選擇電流調(diào)節(jié)

32、器結(jié)構(gòu)忽略反電動勢的影響，并把Tc和Toi當作小慣性群近似處理，電流內(nèi)環(huán)可化簡為如圖3-2。圖3-2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖簡化從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由上圖可以看出，采用 I型系統(tǒng)就夠了10。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為如圖3-3所示的典型形式。圖3-3 流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成：WAC

33、Rs=Kiis+1isKi 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇：i=Tl=0.03s電流開環(huán)增益：要求電流超調(diào)量i5%，取KITi=0.5，因此KI=0.5Ti=135.1s-1ACR比例系數(shù)為：Ki=KIiRKs=0.763.2.2校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1(1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：13Ts=13×0.0017s=196.1s-1>ci 滿足近似條件。(2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響：31Tm·Tl=35.3s-1<ci滿足近似條件。(3)

34、 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：131TsToi=1310.0017×0.002s-1=180.8s-1>ci滿足近似條件。3.2.3計算調(diào)節(jié)器的電阻電容取R0=40k，求得Ri=KiR0=30.4k取30k； Ci=i/Ri1F取1F；Coi=4Toi/R0=0.3F取0.3F。3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.3.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)：Wclis=IdsUi*s=KIsTis+11+KIsTis+1=1TiKIs2+1KIs+1忽略高次項，上式可降階近似為：Wcli(s)11KIs+1電流環(huán)等效時間常數(shù)為1

35、/KI。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 Un*(s)/a，再把時間常數(shù)為 1/KI 和Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，其中：Tn=1KI+Ton等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理，如圖3-4所示。圖3-4 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理3.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能

36、好的要求11。 由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：WASRs=Knns+1nsKn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞環(huán)數(shù)為：Wns=Knns+1nsRCeTms(Tns+1)=KnRns+1nCeTms2(Tns+1校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5 校正后的典型II型系統(tǒng)3.3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 已知KITi=0.5，則1KI=2Ti2×0.0037s0.0074s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton，取Ton=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn,取Tn=1/KI+Ton=0.0174s轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和n。n=h

37、Tn按跟隨和抗擾性能都較好原則，取h=5得 n=0.087s開環(huán)增益：KN=h+12h2Tn2=396.4s-2ASR比例系數(shù)：Kn=h+1CeTm2hRTn=7.513.3.4 校驗近似條件及轉(zhuǎn)速超調(diào)量轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：cn=KN1=KNn=34.5s-1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：13KITi=13135.10.0037s-1=63.7s-1>cn滿足近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：13KITon=13135.10.01s-1=38.7s-1>cn滿足近似條件。3.3.5計算調(diào)節(jié)器電阻電容取R0=40k，則Rn=KnR0=300k取Rn=300k；Cn=nRn=0.3F

38、取Cn=0.3F；Con=4TonR0=1F取Con=1F。超調(diào)量n=2CmaxCbnbn*=4.11%<10%第四章 自然環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)保護電路設(shè)計4.1晶閘管保護電路設(shè)計4.1.1晶閘管過電壓保護（1）過電壓產(chǎn)生的原因：操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過來。換相過電壓：由于晶閘管或者與全控器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復(fù)，而當其恢復(fù)了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或

39、與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。（2）過電壓保護電路：壓敏電阻保護：采用壓敏元件作為過電壓保護，其主要優(yōu)點在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有很微弱的電流通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時，壓敏電阻可通過高達數(shù)千伏的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低、體積小，對電壓反應(yīng)快等優(yōu)點。因此，是一種較好的過電壓保護元件，在各種變流裝置中被普遍采用。壓敏電阻的缺點在于：持續(xù)平均功率太小，如果選擇不當，在正常工作時將引起電壓超過其額定值而損壞，且損壞

40、時所產(chǎn)生的電弧往往波及鄰近的電器設(shè)備，造成故障擴大化，如圖4-1所示。圖4-1 壓敏電阻保護電路4.1.2晶閘管過電流保護（1）流產(chǎn)生的原因：晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類：一類是由于整流電路內(nèi)部原因，如整流晶閘管損壞，觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等；其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴重，一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿，造成無正、反向阻斷能力，它相當于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時，無法正常換流，因而產(chǎn)生線間短路引起過電流。另一類則是整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，這類情況時有發(fā)生，因為整流橋的負載實質(zhì)是逆變橋，逆變電路換流失敗，就相當于整流橋負載短路。另外，如整流變壓器中性點接地，當逆變負載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。（2）流保護電路：對于整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負載回路接地時，最常見的保護方式就是接入快速熔短器，如圖4-2所示。圖4-2 晶閘管過電流保護4.2電動機保護電路設(shè)計（1）短路保護：短路保護要求具有瞬動特性，即要求在很短時間內(nèi)切斷電源。當電動機正常起、制動時，短路保護裝置不應(yīng)誤動作。常用的方法：熔斷器（串接于被保護的電路中）或者使用低壓斷路器（2）過載保護：電動機工作電流超過其額定電流而使繞組發(fā)熱。常用的方法:熱繼