第二章直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1、第二章 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：1、系統(tǒng)總體方案的選擇。2、系統(tǒng)方案的實(shí)體設(shè)計(jì)，包括各種功能電路或部件的設(shè)計(jì)與選擇、 參數(shù)計(jì)算。3、系統(tǒng)各主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。4、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工程設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù) 選擇、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性指標(biāo)的計(jì)算。第一節(jié) 直流調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)方案的確定 一、系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求各類不同的生產(chǎn)機(jī)械，由于其具體生產(chǎn)工藝過(guò)程不同，因而對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提 出的技術(shù)指標(biāo)要求也就不會(huì)完全相同，而對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所提出的技術(shù)要求仍有 一 定的共同性， 一般可概括為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)， 并以此作為 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的根據(jù)。（一）調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)1. 調(diào)速范圍

2、 D2. 靜差率 s（ 二 ） 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)1. 跟隨性能指標(biāo)2 抗擾性能指標(biāo)二、電力拖動(dòng)方案及供電方案的確定和電動(dòng)機(jī)的選擇 方案選擇的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械工藝要求并確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下， 力求投 資少、效益高和操作方便。拖動(dòng)方案則主要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求來(lái)確定，它 直接關(guān)系到系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的優(yōu)劣，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。由于本章 主要討論晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 所以方案的確定實(shí)質(zhì)上就是晶閘 管（或功率晶體管）變流裝置主電路的接線方式和直流電動(dòng)機(jī) 的選擇兩個(gè)問(wèn)題。（一）晶閘管變流裝置主電路接線方式的選擇 晶閘管變流裝置在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能方面具有很大的優(yōu)越性，在世界各主要工業(yè)國(guó)

3、 家得到廣泛應(yīng)用。 晶閘管整流裝置可以是單相、 三相或更多相數(shù)， 有半波、全波、半控、全控等類型。各種整流電路的技術(shù) 性能和經(jīng)濟(jì)性能各不相同。單相晶閘管整流電路電壓脈動(dòng)大、脈動(dòng)頻率低。影響三相電網(wǎng)的平衡運(yùn)行，一般多用于 5KW以下的拖動(dòng)系統(tǒng)。5表2-2我國(guó)中小功率晶閘管整流裝置系列設(shè)計(jì)規(guī)格功率范 圍（kw）線路型號(hào)輸出電流（A）輸出電壓（V）進(jìn)線電源（V）冷卻方式0.4 4單相全控橋（不可逆）5110、 160單相220自冷0.4 4單相全控橋（有環(huán)流可逆）1025160單相220自冷5.5200三相全控橋（不可逆）50、80220、 4405.5200三相全控橋（無(wú)環(huán)流可逆）100、220、

4、 440125輸出電流為50、160、三相38080、100A時(shí)為自冷，其余為風(fēng)5.5200三相可控橋（有環(huán)流可逆）200220、 440冷。300、400500上述設(shè)計(jì)僅適于一般要求的拖動(dòng)系統(tǒng)，工作環(huán)境惡劣，過(guò)載倍數(shù)大于2.5的軋機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)所需晶閘管整流裝置則需按特殊要求條件另行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，晶閘管整流器主電路接線方式的選擇對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)說(shuō)也是非常重要的。確定主電路的接線方式必須考慮一下各種因素：1）電動(dòng)機(jī)的容量，即整流裝置的容量要保證電動(dòng)機(jī)容量的充分利用。2） 可控整流裝置所提供的整流電源的質(zhì)量?？煽卣餮b置的滯后時(shí)間 Ts過(guò)大, 會(huì)影響系統(tǒng)的快速性，即影響系統(tǒng)的

5、跟隨性能和抗擾性能指標(biāo)。可控整流裝置輸出 電壓波形脈動(dòng)程度大小，直接影響系統(tǒng)的調(diào)速性能和平波電抗器的投資。3）主電路的接線方式的選擇，也會(huì)影響整流變壓器繞組的利用率和變壓器鐵 芯是否直流磁化以及是否需要敷設(shè)零線等。4）拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)是否可逆運(yùn)行。5）對(duì)可逆調(diào)速系統(tǒng)還必須對(duì)環(huán)流控制方案綜合予以考慮。表2-3示出了調(diào)壓調(diào)速用的可控直流電源的各種接線方式及其指標(biāo)，可供整流 裝置設(shè)計(jì)時(shí)選用參考。表2-3調(diào)壓調(diào)速的各種接線方式及其指標(biāo)接線方式 指標(biāo)單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋適用調(diào)速范圍10 : 1以下10 : 1以下10 : 1以下10 : 1以下50 : 1以下最大調(diào)節(jié)滯后時(shí)間（ms

6、）10106.66.66.6可逆或不可逆，可組成可組成不可逆，可組成不可逆不能逆變逆變電路逆變電路不能逆變逆變電路輸岀形波差差比單相好較好好適用功率范圍（KW）1以下5以下2030以下100以下100 1000（三）直流電機(jī)的選擇二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式（一）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U保持電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)為額定，改變電樞供電電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)基速以下的轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。對(duì)于要求有一定范圍的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此種方式最 為常見(jiàn)。（二）減弱勵(lì)磁磁通保持電動(dòng)機(jī)端電壓為額定，改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)基速以上的轉(zhuǎn) 7速無(wú)級(jí)調(diào)速，即恒功率調(diào)速。此種方式雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往 與調(diào)壓方

7、式配合使用，在基速以上作小范圍的升速。有些晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，為了擴(kuò)大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，又能充分利用電動(dòng) 機(jī)的容量，就需要采用調(diào)壓和弱磁配合調(diào)速的方案，得到電動(dòng)機(jī)在基速上下兩個(gè)區(qū) 域的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，如初軋機(jī)主傳動(dòng)、連軋機(jī)以及龍門(mén)刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)，均可采用這種 帶有弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。第二節(jié) 直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的確定 直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案， 主要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體工藝要求和對(duì)控制系統(tǒng)提出 的動(dòng)態(tài)技術(shù)性能，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)來(lái)確定。在生產(chǎn)實(shí)際中，各種不同類型 的生產(chǎn)機(jī)械，由于其生產(chǎn)要求和工藝特點(diǎn)不同，因而對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的控制要求和 靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求側(cè)重點(diǎn)就有所不同，故控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

8、形式也隨之有 很大差別。下面僅就設(shè)計(jì)控制方案的一般原則和應(yīng)考慮的問(wèn)題予以說(shuō)明。1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中所提出的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求，確定采用開(kāi)環(huán)控制，還是 閉環(huán)控制。由于開(kāi)環(huán)控制其機(jī)械特性軟，所能提供的調(diào)速范圍小，往往不能滿足穩(wěn) 態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求，所以生產(chǎn)實(shí)際中一般都采用閉環(huán)控制方式。2）如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性沒(méi)有嚴(yán)格要求，則可采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)，或 者帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋控制方式，并引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)以限制起動(dòng)和 堵轉(zhuǎn)電流過(guò)大。根據(jù)系統(tǒng)中使用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（P或PI）的不同，可設(shè)計(jì)成單閉環(huán)有靜差或無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。3）若生產(chǎn)機(jī)械對(duì)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)都有較嚴(yán)格的要求，而對(duì)減速調(diào)節(jié) 和停車(chē)制動(dòng)要求

9、不高，則許采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)器型 式的選擇和參數(shù)整定，滿足調(diào)速要求。如造紙機(jī)和紡織機(jī)械之類的分布傳動(dòng)系統(tǒng)， 主要要求對(duì)于電網(wǎng)電壓波動(dòng)有較強(qiáng)的抗擾能力。 對(duì)于數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)， 則要求靜、 動(dòng)態(tài)速降盡可能小，調(diào)速范圍較寬，且起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程要快。這些均可采用雙閉環(huán) 結(jié)構(gòu)的控制方式。4）有些生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行，而某些生產(chǎn)機(jī)械雖然不要求可逆 運(yùn)行，但要求電動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)迅速的減速或制動(dòng)控制，則系統(tǒng)應(yīng)采用可逆控制方案。 可逆控制線路應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的供電方式及兩套變流裝置的環(huán)流控制方案來(lái) 確定（詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱有關(guān)書(shū)籍） 。直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)方向，由磁場(chǎng)和電樞供電電壓的

10、極性決定。磁場(chǎng)方向不變， 改變電樞電壓的極性實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，叫電樞可逆系統(tǒng)；電樞電壓極性不變， 改變勵(lì)磁電流方向?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，叫磁場(chǎng)可逆系統(tǒng)。磁場(chǎng)可逆系統(tǒng)可節(jié)省設(shè) 備投資，但系統(tǒng)的快速性差，控制系統(tǒng)較復(fù)雜。因此，在確定控制線路時(shí)，要充分考慮上述各方案的特點(diǎn)，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào) 速系統(tǒng)靜，動(dòng)態(tài)性能的要求，仔細(xì)比較，推敲各種控制方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避 短，擇優(yōu)選用。如軋鋼廠的可逆軋機(jī)和金屬切削機(jī)床中的龍門(mén)刨床等，經(jīng)常處于起 動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的過(guò)渡過(guò)程中，系統(tǒng)要求起動(dòng)、制動(dòng)和反向要快，承受負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)， 靜、動(dòng)態(tài)速降要小。這類系統(tǒng)就要求按快速可逆系統(tǒng)去考慮。又如直流電梯、礦井 提升機(jī)、高爐卷?yè)P(yáng)

11、等一類起重機(jī)械，主要是要求系統(tǒng)起、制動(dòng)過(guò)程很平穩(wěn)，其控制 方案應(yīng)從系統(tǒng)的平穩(wěn)性去考慮。5）如果生產(chǎn)機(jī)械要求具有很寬廣的調(diào)速范圍，則可采用調(diào)壓和弱磁調(diào)速相配 合，控制方式采取非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。6）某些生產(chǎn)機(jī)械要求限制系統(tǒng)加、減速度，則應(yīng)考慮通過(guò)給定積分器或函數(shù) 發(fā)生器提供速度給定信號(hào)，而不宜用階躍給定。7）如要求系統(tǒng)建立電壓約束或電流變化率約束條件，改造調(diào)節(jié)對(duì)象特性，使 系統(tǒng)具有更為理想的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可采用串級(jí)聯(lián)接的三環(huán)控制方案。8）某些生產(chǎn)機(jī)械對(duì)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能有很高的要求，應(yīng)考慮采用復(fù)合控制 方案或串聯(lián)校正與并聯(lián)校正配合控制。99）確定控制方案時(shí)必須注意對(duì)各種信號(hào)（如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等）的檢測(cè)及檢測(cè)元件的精度要求等。并從系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)方面可提供的各種保護(hù)措施進(jìn)行