三機(jī)架冷連軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、三機(jī)架冷連軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化指導(dǎo)教師：李京完成時(shí)間：2016.9目錄第一章 課程設(shè)計(jì)概述11.1設(shè)計(jì)背景及目的11.2設(shè)計(jì)要求1第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)32.1現(xiàn)行方案的討論與比較32.2晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))42.3無(wú)環(huán)流控制的可逆晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)52.4轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)62.5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)6第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)83.1勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)83.2電機(jī)主電路的設(shè)計(jì)93.3電力電子變換電路的設(shè)計(jì)9第四章 直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)104.1速度調(diào)節(jié)器104.2電流調(diào)節(jié)器104.3電流反饋與過(guò)流保護(hù)114.4轉(zhuǎn)速變換134.5轉(zhuǎn)矩極

2、性鑒別144.6零電平檢測(cè)154.7邏輯控制15第五章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)175.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備175.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)185.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)20第六章 電路元件選擇與參數(shù)計(jì)算236.1 變壓器236.2 晶閘管236.3 晶閘管保護(hù)措施236.4 平波電控器24第七章 心得體會(huì)24第一章 課程設(shè)計(jì)概述1.1設(shè)計(jì)背景及目的運(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)和理論分析和解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，是學(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)及正確使用

3、技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等工具書(shū)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的能力。軋機(jī)控制的核心是板形和厚度控制。要達(dá)到良好的板形和保證可接受的厚度公差，軋機(jī)就必須保證良好的速度、張力的穩(wěn)定性。在控制方式上，主機(jī)的速度控制，給整個(gè)軋機(jī)提供穩(wěn)定的線速度基準(zhǔn)。開(kāi)卷機(jī)和卷曲機(jī)為恒張力控制。速度設(shè)定由主操作手在操作臺(tái)控制，控制信號(hào)傳送到各個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，速度設(shè)定是以主機(jī)為線速度基準(zhǔn)，計(jì)算減速箱速比以及傳動(dòng)輥工作輥輥徑，可以得出電機(jī)每分鐘需要的轉(zhuǎn)速是多少。根據(jù)控制功能，具有正反點(diǎn)動(dòng)功能，用于穿帶及斷帶處理。按照線速度同步的原則計(jì)算轉(zhuǎn)速分配給傳動(dòng)系統(tǒng)。張力控制

4、在冷軋行業(yè)是個(gè)必須面對(duì)和正確處理的問(wèn)題，在整個(gè)軋制過(guò)程中至關(guān)重要。本文基于三機(jī)架冷連軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)邏輯無(wú)環(huán)流控制系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電機(jī)的速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，論述不同方案的區(qū)別并選擇適合的方案。再分步對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行詳盡的設(shè)計(jì)說(shuō)明、其中包括設(shè)計(jì)原理、參數(shù)計(jì)算和器的選擇。1.2設(shè)計(jì)要求(一)軋機(jī)工藝及對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的要求：1、軋機(jī)用途：軋制紫銅、合金條材，將厚度為2.5-6.0mm扎成成品厚度為1.0-2.5mm。2、設(shè)備配置：1234來(lái)料5+6789圖2-1中：1、2、3-主工作架，4-卷取機(jī)，5-減速機(jī)6、7、8-工作要架主電

5、機(jī)，9-卷宗取機(jī)電動(dòng)機(jī)3、生產(chǎn)工藝對(duì)電力拖動(dòng)的要求：(1)啟動(dòng)到給料速度到規(guī)定速度制動(dòng)到給料速度停止。(2)機(jī)架速度自動(dòng)保持不變，機(jī)架間張力自動(dòng)保持不變。(3)各機(jī)架可單獨(dú)起、制動(dòng)和聯(lián)合起制動(dòng)。(4)可以用任何軋制速度。直到電動(dòng)機(jī)的極限值。(5)連軋機(jī)除正常停機(jī)外，還應(yīng)有快速停車。(6)在連軋過(guò)程中或在過(guò)渡過(guò)程中，卷取機(jī)和第三機(jī)架的條材的張力應(yīng)保持不變。(7)當(dāng)斷帶時(shí)，能自動(dòng)限制卷取機(jī)的速度。軋機(jī)因事故停止時(shí)，卷取機(jī)也應(yīng)停止。(二)設(shè)計(jì)要求：1、三臺(tái)主工作機(jī)架的主電機(jī)參數(shù)及要求均一樣，只設(shè)計(jì)一臺(tái)控制系統(tǒng)就行。2技術(shù)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量，空載起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，能實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。

6、（三）直流電機(jī)參數(shù)：Pnom=550KW,Unom=750V,Inom=780A,nnom=370r/min,Ce=1.19V.min/r,R=0.1,GD²=783.5N.m²,允許電流過(guò)載倍數(shù)=1.5。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓：改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但需要大容量可調(diào)直流電源。(2)改變電動(dòng)機(jī)主磁通：改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但

7、只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。𝐼變化遇到的時(shí)間常數(shù)同調(diào)壓方式電流變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。(3)改變電樞回路電阻R𝑎：在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對(duì)于要求在一

8、定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：(1)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。由交流電動(dòng)機(jī)(異步機(jī)或同步機(jī))拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流𝑖a即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)。(2)靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流器，獲得可調(diào)的直流電

9、壓。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)裝置的相位，即可改變整流平均電壓,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離心變流拖動(dòng)裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)型和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。(3)直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。采用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器(PWM)控制。2.2晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))圖2-2給出了晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的基本原理圖，圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位

10、，即可改變平均整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組及離心拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有提高，而在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接電子控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流裝置是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。圖2-2晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的基本原理圖晶閘管直流裝置也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難，必須采用正、反兩組全控整流電路。其二，晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的du/dt與di/dt

11、都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞器件，因此必須有可靠的保護(hù)電路和符合要求的散熱條件，而在選擇器件時(shí)還應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。2.3無(wú)環(huán)流控制的可逆晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在有環(huán)流系統(tǒng)中，雖然其具有反向快、過(guò)度平滑等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅。因此，對(duì)于大容量的系統(tǒng)，從機(jī)器生產(chǎn)可靠性出發(fā)，常采用既沒(méi)有直流平均環(huán)流又沒(méi)有瞬間脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路（硬件）或邏輯算法（軟件）去封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流

12、的通路，這就是邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理圖如圖所示：圖2-3邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路；由于沒(méi)有環(huán)流，不用設(shè)置環(huán)流電抗仍保留平波電抗器Ld，以保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形連續(xù)；控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設(shè)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，1ACR用來(lái)控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR。1ACR的給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR作為2ACR的給定信號(hào)，因此電流反饋信號(hào)的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測(cè)方法。為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無(wú)環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，這是系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它按照系

13、統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行正、反組的自動(dòng)切換，其輸出信號(hào)Ubl來(lái)控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開(kāi)放，Ublr用來(lái)控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開(kāi)放。2.4轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-4轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)大大減少轉(zhuǎn)速降落。閉環(huán)控制系統(tǒng)的代價(jià)是：增加放大器和轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件。2.5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求

14、快速起動(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。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。實(shí)際中往往希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸人端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。因此，本設(shè)計(jì)中采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)

15、接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示。這就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，其原理如圖2-5-1所示。圖2-5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器TG測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器GT電力電子變換器圖2-5-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖RASRACR1/CeId+-UnUiUi*+-Uc-nKsUd0+Un*圖2-5-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)

16、結(jié)構(gòu)框圖第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)主電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，為了保證冷連軋機(jī)的卷取機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的正反運(yùn)行特性，則需要設(shè)計(jì)可逆的調(diào)速系統(tǒng)，采用六個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)的問(wèn)題。3.1勵(lì)磁電流的設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路由三相Y變壓器接電網(wǎng)供電。變壓器分別給電動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁回路供電，勵(lì)磁回路采用不可控的二級(jí)管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。如圖所示，直流調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)勵(lì)磁回路電路圖。VDC圖3-1直流調(diào)速系統(tǒng)勵(lì)磁回路三相變壓器主回路的接法能夠消除電網(wǎng)中主要存在的三次諧波，防止三次諧波流到副邊。勵(lì)磁回路輸出電壓為

17、220V而三相不可控整流輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為Ud=2.34U2。3.2電機(jī)主電路的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)回路也由三相Y變壓器接電網(wǎng)供電，經(jīng)三相晶閘管整流得到直流電流向電動(dòng)機(jī)供電。如圖3-2所示，直流電動(dòng)機(jī)回路電路圖。圖3-2直流電動(dòng)機(jī)回路電路圖圖中主回路中都連接了熔斷器對(duì)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，當(dāng)回路中電流過(guò)大時(shí)熔斷器熔斷主電路斷開(kāi)設(shè)備得到保護(hù)。當(dāng)起動(dòng)按鈕按下時(shí)接觸器KM得電，起動(dòng)自鎖開(kāi)關(guān)合上防止起動(dòng)按鈕誤動(dòng)作造成電路斷電。同時(shí)主回路中接觸器KM合上，主電路接通。圖中TA1和TA2為電流互感器，用于檢測(cè)電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的過(guò)流保護(hù)及電流反饋環(huán)節(jié)的電流檢測(cè)。電流互感器均采用星形接線方式，對(duì)各種短路故障均

18、起作用。電流互感器的選取由主回路中的電流值決定。而變壓器副邊連接的三相阻容負(fù)載用于平衡負(fù)載濾除副邊電網(wǎng)中的諧波的作用。其參數(shù)的選擇可根據(jù)所要濾除的諧波決定。3.3電力電子變換電路的設(shè)計(jì)電力電子變換器UPE采用三相橋式晶閘管連接方式，分為正組和反組兩套整流橋。具體結(jié)構(gòu)如右圖所示。晶閘管三相橋式可控電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為Ud=2.34U2cos。第四章 直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)控制回路主要功能是通過(guò)邏輯無(wú)環(huán)流控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定地運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，并保證控制系統(tǒng)的實(shí)用性使得對(duì)系統(tǒng)控制變得易于操作。控制電路主要包括速度環(huán)、電流環(huán)及無(wú)環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)電路。4.1速度調(diào)

19、節(jié)器速度調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器、輸入與反饋環(huán)節(jié)及二極管限幅環(huán)節(jié)組成，對(duì)給定和反饋兩個(gè)輸入量進(jìn)行加法、減法、比例、積分和微分等運(yùn)算。其原理如圖4-1所示：圖4-1速度調(diào)節(jié)器在圖中“1、2、3”端為信號(hào)輸入端，二極管VD1和VD2起運(yùn)放輸入限幅，保護(hù)運(yùn)放的作用。二極管VD3、VD4和電位器RP1、RP2組成正負(fù)限幅可調(diào)的限幅電路。由C1、R3組成微分反饋校正環(huán)節(jié)，有助于抑制振蕩，減少超調(diào)。R7、C5組成速度環(huán)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。改變R7的阻值改變了系統(tǒng)的放大倍數(shù)，改變C5的電容值改變了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。RP3為調(diào)零電位器。4.2電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器、限幅電路、互補(bǔ)輸出、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)及反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)等

20、環(huán)節(jié)組成，工作原理基本上與速度調(diào)節(jié)器相同。電流調(diào)節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器相比，增加了幾個(gè)輸入端，其中“3”端接推信號(hào)，當(dāng)主電路輸出過(guò)流時(shí)，電流反饋與過(guò)流保護(hù)的“3”端輸出一個(gè)推信號(hào)（高電平）信號(hào)，擊穿穩(wěn)壓管，正電壓信號(hào)輸入運(yùn)放的反向輸入端，使調(diào)節(jié)器的輸出電壓下降，使角向180度方向移動(dòng)，使晶閘管從整流區(qū)移至逆變區(qū)，降低輸出電壓，保護(hù)主電路。“5、7”端接邏輯控制器的相應(yīng)輸出端，當(dāng)有高電平輸入時(shí)，擊穿穩(wěn)壓管，三極管V4、V5導(dǎo)通，將相應(yīng)的輸入信號(hào)對(duì)地短接。在邏輯無(wú)環(huán)流實(shí)驗(yàn)中“4、6”端同為輸入端，其輸入的值正好相反，如果兩路輸入都有效的話，兩個(gè)值正好抵消為零，這時(shí)就需要通過(guò)“5、7”端的電壓輸入來(lái)控制。

21、圖4-2電流調(diào)節(jié)器4.3電流反饋與過(guò)流保護(hù)本單元有兩個(gè)功能，一是檢測(cè)主電源輸出的電流反饋信號(hào)，二是當(dāng)主電源輸出電流超過(guò)某一設(shè)定值時(shí)發(fā)出過(guò)流信號(hào)切斷電源。TA1,TA2,TA3為電流互感器的輸出端，它的電壓高低反映三相主電路輸出的電流大小，面板上的三個(gè)園孔均為觀測(cè)孔，不需再外部進(jìn)行接線，只要將DJK04掛件的十芯電源線與插座相連接，那么TA1、TA2、TA3就與屏內(nèi)的電流互感器輸出端相連，當(dāng)打開(kāi)掛件電源開(kāi)關(guān)，過(guò)流保護(hù)即處于工作狀態(tài)。圖4-3電流反饋與過(guò)流保護(hù)原理圖(1)電流反饋與過(guò)流保護(hù)的輸入端TA1、TA2、TA3，來(lái)自電流互感器的輸出端，反映負(fù)載電流大小的電壓信號(hào)經(jīng)三相橋式整流電路整流后加至

22、RP1、RP2、及R1、R2、VD7組成的3條支路上，其中:R2與VD7并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，在其中點(diǎn)取零電流檢測(cè)信號(hào)從1腳輸出，供零電平檢測(cè)用。當(dāng)電流反饋的電壓比較低的時(shí)候，“1”端的輸出由R1、R2分壓所得，VD7截止。當(dāng)電流反饋的電壓升高的時(shí)候，“1”端的輸出也隨著升高，當(dāng)輸出電壓接接近0.6V左右時(shí)，VD7導(dǎo)通，使輸出始終保持在0.6V左右。將RP1的滑動(dòng)抽頭端輸出作為電流反饋信號(hào)，從“2”端輸出，電流反饋系數(shù)由RP1進(jìn)行調(diào)節(jié)。RP2的滑動(dòng)觸頭與過(guò)流保護(hù)電路相連，調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)過(guò)流動(dòng)作電流的大小。(2)當(dāng)電路開(kāi)始工作時(shí)，由于電容C2的存在，V3先與V2導(dǎo)通，V3的集電極低電位，V4截止

23、，同時(shí)通過(guò)R4、VD8將V2基極電位拉低，保證V2一直處于截止?fàn)顟B(tài)。(3)當(dāng)主電路電流超過(guò)某一數(shù)值后，RP2上取得的過(guò)流電壓信號(hào)超過(guò)穩(wěn)壓管V1的穩(wěn)壓值，擊穿穩(wěn)壓管，使三極管V2導(dǎo)通，從而V3截止，V4導(dǎo)通使繼電器K動(dòng)作，控制屏內(nèi)的主繼電器掉電，切斷主電源，掛件面板上的聲光報(bào)警器發(fā)出告警信號(hào)，提醒操作者實(shí)驗(yàn)裝置已過(guò)流跳閘。調(diào)節(jié)RP2的抽頭的位置，可得到不同的電流報(bào)警值。(4)過(guò)流的同時(shí)，V3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，在集電極產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)從“3”端輸出，作為推信號(hào)供電流調(diào)節(jié)器使用。(5)SB為解除過(guò)流記憶的復(fù)位按鈕，當(dāng)過(guò)流故障己經(jīng)排除，則須按下SB以解除記憶，才能恢復(fù)正常工作。當(dāng)過(guò)流動(dòng)作后，電源通過(guò)S

24、B、R4、VD8及C2維持V2導(dǎo)通，V3截止、V4導(dǎo)通、繼電器保持吸合，持續(xù)告警。只有當(dāng)按下SB后，V2基極失電進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，V3導(dǎo)通、V4截止，電路才恢復(fù)正常。4.4轉(zhuǎn)速變換轉(zhuǎn)速變換用于有轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)中，它將反映轉(zhuǎn)速變化并與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)變換成適用于控制單元的電壓信號(hào)。圖4-4速度變換圖使用時(shí)，將電壓輸出端接至轉(zhuǎn)速變換的輸入端“1”和“2”。輸入電壓經(jīng)R1和RP1分壓，調(diào)節(jié)電位器RP1可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖4-4-1電壓給定原理圖電壓給定由兩個(gè)電位器RP1、RP2及兩個(gè)鈕子開(kāi)關(guān)S1、S2組成。S1為正、負(fù)極性切換開(kāi)關(guān)，輸出的正、負(fù)電壓的大小分別由RP1、RP2來(lái)調(diào)節(jié)，其輸出電壓范

25、圍為0士l5V，S2為輸出控制開(kāi)關(guān)，打到“運(yùn)行”側(cè)，允許電壓輸出，打到“停止”側(cè)，則輸出為零。按以下步驟撥動(dòng)S1、S2，可獲得以下信號(hào)：(1)將S2打到“運(yùn)行”側(cè)，S1打到“正給定”側(cè)，調(diào)節(jié)RP1使給定輸出一定的正電壓，撥動(dòng)S2到“停止”側(cè)，此時(shí)可獲得從正電壓突跳到0V的階躍信號(hào)，再撥動(dòng)S2到“運(yùn)行”側(cè)，此時(shí)可獲得從0V突跳到正電壓的階躍信號(hào)。(2)將S2打到“運(yùn)行”側(cè)，S1打到“負(fù)給定”側(cè)，調(diào)節(jié)RP2使給定輸出一定的負(fù)電壓，撥動(dòng)S2到“停止”側(cè)，此時(shí)可獲得從負(fù)電壓突跳到0V的階躍信號(hào)，再撥動(dòng)S2到“運(yùn)行”側(cè)，此時(shí)可獲得從0V突跳到負(fù)電壓的階躍信號(hào)。(3)將S2打到“運(yùn)行”側(cè)，撥動(dòng)S1，分別調(diào)

26、節(jié)RP1和RP2使輸出一定的正負(fù)電壓，當(dāng)S1從“正給定”側(cè)打到“負(fù)給定”側(cè)，得到從正電壓到負(fù)電壓的跳變。當(dāng)S1從“負(fù)給定”側(cè)打到“正給定”側(cè)，得到從負(fù)電壓到正電壓的跳變。元件RP1、RP2、S1及S2均安裝在掛件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流數(shù)字電壓表指示輸出電壓值。要注意的是不允許長(zhǎng)時(shí)間將輸出端接地，特別是輸出電壓比較高的時(shí)候，可能會(huì)將RP1、RP2損壞。4.5轉(zhuǎn)矩極性鑒別轉(zhuǎn)矩極性鑒別為一電平檢測(cè)器，用于檢測(cè)控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩極性的變化。它是一個(gè)由比較器組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將控制系統(tǒng)中連續(xù)變化的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯運(yùn)算所需的“0”、“1”電平信號(hào)。其原理圖如圖4-5-1所示。轉(zhuǎn)矩極性鑒

27、別器的輸入輸出特性如圖4-5-2所示，具有繼電特性。調(diào)節(jié)運(yùn)放同相輸入端電位器RP1可以改變繼電特性相對(duì)于零點(diǎn)的位置。繼電特性的回環(huán)寬度為:Uk=Usr2一Usr1=K1(Uscm2一Uscm1)式中，K1為正反饋系數(shù)，K1越大，則正反饋越強(qiáng)，回環(huán)寬度就越??；Usr2和Usr1分別為輸出由正翻轉(zhuǎn)到負(fù)及由負(fù)翻轉(zhuǎn)到正所需的最小輸入電壓；Uscm1和Uscm2分別為反向和正向輸出電壓。邏輯控制系統(tǒng)中的電平檢測(cè)環(huán)寬一般取0.20.6V，環(huán)寬大時(shí)能提高系統(tǒng)抗干擾能力，但環(huán)太寬時(shí)會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作遲鈍。圖4-5-1轉(zhuǎn)矩極性鑒別原理圖圖4-5-2轉(zhuǎn)矩極性鑒別器特性4.6零電平檢測(cè)零電平檢測(cè)器也是一個(gè)電平檢測(cè)器，其工

28、作原理與轉(zhuǎn)矩極性鑒別器相同，在控制系統(tǒng)中進(jìn)行零電流檢測(cè)，當(dāng)輸出主電路的電流接近零時(shí)，電平檢測(cè)器檢測(cè)到電流反饋的電壓值也接近零，輸出高電平。其原理圖和輸入輸出特性分別如圖4-6-1和圖4-6-2所示。圖4-6-1零電平檢測(cè)器原理圖4-6-2零電平檢測(cè)器輸入輸出特性4.7邏輯控制邏輯控制用于邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，其作用是對(duì)轉(zhuǎn)矩極性和主回路零電平信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，切換加于正橋或反橋晶閘管整流裝置上的觸發(fā)脈沖，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)環(huán)流運(yùn)行。其原理圖如圖4-7所示。其主要由邏輯判斷電路、延時(shí)電路、邏輯保護(hù)電路、推b電路和功放電路等環(huán)節(jié)組成。圖4-7邏輯控制器原理圖(1)邏輯判斷環(huán)節(jié)邏輯判斷環(huán)節(jié)的任務(wù)是根

29、據(jù)轉(zhuǎn)矩極性鑒別和零電平檢測(cè)的輸出UM和UI狀態(tài)，正確地判斷晶閘管的觸發(fā)脈沖是否需要進(jìn)行切換(由UM是否變換狀態(tài)決定)及切換條件是否具備(由UI是否從“0”變“1”決定)。即當(dāng)UM變號(hào)后，零電平檢測(cè)到主電路電流過(guò)零(UI=“1”)時(shí)，邏輯判斷電路立即翻轉(zhuǎn)，同時(shí)應(yīng)保證在任何時(shí)刻邏輯判斷電路的輸出UZ和UF狀態(tài)必須相反。(2)延時(shí)環(huán)節(jié)要使正、反兩組整流裝置安全、可靠地切換工作，必須在邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)中的邏輯判斷電路發(fā)出切換指令UZ或UF后，經(jīng)關(guān)斷等待時(shí)間t1（約3ms）和觸發(fā)等待時(shí)間t2(約lOms)之后才能執(zhí)行切換指令，故設(shè)置相應(yīng)的延時(shí)電路，延時(shí)電路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延時(shí)作用，V

30、D3、VD4、C3、C4起t2的延時(shí)作用。(3)邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)也稱為“多一”保護(hù)環(huán)節(jié)。當(dāng)邏輯電路發(fā)生故障時(shí)，UZ、UF的輸出同時(shí)為“1”狀態(tài)，邏輯控制器的兩個(gè)輸出端Ulf和Ulr全為“0”狀態(tài)，造成兩組整流裝置同時(shí)開(kāi)放，引起短路和環(huán)流事故。加入邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)后。當(dāng)UZ、UF全為“1”狀態(tài)時(shí)，使邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)輸出A點(diǎn)電位變?yōu)椤?”，使Ulf和Ulr都為高電平，兩組觸發(fā)脈沖同時(shí)封鎖，避免產(chǎn)生短路和環(huán)流事故。(4)功放電路由于與非門輸出功率有限，為了可靠的推動(dòng)Ulf、Ulr,故增加了V3、V4組成的功率放大級(jí)。第五章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，所以兩個(gè)調(diào)節(jié)器都

31、采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1所示。a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；b電流反饋系數(shù)；ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR電流調(diào)節(jié)器；為晶閘管觸發(fā)整流裝置的電壓放大系數(shù)；為電樞回路總電阻；為電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；為電樞電流。其中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，也就限制了電動(dòng)機(jī)的最大起動(dòng)電流。5.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)的取轉(zhuǎn)速給定為，ASR輸出的限幅值為，ACR輸出的限幅值為。晶閘管放大系數(shù)為。圖5-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1系統(tǒng)固

32、有參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常量為Pnom=550KW, Unom=750V, Inom=780A, nnom=370r/min, Ce=1.19V.min/r,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常量為𝐶𝑚=9.55𝐶𝑒=9.55×1.19=11.36Nm/A機(jī)電時(shí)間常數(shù)為Tm=GD2R375CmCe=783.5×0.1375×11.36×1.19=0.015s電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)為Tl=LR=0.0130.1=0.13s2預(yù)先設(shè)定反饋參數(shù)調(diào)節(jié)器輸入回路電阻電流反饋系數(shù)為=Uim*Idm=Uim*IN=101170=

33、0.0085V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為5.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1確定時(shí)間常數(shù)1)整流裝置之后時(shí)間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。2)電流濾波時(shí)間常數(shù)：三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取。3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和：按小時(shí)間常數(shù)近似處理。取2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保障穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I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，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為，式中為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)

34、間常數(shù)：。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求，取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=KIiRKs=135.1×0.13×0.140×0.0085=5.174校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：（1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件31TmTl=3×10.015s×0.13s=67.9s-1<ci滿足近似條件。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖5-2所示。按照已經(jīng)設(shè)定的，各電阻和電容值為按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)

35、態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。圖5-2電流調(diào)節(jié)器5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1確定時(shí)間常數(shù)1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。已取，則2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)。式中Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn為轉(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)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)為得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為于是，ASR的比例系數(shù)為4校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容給定濾波和反饋濾波

36、的模擬式PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5-4所示。按照已經(jīng)設(shè)定的，各電阻和電容值為6校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查附表3得,不能滿足。實(shí)際上，附表3是按線性系統(tǒng)計(jì)算的超調(diào)量，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，具有飽和非線性特性。所以，應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，查附表2得：進(jìn)行可見(jiàn)滿足轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求。圖5-6速度調(diào)節(jié)器電路圖第六章 電路元件選擇與參數(shù)計(jì)算6.1 變壓器 整流變壓器采用三相橋整流，對(duì)這樣的可逆系統(tǒng)有： 𝑈v= 1.051.10 UMN / 3=1.05× 750/ 3=454.7V又整流電流 𝐼v=0.816× IdN =0.816×780=636.48A所以，副方變壓器容量為: 𝑆2=3𝑈v