課程設(shè)計850mm六輥可逆冷軋機開卷機直流調(diào)速系統(tǒng)

1、摘 要此次課程設(shè)計題目850mm六輥可逆冷軋機開卷機直流調(diào)速系統(tǒng)，核心落在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，是基于本學期所學課程電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)的一次學以致用的深入拓展。本文針對直流調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)速設(shè)計。盡管近年來，電力電子變換器中以晶閘管為主的可控器件已經(jīng)逐步被功率開關(guān)器件所替代；伴隨著變換技術(shù)由相位控制轉(zhuǎn)向脈寬調(diào)制（PWM）；交流可調(diào)拖動系統(tǒng)正逐步取代直流拖動系統(tǒng)，但是直流拖動本身具有理論和實踐都很成熟的優(yōu)勢，我國早期的許多生產(chǎn)設(shè)備均采用直流拖動系統(tǒng)短時間內(nèi)不會淘汰，而且直流電機原理相對簡單易懂，因而對于初學者而言，直流調(diào)速還是很有實際意義的。從生產(chǎn)機械要求的控制物

2、理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)分為調(diào)速系統(tǒng)、位隨系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型；按照調(diào)速方式大致可分為開環(huán)調(diào)速和閉環(huán)調(diào)速兩大類，開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、維護簡單，但是其靜特性與動態(tài)特性往往不滿足生產(chǎn)和控制要求，而閉環(huán)系統(tǒng)尤其是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜特性和動態(tài)特性，采用PI調(diào)節(jié)器時可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差以及電流無靜差。本次設(shè)計包括各元器件的參數(shù)配合與選擇、調(diào)速方案的設(shè)計、整體電路圖的繪制等，同時考慮到調(diào)速系統(tǒng)實際運用于六卷可逆冷軋機開卷機，各參數(shù)與方案都按照實際工程需要設(shè)計。關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)、雙閉環(huán)調(diào)速、邏輯無環(huán)流、DLC、開卷機、六輥、晶閘管緒 論薄板、帶鋼的生產(chǎn)技術(shù)

3、是鋼鐵工業(yè)發(fā)展水平的一個重要標志。冷軋鋼板的生產(chǎn)主要是采用36機架的多輥冷軋機，特點是生產(chǎn)率高，機械化、自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量好。連軋機僅適用于產(chǎn)量大，品種規(guī)格單一的鋼種冷軋生產(chǎn)，而對于生產(chǎn)量較小、質(zhì)量要求較高、品種規(guī)格復雜的高合金鋼和合金冷軋帶材，采用連軋機并不恰當，而大多采用多輥可逆軋機。帶鋼冷軋機生產(chǎn)線上除了五機架連軋機主體設(shè)備外，還包括頭部的上料設(shè)備、開卷機以及尾部卷取機，有的在軋制頭部還有矯直機、焊接機以及活套等設(shè)備。這些設(shè)備要要步調(diào)一致，密切配合，以保證連軋機位置控制、厚度控制、張力控制、速度控制以及板形控制的順利進行。五機架冷連軋機的出現(xiàn)必須有自動控制和以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)。冷軋機

4、最初是在二輥、四輥基礎(chǔ)建立起來的，科學技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展需要極薄帶材，原有低輥數(shù)軋機已經(jīng)不能滿足要求，因為軋輥本身的彈性壓扁值往往比所需軋制帶材厚度還要大，而軋輥的彈性壓扁是與輥徑成正比的。當軋輥材質(zhì)一定時，要降低軋輥彈性壓扁就必須減小輥徑，而輥徑的減小又會出現(xiàn)剛性不夠的矛盾。為此，多輥軋機出現(xiàn)以提供良好剛性的塔形支撐輥系。多輥軋機發(fā)展很快，根據(jù)加工工藝要求，有八輥、十二輥、二十輥等。開卷機作為連軋設(shè)備的首端，需要可逆工作，既需要轉(zhuǎn)速控制又需要張力控制。當開卷機工作于換卷引帶或斷帶時，系統(tǒng)外環(huán)即速度環(huán)調(diào)機器投入工作，這是一個速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；當帶材咬入后，產(chǎn)生張力，使ASR的反饋小于給定值，處于飽和

5、狀態(tài)，其限幅值就是張力給定值，系統(tǒng)作為一個恒功率調(diào)劑系統(tǒng)而工作，維持張力恒定。本設(shè)計采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流調(diào)速。目 錄第一章 設(shè)計參數(shù)和要求第二章 各功能模塊器件選擇2.1 開卷電機的選擇.52.2 整流方案的選擇.52.3 晶閘管的選擇.62.4 交流進線電抗器的選擇.62.5 變壓器容量的選擇.72.6 晶閘管的保護.72.7 開卷電機的過電流保護，串聯(lián)熔斷器.92.8 晶閘管冷卻風機的選擇.92.9 勵磁回路.102.10 交流電流互感器TA122.11 測速發(fā)電機.122.12 給定電路.132.13 低壓直流源設(shè)計（24V）.132.14 空氣開關(guān)的選擇13第三章 雙閉環(huán)調(diào)速

6、系統(tǒng)的設(shè)計3.1 典型轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu).143.2 典型轉(zhuǎn)速、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計.143.2.1 ACR(電流環(huán)調(diào)節(jié)器)的設(shè)計.14 3.2.2 ASR(轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器)的設(shè)計.18第四章 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的實現(xiàn)4.1 典型邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)244.2 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC.244.3 晶閘管集成觸發(fā)器.28第五章 開卷機張力控制 開卷機張力控制系統(tǒng).31第六章 輔助電路6.1 輔助電路結(jié)構(gòu)以及作用.32第七章 操作電路 7.1 操作結(jié)構(gòu)以及作用32總 結(jié) .33參考文獻 .34第一章 設(shè)計參數(shù)和要求一、設(shè)計內(nèi)容及要求：（一）、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型1、主回路方案確定2、控

7、制回路選擇（二）、主要電氣設(shè)備的計算和選擇1、晶閘管整流元件：電壓定額、電流定額計算及選擇2、系統(tǒng)各主要保護環(huán)節(jié)的設(shè)計：快速熔斷器計算選擇、阻容保護電路選擇二、主要設(shè)計參數(shù)：850mm六輥開卷機功率/GD2電樞電壓（V）電樞電流(A)轉(zhuǎn)速(RPM)勵磁電壓(V)勵磁電流(A)168/500440400500/90031520 電流環(huán)超調(diào)量：i5% 轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量：n10% 三、設(shè)計環(huán)境 主要由主電路和控制電路組成，主電路由開關(guān)、交流接觸器、晶閘管整流裝置和保護器件組成、控制電路主要由運算放大器構(gòu)成的控制器組成。第二章 各功能模塊器件選擇2.1 開卷電機的選擇850mm六輥可逆開卷電機：數(shù)量1，D

8、C電機上海南洋Z4系列額定電壓：440V，額定電流：400A，額定功率：168kW，電機轉(zhuǎn)速：500/900 rpm絕緣等級：B級工作制：S1過載倍數(shù)：冷卻方式：自帶通風機強迫風冷特性：電樞可不加平波電抗器，調(diào)速范圍廣，過載能力強，可弱磁調(diào)速2.2 整流方案的選擇采用反并聯(lián)三相全控整流橋。無環(huán)流工作，任何情況下只允許一組整流器工作，而另一組必須被封鎖，以保證不出現(xiàn)環(huán)流，通常采用如圖2-1所示反并聯(lián)可逆線路。 圖2-1 反并聯(lián)三相全控整流橋2.3 晶閘管的選擇2.3.1 晶閘管額定電壓URRM查技術(shù)手冊可得國內(nèi)中小功率標準系列閥側(cè)電壓表可逆系統(tǒng)二次線電壓 3UV電動機額定電壓UN23022038

9、0360460440考慮到晶閘管在恢復阻斷時所引起的換相過電壓，以及在操作和事故所造成的過電壓的影響，由技術(shù)手冊，對于三相橋式整流線路晶閘管可按如下表格選取電源進線電壓3804405006106607508501000空載整流電壓513594675824891101211481350晶閘管額定電壓13501500165020002200250028003200由電機額定參數(shù)：UN=440V , IdN=400A查表選擇URRM=1500V，二次相電壓有效值為460/3 =266V2.3.2 晶閘管通態(tài)平均電流 IT（AV）IT（AV）1.02.0 KITIdmaxKInp KIT：電流計算系數(shù)

10、，查表取 KIT np：晶閘管并聯(lián)數(shù),取 np =3 KI ：均流系數(shù)，一般取 KI =Idmax：最大整流電流值，取 Idmax =IN =1.5x400=600A代入計算：IT（AV）2.0 0.367x6000.8x3 =184A保證留有裕量，取 IT（AV）=200A2. 晶閘管型號的選擇綜上，晶閘管型號選取KP300-152.4 交流進線電抗器的選擇由技術(shù)手冊，單機容量在500kW以下的中小容量裝置，可用幾臺組成一組，用公用變流變壓器供電，每臺晶閘管裝置通過圖2-2所示交流電抗器供電，其主要作用:1、限制晶閘管導通時的di/dt以及限制變流裝置發(fā)生故障和短路時短路電流的上升速率。2、

11、改善電源電壓波形，消除變流器運轉(zhuǎn)時對電源系統(tǒng)的公害。圖2-2 交流進線電抗器交流電抗器的電感量計算公式為： L=0.04UV 2fx0.816IdNx103 = 0.04x2652x50 x0.816x4002.5 變壓器容量的選擇一次容量（VA） S1 = m1KILKUVUd0IdN = 3x0.8162.34x594x400 =248566 VA二次容量（VA） S2 = m2KILKUVUd0IdN = 3x0.8162.34x594x400 =248566 VA等值容量（VA） ST = 12 (S1+ S2 )=248566 VA Ud0空載整流電壓 m1、m2變壓器一、二次繞組相

12、數(shù)，對于三相全控橋 m1=m2=3查技術(shù)手冊，變流變壓器容量取 250 kVA 晶閘管的保護.1 晶閘管換相過壓保護，并聯(lián)RC阻容電路圖2-3 晶閘管換相過壓保護由于載流子的集蓄效應(yīng)，當晶閘管在反壓下載流子迅速消失恢復阻斷時，電路中感性成分會使得器件兩端出現(xiàn)換相過電壓。對于三相橋式整流電路，在中小功率的變流裝置中，由經(jīng)驗一般選取F，R=1040本次設(shè)計中取F，R=40.2 晶閘管過電流保護，整流橋臂添加快速熔斷器圖2-4整流橋臂串熔斷器過壓保護熔體額定電流 Ire 1.5 Ige =1.5x200=300A,取350A熔體額定電壓 Ure UF2 K2 = 2 X4602 X1.5 =307V

13、，取300V選型：RN1-1 / 350 -500 ，為戶內(nèi)式。額定電壓 1kV、額定電流350A 、斷開容量為500MVA。2.6.3 整流裝置過電壓保護，交流側(cè)整流式阻容保護圖2-5 整流式阻容過壓保護電路三相整流式阻容保護電路，過壓時電壓充入C儲能，過壓過去后C通過R2放電耗能。 uk%-變壓器短路比，對于10560kVA的三相變壓器，取510，本設(shè)計取10io%-變壓器激磁電流百分數(shù)，對于10560kVA的三相變壓器，取410，本設(shè)計取10S -變壓器每相平均計算容量，取1/3S2=1/3x250=83kVA=83000VAU2 變壓器次級相電壓有效值，取266V變壓器次級Y接時，C6

14、io%SU22=6X10X830002662 =F，取75F電容耐壓U2 =1.5x266=399VR1U22Suk%io%266x26683000 x1010 =，R1取313CX104R215CX106，即45，R2取2 k2.7 開卷電機的過電流保護，串聯(lián)熔斷器 圖2-6 開卷電機串熔斷器過電流保護考慮到躲過電機啟動電流，對于頻繁啟動的開卷機，按經(jīng)驗公式取：IFe = （） IdN = (1.53.5)X400 = 6001400A本次設(shè)計取IFe=1400A，選型：RN1-1 / 1400 -500。晶閘管冷卻風機的選擇由于大功率晶閘管工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，如不及時散熱將會燒毀晶閘

15、管，因此冷卻風機的配備是必須的。由于冷卻風機工作要求低，此次設(shè)計選取Y系列低壓三相異步電機，容量2kW，調(diào)速范圍7503000 rpm，工作電壓380V，全封閉自扇冷。圖2-7 晶閘管散熱冷卻風機2.8.1斷路器QF的選擇根據(jù)技術(shù)手冊，選擇一般型DW16，低壓斷路器（空氣開關(guān)）主要用在不頻繁操作的低壓配電線路中做電源開關(guān)使用，當發(fā)生嚴重過流、過載、短路、斷相、漏電等故障時能自動切斷電路，起到保護作用。已知風機容量2kW，工作電壓380V，求得風機工作電流約為5A，由此取斷路器工作電壓Ue =380V，Ie =10A。2.8.2接觸器KM的選擇選擇3TF系列，工作電壓380V，工作電流9400A

16、，適用于控制交流電機。2.8.3熱繼電器FR的選擇由技術(shù)手冊，選擇3UA系列熱繼電器與3TF系列接觸器配套使用。2.8.4熔斷器器FU的選擇選擇RCIA系列插入式熔斷器，工作電壓380V，工作電流200A內(nèi)。2.9 勵磁回路2.9.1 弱磁調(diào)速原理（弱磁升速）在他勵直流電動機的調(diào)速方法中，如果需要從基速向上調(diào)速，則要采用弱磁調(diào)速的方法，通過降低勵磁電流，以減弱磁通來提高轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許的轉(zhuǎn)矩不得不減少，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，是為“恒功率調(diào)速”。在基速以下調(diào)壓調(diào)速時，保持磁通為額定值不變；在基速以上弱磁升速時，保持電壓為額定值不變。弱磁升速時，由于轉(zhuǎn)速升高，使轉(zhuǎn)速

17、反饋電壓也隨著升高Un，因此必須同時提高轉(zhuǎn)速給定電壓Un*，否則轉(zhuǎn)速不能上升。2.9.2 獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng)圖2-8 獨立控制勵磁的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)RP2 給定電位器 AFR 勵磁電流調(diào)節(jié)器VFC 勵磁電流可控整流裝置工作原理：在基速以下調(diào)壓調(diào)速時， RP2不變保持磁通為額定值，用RP1調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)起控制作用。 在基速以上弱磁升速時， 通過RP2減少勵磁電流給定電壓，從而減少勵磁磁通，以提高轉(zhuǎn)速；為保持電樞電壓為額定值不變，同時需要調(diào)節(jié)RP1 ，以提高電壓。2.9.3 勵磁電流可控整流裝置1.可控整流結(jié)構(gòu)2-10 勵磁回路可控整流結(jié)構(gòu)采用單相橋式全控整流電路給勵磁回路供

18、電，UdU2cos 。2.可控整流結(jié)構(gòu)觸發(fā)電路晶閘管可控觸發(fā)裝置采用TC787，后面有詳細介紹，此處不再贅述。2.10 交流電流互感器TA圖2-13 交流互感器TA原理圖交流電流互感器常用來檢測三相交流電流幅值，電流互感器是電流源，二次電流按匝數(shù)比輸出。交流電流互感器常接在整流裝置交流進線側(cè)，通過測量進線電流來獲得整流后直流Id的信號，計算值為U =（N1/N2）RPIdN1/N2 互感器一、二次繞組匝數(shù)RP 檢測整流橋的負載電阻公式中無整流系數(shù)，因為主整流橋和檢測整流橋系數(shù)相互抵消。1 測速發(fā)電機圖2-14 測速發(fā)電機原理圖將直流測速發(fā)電機與待測電動機同軸相連，則發(fā)電機輸出的是與電動機轉(zhuǎn)速成

19、比例的直流電壓，其極性反映轉(zhuǎn)向，用取樣電阻RP即可取得轉(zhuǎn)速反饋信號Un。本次設(shè)計選取型號ZYST-A系列測速 HYPERLINK :/china.makepolo /sp/%B7%A2%B5%E7%BB%FA/ 發(fā)電機系永磁式直流 HYPERLINK :/china.makepolo /sp/%B7%A2%B5%E7%BB%FA/ 發(fā)電機，用以測量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速，亦可作速度訊號的傳送器。本系列測速 HYPERLINK :/china.makepolo /sp/%B7%A2%B5%E7%BB%FA/ 發(fā)電機在負載電阻為恒定值的情況下，其輸出電壓是轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)，正反方向的輸出特性是對稱的；安裝方式

20、為機座底腳式、端蓋凸緣式、機殼外圓式三種；具有線性誤差小，運行安全可靠，體積小，重量輕、噪音低、振動小、使用維護方便等特點。2 給定電路圖2-15 給定電路原理圖由電位器RP1、RP2可調(diào)節(jié)給定Un*輸入的幅值：-12V+12V，通過選擇開關(guān)S1、S2可以選擇給定值得正負以及實現(xiàn)階躍輸入。3 低壓直流源設(shè)計（24V）電路中給定環(huán)節(jié)等需要穩(wěn)定的低壓直流電路供電，電壓為24V，設(shè)計如下：圖2-16 低壓直流源電路原理圖7815、7915為穩(wěn)壓芯片，1口進、2口出、3口接地。C1C7為濾波電容。4 斷路器（空氣開關(guān)）的選擇1.開卷電機額定電流400A，于是選型：DW17-500，留有裕量，主電路斷路

21、器額定電流500A。2.風機額定電流5A，于是選型：DW17-10，留有裕量，風機電路斷路器額定電流10A。第三章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3.1 典型轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器3.2 典型轉(zhuǎn)速、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計先不考慮無環(huán)流，只設(shè)計雙閉環(huán)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。圖3-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2.1 ACR(電流

22、環(huán)調(diào)節(jié)器)的設(shè)計（一）、總體設(shè)計步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)（二）、電流環(huán)（ACR）的等效化簡過程：1. 忽略反電動勢的動態(tài)影響 在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E0。這時，電流環(huán)如下圖所示：圖3-3 忽略反電勢后系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.等效成單位負反饋系統(tǒng) 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成Ui*，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如下圖：圖3-4 等效為單位負反饋后系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.小慣性環(huán)節(jié)近似處理 最后，由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性

23、群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi圖3-5 電流環(huán)最終簡化框圖圖3-6 ACR校正為I型后框圖 （三）、參數(shù)設(shè)計過程：確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts，三相橋式電路取平均失控時間，電流濾波時間常數(shù)Toi三相橋式電路每個波頭時間為3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，取Toi電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti=Ts+Toi選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)突出跟隨性，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，又電流環(huán)控制對象是雙慣性的，為保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，因而采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中 Ki 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) i=Tl ， K

24、I=KiiR Ks計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)按照西門子“最佳整定”構(gòu)造“二階最佳系統(tǒng)”，同時參照設(shè)計要求電流環(huán)超調(diào)量： i5%(1)查表可知，取KITi(2)三相橋式整流電路總電感量UVIdmin2650.1x400 =4.59 mH電樞回路總電阻R，取R=Ra+Rad=0.4+0.4x0.1=0.44 電磁時間常數(shù)Tl， Tl= LR = 4.590.44 =(3)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks，取Ks=40(4)電流反饋系數(shù)，取Uim*=10V,則= Uim*Idm = 101.5x400 =(5)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl(6)電流環(huán)開環(huán)增益：KI = 0.5Ti = 0.50.0037 = (7

25、)ACR的比例系數(shù)：Ki = KIiR Ks = 135.1x0.014x0.4440 x0.017 = (8)機電時間常數(shù)Tm機電時間常數(shù)Tm= GD2R375CeCmCe = UN-INRanN = 440-400 x0.4500 = Vmin/rCm = 30Ce =5.35 Vmin/rGD2Tm= GD2R375CeCm = 500 x0.44375x0.56x5.35校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1 s-1晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：13Ts = 13x0.0017=196.1ci，滿足條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：3 1TmTl =3 10.

26、196x0.014 =ci，滿足條件電流調(diào)節(jié)器（ACR）的具體實現(xiàn) 圖3-7 含給定濾波與反饋濾波的PI型ACR調(diào)節(jié)器取R0=40kRi=KiR0=1.224x40=48.96 k，取50 kCi = iRi = 0.01450 x103 = 0.28F，Coi = 4ToiR0 = 4x0.00240 x103，取0.2F按照以上參數(shù)設(shè)計，電流環(huán)動態(tài)跟隨性能指標為i=4.3%5%，滿足條件。電流環(huán)上升時間tACRACR校正成典型I型系統(tǒng)，查表知tACRTi=4.7x3.7=17.39 mscn，滿足條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 13 KITon = 13 135.10.01 =3

27、8.7cn，滿足條件5.轉(zhuǎn)速環(huán)（ASR）的具體實現(xiàn)圖3-11 含給定濾波與反饋濾波的PI型ASR調(diào)節(jié)器取R0=40kRn=KnR0=x40= k，取300 kCn = nRn = 0.087300 x103 = 0.29F,取0.3FCon = 4TonR0 = 4x0.0140 x103 = 1F，取1F6.退飽和超調(diào)量查表可知，取h=5時，CmaxCb = 81.2% 電機過載倍數(shù)負載系數(shù)：z=IdL/IdN，空載時z=0額定電流：IdN=400A額定轉(zhuǎn)速：nN=500 r/min機電時間常數(shù)Tm,取Tm= GD2R375CeCm基準值 n*=nN=500 r/min電動勢系數(shù) Ce =

28、UN-INRanN = 440-400 x0.4500 =0.56Vmin/r調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 nN= IdNRCe = 400 x0.440.56 =314 r/minn = 2（CmaxCb）（-z）nNn* TnTm= 2 x 81.2% x(1.5-0)x 314500 x 0.01740.196 = % 10%，不滿足滿足設(shè)計要求為減小退飽和超調(diào)，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設(shè)轉(zhuǎn)速微分負反饋，用以抑制超調(diào)，獲得更好的動態(tài)性能。帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理如下： 圖3-12 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖和普通的相比，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)并聯(lián)了微分電容Cdn（用以對轉(zhuǎn)速信號進行

29、微分）和濾波電阻Rdn（用以濾去微分后帶來的高頻噪聲），即在轉(zhuǎn)速負反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個帶濾波的轉(zhuǎn)速微分負反饋信號，轉(zhuǎn)速負反饋和轉(zhuǎn)速微分反饋一起與給定Un*相抵，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更早達到平衡，開始退飽和，起到抑制超調(diào)的作用。設(shè) idn 為微分反饋之路電流，拉氏變換得：虛地點A的電流平衡方程為：整理后可得：dn - 轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)，dn =R0Cdn Todn- 轉(zhuǎn)速為微分濾波時間常數(shù)，Todn =RdnCdn 實際設(shè)計中常選定Todn =RdnCdn=Ton。無超調(diào)時， dn|=0 4h+2h+1 Tn = 4x5+25+1 Cdn = dn，取pF Rdn = Todn / Cdn= 5，

30、取5此時退飽和超調(diào)接近010%，滿足滿足設(shè)計要求7.轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動到額定轉(zhuǎn)速時間tASR 查表知，典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標有：h=5時， tASRTn=2.85x0.0174=0.04959s=50ms100ms,滿足設(shè)計要求第四章 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的實現(xiàn)4.1 典型邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)圖4-1 典型邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)框圖主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路，1ACR用來控制正組晶閘管觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR，1ACR給定信號Ui*經(jīng)反號器AR作為2ACR的給定信號Ui*，為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)指揮

31、正反組自動切換。信號Ublf 控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖和開放，Ublr 控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖和開放，任何情況下，兩信號相反，僅有一組晶閘管工作。4.2 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC1. 系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求(1)由電流給定信號Ui*的極性（反映轉(zhuǎn)矩極性）和零電流檢測信號Uio（過零換組）共同發(fā)出邏輯切換指令。當Ui*改變極性，且零電流檢測器發(fā)出“零電流”信號時，允許封鎖原工作組，開放另一組。(2)發(fā)出切換指令后，須經(jīng)過封鎖延時時間才能封鎖原導通組脈沖；再經(jīng)過開放延時，才能開放另一組脈沖。(3)無論在何種情況下，兩組晶閘管絕對不允許同時加觸發(fā)脈沖，當一組工作時，另一組的觸發(fā)脈沖必須被封鎖住。

32、2. 無環(huán)流邏輯控制器的實現(xiàn)圖4-2 環(huán)流邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖DLC由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯(lián)鎖保護四個基本環(huán)節(jié)組成。輸入為電流給定(轉(zhuǎn)矩極性)信號Ui* 和零電流檢測信號Uio，輸出是正組和反組脈沖的控制信號Ublf和Ublr。（1）電平檢測器電平檢測器的任務(wù)是將控制系統(tǒng)中連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化成“1”或“0”兩種狀態(tài)的數(shù)字量，實際上是一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它由帶正反饋的運算放大器組成，具有滿足一定要求的繼電特性。 圖3-3 電平變換電路無環(huán)流邏輯控制器中應(yīng)設(shè)立“轉(zhuǎn)矩極性鑒別”和“零電流檢測”兩個電平檢測器，分別將電流給定的極性和電流“是零”或“非零”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的“1”或“0”數(shù)字量，供邏輯判斷

33、使用。(i)轉(zhuǎn)矩極性鑒別器其輸入信號為速度調(diào)節(jié)器的輸出Ui*，它是左右對稱的；其輸出為轉(zhuǎn)矩極性信號，為給出“1”和“0”的數(shù)字量，輸出應(yīng)是上下不對稱的，“1”態(tài)表示正向轉(zhuǎn)矩，用正向飽和值+10V表示，“0”態(tài)表示負向轉(zhuǎn)矩，用負飽和值一06V表示。 圖4-4 轉(zhuǎn)矩極性鑒別器圖3-5 轉(zhuǎn)矩極性鑒別器的輸入輸出特性 (ii)零電流檢測器其輸入信號是電流互感器輸出的零電流信號Uio，主電路有電流時約為+06V，零電流檢測器輸出為“0”；主電路電流接近零時， 下降到+02V左右，輸出為“1”?！?”態(tài)仍用正向飽和值+10V表示， “0”態(tài)用負向飽和值一06V表示。兩個電平檢測器輸出飽和值+10V和一06

34、V可通過設(shè)置正、負限幅電路得到圖4-6 零電流檢測器圖4-7 零電流檢測器的輸入輸出特性零電流檢測器特性回環(huán)偏在縱軸的右側(cè)，可在輸入端增設(shè)偏移電路RT1來實現(xiàn)。(2)邏輯判斷電路邏輯判斷的任務(wù)是根據(jù)兩個電平檢測器的輸出信號，正確地發(fā)出切換信號，輸出均有“l(fā)”和“0”兩種狀態(tài)，究竟用“1”態(tài)還是“0”態(tài)表示封鎖觸發(fā)脈沖，取決于觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)假定該輸出信號為“1”態(tài)時開放脈沖，“0”態(tài)時封鎖脈沖，歸納各種情況下邏輯判斷電路的輸入輸出狀態(tài)，用與非門實現(xiàn)，其邏輯代數(shù)式為：原理圖如下所示：圖4-8 邏輯判斷電路結(jié)構(gòu)圖（3）延時電路在邏輯判斷電路發(fā)出切換指令之后，必須經(jīng)過封鎖延時和開放延時，才能執(zhí)行切

35、換指令，因此，無環(huán)流邏輯控制器中必須設(shè)置相應(yīng)的延時電路。在與非門的輸人端加接二極管和電容，就可使與非門的輸出由“1”態(tài)變到“0”態(tài)時獲得延時。因為這時當輸入由“0”變到“1”時，必須先使電容充電，待電容端電壓充到開門電平時，輸出才由“l(fā)”變“0”，電容充電到開門電平的時間則為延時的時間，阻容電路的充電時間可通過電容調(diào)整。（4）聯(lián)鎖保護電路在正常工作時，邏輯判斷與延時電路的兩個輸出和總是一個為“1”態(tài)另一個為“0”態(tài)。一旦出現(xiàn)故障，兩個輸出和如果同時為“1”態(tài)，將造成兩組晶閘管同時開放而導致電源短路。為了避免出現(xiàn)這種事故，在無環(huán)流邏輯控制器的最后部分設(shè)置了多“l(fā)”保護電路。其原理如下：正常工作時

36、，信號總是一個為“1”另一個為“0”，這時聯(lián)鎖保護環(huán)節(jié)的與非門輸出A點電位始終為“l(fā)”態(tài)，則實際的脈沖控制信號直接加到后面電路，總能封鎖一組脈沖。當出現(xiàn)信號同時為“1”的故障時，聯(lián)鎖保護環(huán)節(jié)中的與非門輸出A點電位立即變?yōu)椤?”態(tài)，將輸出信號都拉到“0”，使兩組脈沖同時封鎖，這樣就避免了兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)而造成短路事故。（5） DLC邏輯電路的硬件實現(xiàn)由于工業(yè)現(xiàn)場的干擾十分嚴重，為此，采用抗干擾能力強的HTL與非門。HTL與非門是專門為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的，具有延遲時間長、噪聲容限大、抗干擾能力強的優(yōu)點，但其功耗也很大。本次設(shè)計選用陶瓷封裝H004 HTL與非門作為邏輯元件。4.3 晶閘管集成

37、觸發(fā)器采用西門子高性能晶閘管三相移相觸發(fā)集成電路TC787。TC787是采用獨有的先進IC工藝技術(shù)，并參照國外最新集成移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計的單片集成電路，是KJ系列的升級換代產(chǎn)品。它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。1TC787外部結(jié)構(gòu)圖4-9 TC787的引腳排列圖(1)同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)分別為三相同步輸入電壓連接端，應(yīng)用中分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC787的工作電源電壓VDD。(2)脈沖輸出端：脈沖分配及驅(qū)動電路是由6 腳控制脈沖分

38、配的輸出方式。6 腳接低電平VL，輸出為半控方式，12、11、10、9、8、7 分別輸出A、-C、B、-A、C、-B 的單觸發(fā)脈沖。6 腳接高電平VH，輸出為全控方式，分別輸出A、-C；-C、B；B、-A；-A、C；C、-B；-B、A 的雙觸發(fā)脈沖。(3)控制端引腳5(Pi)為輸出脈沖禁止端。高電平有效，封鎖TC787的輸出。 引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)分別為對應(yīng)三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應(yīng)用中分別通過一個相同容量的電容接地。引腳6(Pc)為TC787工作方式設(shè)置端。當該端接高電平時，TC787輸出雙脈沖；而當該

39、端接低電平時，輸出單脈沖。引腳4(Vr)為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電壓幅值最大為TC787的工作電源電壓VDD。引腳13(Cx)調(diào)制脈沖寬度?？赏ㄟ^改變Cx 電容的值來確定，需要寬則增大Cx，窄則減小Cx。1000pF 電容約產(chǎn)生100S的脈沖寬度。(4)電源端：TC787可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為818V。雙電源工作時，引腳3(VSS)接負電源，其允許施加的電壓幅值為-4-9V，引腳17(VDD)接正電源，允許施加的電壓為+4+9V。2.

40、TC787內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-10 TC787內(nèi)部邏輯框圖（1）電路組成：由三路相同的部分：同步過零和極性檢測、鋸齒波形成、鋸齒波比較，經(jīng)過抗干擾鎖定、脈沖形成等電路形成三相觸發(fā)調(diào)制脈沖或方波，由脈沖分配電路實現(xiàn)全控、半控的工作方式，再由驅(qū)動電路完成輸出驅(qū)動。（2）電路原理：三相同步電壓經(jīng)過T 型網(wǎng)絡(luò)進入電路，同步電壓的零點設(shè)計為1/2 電源電壓（電路輸入端同步電壓峰峰值不宜大于電源電壓），通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點和極性后，在Ca、Cb、Cc 三個電容上積分形成鋸齒波。由于采用集中式恒流源，相對誤差極小，鋸齒波有良好的線性。電容的選取應(yīng)相對誤差小，產(chǎn)生鋸齒波幅度大且不平頂為宜。鋸齒波在比

41、較器中與移相電壓比較取得交相點，移相電壓由4 腳通過電位器或外電路調(diào)節(jié)而取得。抗干擾電路具有鎖定功能，在交相點以后鋸齒波或移相電壓的波動將不能影響輸出，保證交相唯一并且穩(wěn)定。3主要電參數(shù)和限制(1)工作電源電壓VDD：818V； (2)輸入同步電壓有效值：(1/22)VDD；(3)輸入控制信號電壓范圍：0VDD； (4)輸出脈沖電流最大值：20mA；(5)鋸齒波電容取值范圍：0.10.15； (6)脈寬電容取值范圍：3300pF0.01F；(7)移相范圍：0177； (8)工作溫度范圍：0+55。4典型應(yīng)用接線圖TC787單電源工作時的典型接線如下圖所示，圖中電容C1C3為隔直耦合電容，而C4C6為濾波電容，它與R1R3構(gòu)