二十四寸圓盤拉伸機直流調(diào)速系統(tǒng)的設計課程設計

1、<p><b>　　信息科學與工程學院</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目 二十四寸圓盤拉伸機直流調(diào)速系統(tǒng)的設計 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明</p><p><b>　　原創(chuàng)性聲明

2、</b></p><p>　　本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。</p><

3、;p>　　作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 </p><p>　　指導教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 </p><p><b>　　使用授權(quán)說明</b></p><p>　　本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校

4、要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。</p><p>　　作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 </p><p><b>　　學位論文原創(chuàng)

5、性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。</p><p>　　作者簽名： 日期： 年 月

6、 日</p><p>　　學位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。</p><p>

7、　　涉密論文按學校規(guī)定處理。</p><p>　　作者簽名：日期： 年 月 日</p><p>　　導師簽名： 日期： 年 月 日</p><p><b>　　注 意 事 項</b></p><p>　　1.設計（論文）的內(nèi)容包括：</p>&

8、lt;p>　　1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）</p><p><b>　　2）原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞</p><p>　　4）外文摘要、關鍵詞 </p><p>　　5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）</p><p>　　6）論文主

9、體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論</p><p><b>　　7）參考文獻</b></p><p><b>　　8）致謝</b></p><p>　　9）附錄（對論文支持必要時）</p><p>　　2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文

10、字數(shù)不少于1.2萬字。</p><p>　　3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。</p><p>　　4.文字、圖表要求：</p><p>　　1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫</p><p>　　2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所

11、有圖紙應符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫</p><p>　　3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印</p><p>　　4）圖表應繪制于無格子的頁面上</p><p>　　5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔</p><p><b>　　5.裝訂順序<

12、;/b></p><p><b>　　1）設計（論文）</b></p><p>　　2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂</p><p><b>　　指導教師評閱書</b></p><p><b>　　評閱教師評閱書</b></p&g

13、t;<p>　　教研室（或答辯小組）及教學系意見</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性, 調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍廣, 過載能力強, 可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn), 能滿足生產(chǎn)過程中自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求, 因此在工業(yè)控制領域, 直流電機得到了廣泛的應用。</p>&l

14、t;p>　　較大功率直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)點，被廣泛應用到各種金屬加工專用生產(chǎn)機械上，拖動機械設備，是金屬加工工程作業(yè)的動力核心。</p><p>　　本直流調(diào)速系統(tǒng)是弱電控制與強電控制相結(jié)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)由控制電路與主電路組成。控制電路包括控制指令裝置、控制器、反饋信號檢測裝置等部件，其作用是檢測電機工作時的轉(zhuǎn)速、電樞電流等信號，將檢測到的信號反饋給控制器發(fā)出控制信號；主電路由電源、變流

15、器、直流電動機等部件組成，其作用是根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，拖動機械負載進行作業(yè)。</p><p>　　本設計首先對系統(tǒng)的總體方案進行了論證，并按照選定的系統(tǒng)方案確定了主電路和控制電路的形式，對主電路進行了詳細的設計，包括變壓器、晶閘管及保護環(huán)節(jié)的選擇和計算，對控制電路的控制器也進行了詳細計算和校驗，而對給定電路、晶閘管觸發(fā)電路、電流檢測電路、速度檢測電路則僅做了方案設計工作并未進行相關參數(shù)計算。</p&

16、gt;<p>　　在課程設計的過程中參閱和引用了大量教材及國內(nèi)相關的文獻資料，計算所用到的主要參數(shù)和物理量文字符號見附錄A，系統(tǒng)電路原理圖另附。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言2</b></p><p>　　1.設計目的和要求3</p><

17、p><b>　　1.1設計目的3</b></p><p><b>　　1.2設計內(nèi)容3</b></p><p><b>　　1.3設計背景3</b></p><p><b>　　1.4設計要求3</b></p><p>　　2.調(diào)速的方案選

18、擇3</p><p>　　2.1直流電機調(diào)速的基本方法3</p><p>　　2.2可控直流電源的選擇3</p><p>　　2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇3</p><p>　　2.3.1開環(huán)V-M系統(tǒng)3</p><p>　　2.3.2單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)3</p><p>　　2.

19、3.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3</p><p>　　3主電路的設計與計算3</p><p>　　3.1主電路的設計3</p><p>　　3.1.1整流變壓器的計算3</p><p>　　3.1.2晶閘管元件的計算3</p><p>　　3.1.3電抗器參數(shù)的計算3</p><p&g

20、t;　　3.2保護電路的設計3</p><p>　　3.2.1過電壓保護3</p><p>　　3.2.2過電流保護3</p><p>　　4控制電路的設計與計算3</p><p>　　4.1觸發(fā)電路的選擇3</p><p>　　4.2給定電路的設計3</p><p>　　4.3轉(zhuǎn)速

21、信號的檢測3</p><p>　　4.4電流信號的檢測3</p><p>　　4.5 ASR、ACR的設計和工程計算3</p><p>　　4.5.1 ASR、ACR的設計3</p><p>　　4.5.2調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)計算3</p><p>　　4.5.3 ACR的工程計算3</p><

22、;p>　　4.5.4 ASR的工程計算3</p><p><b>　　結(jié)論3</b></p><p><b>　　參考文獻3</b></p><p><b>　　設計目的和要求</b></p><p><b>　　1.1設計目的</b><

23、/p><p>　　運動控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課，具有很強的系統(tǒng)性、實踐性和工程背景，運動控制系統(tǒng)課程設計的目的在于培養(yǎng)學生綜合運用運動控制系統(tǒng)的知識和理論分析個解決運動控制系統(tǒng)設計問題，使學生建立正確的設計思想，掌握工程設計的一般程序、規(guī)范和方法，提高學生調(diào)查研究、查閱文獻及正確使用技術(shù)資料、標準、手冊等工具書的能力，理解分析、制定設計方案的能力，設計計算和繪圖能力，實驗研究及系統(tǒng)調(diào)試能力，編寫設計說明書的能

24、力。</p><p><b>　　1.2設計內(nèi)容</b></p><p>　?。?）根據(jù)工藝要求，論證、分析、設計主電路和控制電路方案，繪出該系統(tǒng)的原理圖（2號圖紙）。</p><p>　?。?）設計組成該系統(tǒng)的各單元，分析說明。</p><p>　?。?）選擇主電路的主要設備，計算其參數(shù)（含整流變壓器的容量S，電抗器的

25、電感量L，晶閘管的電流、電壓定額，快熔的容量等），并說明保護元件的作用（必須有電流和電壓保護）。</p><p>　?。?）設計電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)（或張力環(huán)），確定ASR和ACR（或張力調(diào)節(jié)器ZL）的結(jié)構(gòu)，并計算其參數(shù)。</p><p>　?。?）結(jié)合實驗，論述該系統(tǒng)設計的正確性。</p><p><b>　　1.3設計背景</b></p&g

26、t;<p>　　二十四寸圓盤拉伸機直流調(diào)速系統(tǒng)的設計</p><p>　　二十四寸圓盤拉伸機主要用來加工各種型號的銅、鋁毛細管的專用生產(chǎn)機械，它由放線機、模具、拉伸機、夾鉗臂、剪線鉗、靠輪及收線機等組成。拉伸機機械系統(tǒng)的大體輪廓，其中放線機、拉伸機及收線機分別用三臺直流電機來驅(qū)動，而靠輪。夾鉗臂及剪線鉗由氣動閥來控制。</p><p>　　生產(chǎn)過程及對電氣控制系統(tǒng)的要求<

27、;/p><p>　　1、生產(chǎn)過程：收、放線筐復位 拉伸機定位 夾鉗臂打開至對準模具口 夾鉗臂夾緊 拉、收、放機合閘 低速拉伸 模座上升到位 靠輪拉緊 延時剪斷管頭 高速拉伸 完畢、靠輪松</p><p>　　停機、準備下一個生循環(huán)，拉伸毛細管內(nèi)徑0.8~1.2mm</p><p&

28、gt;　　2、對電氣控制的系統(tǒng)要求</p><p>　　（1）拉伸機定位要準確，系統(tǒng)的制動性能好；</p><p>　?。?）拉、收、放電機的線速度要嚴格保持協(xié)調(diào)，自動跟蹤拉伸機速度，系統(tǒng)快速性好。</p><p>　?。?）靠輪靠緊的拉伸機圓盤后、剪線鉗才剪斷線頭，以保證順利拉伸；</p><p>　?。?）具有完善的連鎖及保護功能；<

29、;/p><p>　?。?）有自動/手動切換功能</p><p><b>　　1.4設計要求</b></p><p>　　設計要求:只設計圓盤拉伸機控制系統(tǒng)。</p><p>　　技術(shù)指標：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 ，空載啟動至額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 </p><p>　　直流電動機參數(shù)： ， ， ,

30、, ，電樞回路總電阻R=0.5Ω，電流過載倍數(shù)λ=1.8， </p><p><b>　　調(diào)速的方案選擇</b></p><h3>　　2.1直流電機調(diào)速的基本方法</h2><p>　　直流電機電樞回路的平衡方程為： </p><p><b>　　電樞反電動勢為： </b></p>

31、<p>　　由此可得轉(zhuǎn)速特性方程為： </p><p>　　有轉(zhuǎn)速特性方程可以看出，調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速有如下三種方法：[1]</p><p><b>　　調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速</b></p><p><b>　　改變電動機勵磁調(diào)速</b></p><p>　　改變電樞回路電阻調(diào)速</p

32、><p>　　對于要求在一定速度范圍內(nèi)實現(xiàn)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上小范圍的弱磁升速。</p><p>　　因此，為滿足設計要求，采用變電壓調(diào)速。</p><h3>　　2.2可控直流電源的選擇</h2><p&

33、gt;　　實現(xiàn)直流調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個平滑可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有一下三種：[2]</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機構(gòu)成機組，以獲得可調(diào)的直流電源。</p><p>　　相控整流器。用靜止的相控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。</p><p>　　直流斬波或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，

34、利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變流機組由于至少包含兩臺與調(diào)速電機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因而設備多，體積龐大，日常運行和維護的費用高，至今只在少數(shù)尚未進行設備更新的工廠采用；脈寬調(diào)制變換器雖然可以得到脈動很小的直流電流，減少電機的損耗和發(fā)熱，但由于受到整流器件容量的限制目前只用于較小功率的調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　在電

35、力拖動系統(tǒng)中，主要用晶閘管整流元件組成整流電源，而晶閘管直流電機系統(tǒng)是在各種工業(yè)場合應用極為廣泛的一種電力拖動系統(tǒng)。晶閘管三相全控橋式整流電路原理圖如下：[3]</p><p>　　圖2.1 三相全控橋式整流電路原理圖</p><p>　　三相可控整流電路的類型有很多，包括三相半波、三相半控橋式、三相全控橋式等。其中三相全控橋式整流電路輸出電壓波形的脈動最小，并且可用于容量較大的直流電機。

36、</p><p>　　因此，為滿足性能要求，采用三相全橋整流電路供電。</p><h3>　　2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇</h2><h4>　　2.3.1開環(huán)V-M系統(tǒng)</h2><p>　　由晶閘管相控整流器直接給直流電機供電的調(diào)速為開環(huán)V-M系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如下：</p><p>　　圖2.2開環(huán)V-M系統(tǒng)原理框圖&

37、lt;/p><p>　　電動機M是被控對象，轉(zhuǎn)速n是被調(diào)量，晶閘管相控整流器采用三相全橋整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器GT的移相電壓，便可改變整流電壓Ud，實現(xiàn)平滑調(diào)速。</p><p>　　電流連續(xù)時，開環(huán)系統(tǒng)機械特性為:[2]</p><p>　　當電動機加負載時，電樞回路就產(chǎn)生相應的電流Id，此時即產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)速降。 越小，機械特性的硬度越大。系統(tǒng)開環(huán)運行時， 完全取決于

38、電樞回路總電阻R及所加負載的大小。</p><p>　　因此，從整體來看，開環(huán)V-M系統(tǒng)的機械特性是很軟的，滿足不了設計要求，需要設置反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機械特性。</p><h4>　　2.3.2單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)</h2><p>　　單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)是一種最基本的反饋控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如下：</p><p>　

39、　圖2.3單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　該系統(tǒng)的控制對象為直流電機M，被調(diào)量是轉(zhuǎn)速n。測速發(fā)電機TG引出與轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un，Un與轉(zhuǎn)速給定電壓Un*比較后送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，ASR輸出移相控制電壓Uct送給晶閘管觸發(fā)器GT，用以調(diào)節(jié)晶閘管整流輸出電壓Ud,從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程為：[2]&

40、lt;/p><p>　　通過比較閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性，可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)靜差率比開環(huán)系統(tǒng)小得多</p><p>　　當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高</p><p>　　因此，單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系

41、統(tǒng)可以達到較好的穩(wěn)態(tài)性能指標，但其跟隨性能和抗擾性能一般難以達到設計要求。</p><h4>　　2.3.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</h2><p>　　為了能夠獲得更好的跟隨性能，提高生產(chǎn)率，充分利用晶閘管器件及電動機的過載能力，要求設計實現(xiàn)近似于理想的起動。理想啟動的過程如下圖：</p><p>　　圖2.4調(diào)速系統(tǒng)理想啟動的電流和轉(zhuǎn)速波形</p>

42、;<p>　　理想起動就是在整個過程中，起動電流一直保持最大允許值，此時電動機以最大轉(zhuǎn)矩起動，轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升，以縮短起動時間；起動結(jié)束后，電流從最大值迅速下降為負載電流值且保持不變，轉(zhuǎn)速維持給定轉(zhuǎn)速不變。</p><p>　　為了實現(xiàn)近似于理想的起動，我們考慮在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的基礎上引入電流負反饋。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下：</p><p>　　圖2.5轉(zhuǎn)速

43、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　該系統(tǒng)為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)中設置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。ACR和電流檢測-反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)，ASR和轉(zhuǎn)速檢測-反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成了轉(zhuǎn)速環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出作為ACR的輸入，再由ACR的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。</p><p>　　ASR和ACR均為PI調(diào)節(jié)器，以實

44、現(xiàn)快速的響應和穩(wěn)態(tài)時的無靜差。其輸入/輸出設有限幅電路。ACR輸出限幅值限制了晶閘管整流器輸出電壓Udm，ASR輸出限幅值決定了主電路中的最大允許電流Idm。</p><p>　　圖2.6實際起動轉(zhuǎn)速和電流的波形</p><p>　　從圖2.6起動轉(zhuǎn)速和電流的波形可以看出，在啟動時，突加階躍給定信號Un*，由于機械慣性，轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)速偏差電壓 很大，ASR飽和，輸出為限幅值Uim*且不變，

45、轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)。在此情況下，電流負反饋環(huán)起恒流調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速線性上升。當轉(zhuǎn)速達到給定值且略有超調(diào)時，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入信號變極性，ASR退飽和，轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)起調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)速保持恒定。</p><p>　　圖2.7轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　除了跟隨性能以外，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能得到了很大的提高。從圖2.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可以看出，負載擾動是在電

46、流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。對于電網(wǎng)電壓擾動，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。[1]</p><p>　　綜上所述，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)特性，因此，為了滿足設計要求，最終選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。</p>

47、<h2>　　3主電路的設計與計算</h2><p><b>　　3.1主電路的設計</b></p><p>　　圖3.1主電路原理圖</p><p>　　如圖3.1所示，來自系統(tǒng)母線的三相交流電經(jīng)空氣開關通過整流變壓器向晶閘管供電，為了減少高次諧波對電網(wǎng)的不良影響，變壓器采用Δ/Y接法，整流主回路采用兩組三相全控橋式整流器反并聯(lián)組成

48、的可逆電路?？焖偃蹟嗥骺梢詫涣鱾?cè)和直流側(cè)進行過電流保護，并采用阻容吸收電路對交流側(cè)和晶閘管進行過電壓保護，電抗器可以起到保證電流連續(xù)、限制電流脈動、限制環(huán)流的作用。</p><h4>　　3.1.1整流變壓器的計算</h2><p>　　變壓器二次側(cè)電壓U2的計算[2]</p><p>　　是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角

49、α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。要比較精確地計算二次相電壓必須考慮以下因素：</p><p>　　1、 最小控制角。在一般可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的取30°-35°的范圍。</p><p>　　2、電網(wǎng)電壓波動。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動5%-10%考慮在電網(wǎng)電壓最低時要求能保證最大整流輸出電壓，故通常取波動系數(shù)。</p><p>　　

50、3、 變壓器漏抗產(chǎn)生的換相壓降： </p><p>　　4、 晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航怠?lt;/p><p>　　考慮了以上因素后，變壓器二次電壓的計算公式為：</p><p>　　式中，—整流電路輸出電壓最大值；</p><p>　　—為主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的正向壓降；</p><p>　　A—理想

51、情況時整流電壓與二次電壓之比，即，三相全控橋A為2.34；</p><p>　　C—線路接線方式系數(shù)，三相橋式整流C為0.5；</p><p>　　—變壓器短路電壓比，10-100KV·A取，容量越大，也越大；</p><p>　　—變壓器二次側(cè)實際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比，應取最大值。</p><p>　　所以，根據(jù)設計

52、要求取，，，， ，, , ,代入式3.1得： </p><p>　　電壓比K=U1/U2=380/279≈1.36</p><p>　　一次側(cè)電流和二次側(cè)相電流的計算</p><p>　　在可控硅整流電路中，交流側(cè)電流有效值與直流側(cè)整流電流之間，存在著固定的比例關系，即；其中比例系數(shù)因整流電路而異，例如三相橋式整流電路帶大電感負載變壓器二次電流有效值為：<

53、/p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　由式3.2此可得：, ；</p><p>　　取電動機額定電流104A，考慮變壓器勵磁電流和變比，得：</p><p><b>　　變壓器容量的計算</b></p><p>　　一次側(cè)的容量為： S1=3U1I1

54、 (3.3)</p><p>　　二次側(cè)的容量為： S2=3U2I2 （3.4）</p><p>　　變壓器平均容量： （3.5）</p><p>　　式中，U1=380V，U2=

55、279V，I1=62.4A，I2=85A；</p><p>　　S1=3U1I1= </p><p>　　S2=3U2I2= </p><p><b>　　=</b></p><p>　　從上述數(shù)據(jù)可得變壓器參數(shù)如下表3.1所示：</p><p>　　表3.1 變壓器參數(shù)</p>

56、<h4>　　3.1.2晶閘管元件的計算</h2><p>　　晶閘管的額定電壓[2]</p><p>　　晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以(2～3)倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　整流電路形式為三相全控橋，而，

57、 取 </p><p><b>　　晶閘管的額定電流</b></p><p>　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即</p><p>　　晶閘管電流有效值: （3.7）</p><p>　　考慮(1.5～2)倍

58、的裕量，則晶閘管的額定電流：</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　式中，取電動機額定電流104A，代入式3.8得：</p><p>　　ITN≈76.44A </p><p>　　取。故選晶閘管的型號為KP100—10D。</p><h4>　　3.1.3電抗器

59、參數(shù)的計算</h2><p>　　為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。</p><p>　　1） 維持輸出電流連續(xù)的臨界電感量[2]</p><p><b>　?。?.9）</b></p>&l

60、t;p>　　式中，K1—與整流電路有關的計算系數(shù)，三相全控橋式K1=0.693；</p><p>　　—變壓器二次側(cè)相電壓，U2=279V</p><p>　　—電路所需的最低電流，一般為，在此取。</p><p>　　所以， </p><p>　　2） 限制輸出電流脈動的電感量</p><p>

61、<b>　?。?.10）</b></p><p>　　式中，—整流電路輸出電壓最大值；</p><p>　　—變壓器二次側(cè)相電壓，U2=279V；</p><p>　　—輸出最低頻率分量的頻率值，三相全控橋式電路；</p><p>　　—給定的允許電流脈動系數(shù)，通常三相整流電路中取到之間，此處取； </p>

62、<p>　　—取電流有效值，即Id=104A。</p><p><b>　　可得： </b></p><p>　　3） 電動機電感量 </p><p>　　電動機的電感可按下式計算：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　式

63、中：、、—直流電動機的額定電壓、電流與轉(zhuǎn)速，UN=440V，I=104A，nN =1000r/min； —電動機磁極對數(shù)，P=5；</p><p>　　由此可得： </p><p><b>　　≈3.53mH</b></p><p><b>　　4） 變壓器的漏感</b></p><p&g

64、t;　　變壓器的漏感可按下式計算：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式中：—計算系數(shù)，三相橋式整流電路；</p><p>　　—變壓器短路電壓比，一般取。</p><p>　　將、、U2=279v、Id=104A代入式3.11可得：</p><p><b

65、>　　LB≈5.23mH</b></p><p>　　5） 實際串入電抗器的電感量</p><p>　　輸出電流連續(xù)的實際臨界電感量</p><p>　　限制電流脈動時的實際電感量</p><p>　　取較大者做為串入電抗器的電感量，即Ld=23.19mH。</p><h3>　　3.2保護電路的設計

66、</h2><p>　　晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否正?？煽窟\行的關鍵。</p><h4>　　3.2.1過電壓保護</h2><p><b>　　交流側(cè)保護</b></p><p>　　

67、圖3.2交流側(cè)的阻容吸收保護電路</p><p>　　電源變壓器初級側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵磁電流突然切斷，鐵心中的磁通在短時間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級感應出很高的瞬時過電壓，這種過電壓可用阻容保護。由于電容兩端的電壓不能突變，可以限制變壓器次級的電壓變化率，因而限制了瞬時電壓上升的水平。電容器把變壓器鐵心的磁能轉(zhuǎn)化成電容電能。串聯(lián)的電阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振蕩。</p>&l

68、t;p><b>　　直流側(cè)過電壓保護</b></p><p>　　以電動機為負載時，變流裝置的直流側(cè)也會產(chǎn)生過電壓，當負載波動時會產(chǎn)生過電壓。這是為了避免過電壓通過導通的晶閘管，依舊采用阻容保護。</p><h4>　　3.2.2過電流保護</h2><p>　　晶閘管承受過電流的能力比一般電器差得多，必須在極短的時間內(nèi)把電源斷開，因此選

69、用快速熔斷器保護。如圖3.3，將快速熔斷器安裝在交流側(cè)，對交流側(cè)、直流側(cè)均可起到過電流保護的作用。</p><p><b>　　圖3.3過電流保護</b></p><p><b>　　快速熔斷器的選擇</b></p><p>　　變壓器二次側(cè)電流I2=85A，二次側(cè)電壓U2=279V。</p><p&g

70、t;　　因此，選擇快速熔斷器熔體額定電流在90A，額定電壓在280V左右。</p><p>　　電壓和電流上升率的限制 </p><p>　　電壓上升率：正相電壓上升率較大時，會使晶閘管誤導通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應有一定的限制。</p><p>　　造成電壓上升率過大的原因一般有兩點：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時相

71、當于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大。</p><p>　　限制過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使降低。</p><p>　　電流上升率：導通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對晶閘管的電流上升率必須有所限制。</p><p>　　產(chǎn)生過大的原因，一般有：晶閘管導通時

72、，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護電容充電；直流側(cè)負載突然短路等等。</p><p>　　限制，除在阻容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制相同的措施，即在每個橋臂上串聯(lián)一個電感。</p><p>　　限制和的電感，可采用鐵心電抗器，L值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導線繞上一定圈數(shù)，或在導線上套上一個或幾個磁環(huán)來代替橋臂電抗器

73、。</p><p>　　所以為了防止和，每個橋臂上串聯(lián)一個23.19mH的電感。</p><h2>　　4控制電路的設計與計算</h2><h3>　　4.1觸發(fā)電路的選擇</h2><p>　　觸發(fā)電路的種類很多，常用的有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字式觸發(fā)電路等。其中單結(jié)晶體管觸發(fā)電路常用于

74、觸發(fā)50A以下要求不高的小功率單相或三相半波電路中；正弦波同步觸發(fā)電路受電網(wǎng)的波動及干擾影響較大，不宜采用；鋸齒波同步觸發(fā)電路電路比較復雜，調(diào)試和維護過程繁瑣；數(shù)字式觸發(fā)電路電路復雜，用于較高要求的場合；而集成觸發(fā)電路體積小，功耗低，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定，廣泛應用于各種晶閘管裝置中。[3]</p><p>　　圖4.1三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p>　　如圖4.1所示，觸發(fā)

75、電路采用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行放大。</p><h3>　　4.2給定電路的設計</h2><p>　　在調(diào)速系統(tǒng)中如果突加速度給定，會產(chǎn)生較大的加速度，加速度過大會引起過大的超調(diào)量，因此本系統(tǒng)引入給定積分器來整定加速度。[5]</p><p>　　圖4.2給定積分電路原理圖</p><p

76、>　　給定積分器的電路圖如圖4.2所示，放大器1為由正相輸入的開環(huán)放大器，因此只要有一個很小的信號電壓，放大器1就迅速飽和。此電壓經(jīng)過電位器R9分壓后送到放大器2的方向輸入端。放大器2為一個積分調(diào)節(jié)器，輸出經(jīng)過R7反饋到放大器1的輸入端，構(gòu)成負反饋。</p><p>　　調(diào)節(jié)電位器R3，即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加速度，電阻R8決定加速度上限，R10和R11決定加速度下限。當系統(tǒng)起動后，K1常開觸點閉合，R10和R11

77、并聯(lián)，這時放大器1的輸出較小，起動加速度也比較低。當系統(tǒng)停車時，K1常開觸點斷開，放大器1的輸出變大，于是停車加速度就較高，系統(tǒng)迅速而平穩(wěn)地減速停車。</p><p>　　通過調(diào)節(jié)電位器R3可手動調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速。</p><h3>　　4.3轉(zhuǎn)速信號的檢測</h2><p>　　轉(zhuǎn)速信號的檢測方法有直接檢測和間接檢測兩種：直接檢測是采用各種傳感器直接獲取檢測信號；

78、間接檢測是用其他可測信號通過數(shù)學模型和函數(shù)關系推算出難以直接測量的所需信號。本系統(tǒng)采用直接檢測。</p><p>　　常用的轉(zhuǎn)速檢測傳感器有測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測速發(fā)電機輸出的是轉(zhuǎn)速的模擬信號；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測速裝置。本系統(tǒng)采用測速發(fā)電機。</p><p>　　圖4.3直流測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速檢測電路</p><p>　　直流測速發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普

79、通直流發(fā)電機相同，檢測電路如圖4.3所示，通過調(diào)節(jié)取樣電阻，可以調(diào)節(jié)速度反饋系數(shù)α。</p><h3>　　4.4電流信號的檢測</h2><p>　　為了準確地取出電流反饋信號，而又能使主回路與控制回路隔離，以保證設備和操作安全，在較大功率直流調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用交流電流互感器作為電流反饋信號的檢測器。</p><p>　　圖4.4交流信號檢測電路</p&g

80、t;<p>　　如圖4.4所示采用交流互感器檢測主電路的電流，三相分別用三個交流互感器；取樣電阻使用阻值很小的標準電阻串接在被測電路中，將被測電流轉(zhuǎn)換成被測電壓；電流反饋信號整流為三相橋式電路，因此電流反饋信號波形與主回路波形具有相同的重復頻率，無需很大的濾波環(huán)節(jié)來濾平反饋信號。這種方法簡單可靠，沒有時間延遲。</p><h3>　　4.5 ASR、ACR的設計和工程計算</h2>&

81、lt;h4>　　4.5.1 ASR、ACR的設計</h2><p>　　按照工程設計方法設計時，先從電流環(huán)開始，對其進行變換和簡化，然后根據(jù)電流環(huán)控制的要求，選擇ACR的類型并計算其參數(shù)。電流環(huán)設計完成后，把電流環(huán)等效成一個環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分，再用同樣的方法設計轉(zhuǎn)速環(huán)。</p><p>　　圖4.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>

82、　　圖4.5所示為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中在電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋通道和輸入端增加了電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和給定濾波。因為電流檢測信號中常含有交流成分，需加低通濾波器，其濾波時間常數(shù)Toi按需要而定。因為濾波環(huán)節(jié)可以抑制信號中的交流分量，但同時也給反饋檢測信號帶來延遲，所以在給定信號通道中加入一個給定濾波環(huán)節(jié)，使給定信號與反饋信號同步，并可使設計簡化。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電動機的換向紋波，因此也需要濾波，其時間常數(shù)用

83、Ton表示。ASR和ACR的電路實現(xiàn)見圖4.6。</p><p>　　圖4.6 ASR、ACR電路原理圖</p><h4>　　4.5.2調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)計算</h2><p><b>　　電流反饋系數(shù)的計算</b></p><p>　　設：速度調(diào)節(jié)器的限幅值Uim*為；</p><p>　　電動機

84、的啟動、制動電流為，即為208A。</p><p><b>　　則電流反饋系數(shù)為：</b></p><p><b>　　速度反饋系數(shù)的計算</b></p><p>　　設：最大給定電壓為，</p><p>　　電動機運行于額定轉(zhuǎn)速.</p><p><b>　　則速

85、度反饋系數(shù)為：</b></p><p><b>　　電動機的電勢系數(shù)</b></p><p><b>　　已知電樞電阻</b></p><p>　　設：電動機的磁通在運行過程中保持不變，則電動機的電勢系數(shù)為：</p><p>　　可控整流裝置的放大系數(shù)的計算</p><

86、;p>　　電流調(diào)節(jié)器限幅值Uc=10V，整流裝置的輸出電壓Ud0取額定電壓440V</p><p>　　整流裝置的放大系數(shù)Ks為：</p><h4>　　4.5.3 ACR的工程計算</h2><p>　　根據(jù)設計要求，要使系統(tǒng)超調(diào)量小、跟隨性能好，若采用II型系統(tǒng)，將會產(chǎn)生過大的超調(diào)量，因此選擇將電流環(huán)校正成I型系統(tǒng)。將電流環(huán)按工程設計方法變換和簡化，簡化后

87、最終的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.7所示。</p><p>　　圖4.7 電流環(huán)最終簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　計算電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)</p><p>　　整流裝置滯后時間常數(shù)，三相全橋電路的平均失控時間</p><p>　　電流濾波時間常數(shù)，三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有，因此取。</p>&

88、lt;p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　　主電路總電感L=，R=0.5Ω</p><p>　　電樞回路電磁時間常數(shù)。</p><p>　　電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： 。</p><p>　　系統(tǒng)的設計的要求電流超調(diào)量，查表可取

89、,KIT=0.5</p><p>　　則電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為： </p><p>　　于是，ACR的參數(shù)為： </p><p><b>　　ACR的電路實現(xiàn)</b></p><p>　　圖4.8 ACR電路</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI調(diào)節(jié)器原理圖如圖4.8所示，圖中為電流

90、給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。按所用運算放大器取，各電阻和電容值為</p><p><b>　　校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　?、倬чl管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，條件滿足。</p><p>　　

91、②忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的近似條件， , 條件滿足。</p><p>　?、垭娏鳝h(huán)小時間常數(shù)近似處理條件，條件滿足。</p><p>　　因此，按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標的要求和近似條件。</p><h4>　　4.5.4 ASR的工程計算</h2><p>　　根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時無靜差和動態(tài)時有良好的抗擾性能兩項要求

92、，在負載擾動點之前必須含有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)應該按照典型II型系統(tǒng)來設計，以使系統(tǒng)具有良好的抗擾性能。實際系統(tǒng)的ASR飽和特性會抑制典型II型系統(tǒng)的階躍響應超調(diào)量大的問題。</p><p>　　將轉(zhuǎn)速環(huán)按工程設計方法變換和簡化，簡化后最終的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.9所示。</p><p>　　圖4.9轉(zhuǎn)速環(huán)最終簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算

93、</p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)為2=0.0074s</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，取。</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，</p><p><b>　　取 。</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設計要求，跟隨和抗干擾性能都較

94、好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為 。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益。</b></p><p>　　于是，ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　ASR的電路實現(xiàn)</b></p><p>　　圖4.10 ACR電路</p><p>　　含給定濾波和反饋

95、濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖4.10所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出時電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。按所用運算放大器取，各電阻和電容值為</p><p><b>　　檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ,，滿足條件。&

96、lt;/p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為，滿足條件。</p><p>　　轉(zhuǎn)速超調(diào)量，（λ-z）=1.5</p><p><b>　　當時, ，</b></p><p><b>　　而 </b></p><p><b>　　因此</b><

97、/p><p><b>　　能滿足設計要求。</b></p><p>　　所以，按照上述參數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)滿足動態(tài)設計指標 的要求和近似條件。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設計對圓盤拉伸機直流調(diào)速系統(tǒng)理論進行了較為深入的研究，從調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)電樞

98、電壓調(diào)速控制的圓盤拉伸機直流調(diào)速系統(tǒng)的模型，并對調(diào)速方案、主電路、控制電路的設計進行了探討，在此基礎上完成了系統(tǒng)電路原理總圖的設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 阮毅，陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社，2010(04)：9-114</p><p>　　[2] 周淵深

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