1、銅陵學院畢業設計（論文）學 號_1209111119_ 畢 業 論 文（設計）課 題 某冷軋機主傳動直流調速系統設計 學生姓名 孫 嘯 院 部 電 氣 工 程 學 院 專業班級 2012級 自動化（2）班 指導教師 貢 照 天 二 一 六 年 六 月14某冷軋機主傳動直流調速系統設計摘 要本次設計主要講述了直流調速系統的設計、調整及相關參數的計算。本次設計使用的整流方案為三相全控晶閘管整流電路，調速方案應用了轉速、電流雙閉環調速系統，雙閉環可以取得很好地調速性能，其是在理論和實踐等方面都比較成熟的體系，在需要進行調速控制的領域得到了大量的使用。其中共加入了雙比例積分調節器，一個用來控制電機速度

2、，另一個用來控制電流，構成轉速環和電流環，前者為外環保持直流電動機轉速穩定，后者為內環能夠維持電路內電流穩定，轉速環起到主要的調速作用（保持轉速穩定在給定值），電流環起輔助作用（防止電路過電壓，對抗干擾，穩定電流在給定值），二者聯合可以達到令人滿意的調速性能，從而就能達到平滑調速的目的。本次設計還對電路保護與抗干擾等諸方面進行了討論，保證了機床運行的安全、穩定。關鍵詞：直流電動機；調速系統；晶閘管；雙閉環A cold-rolling mill main drive DC drive system designAbstractThe design focuses on the computati

3、onal design, and adjust the parameters of DC Motor Control System. The rectification program designed to use a three-phase full-controlled thyristor rectifier circuit, the choice of speed plus the current composition of the double-loop speed control system as the main drive of this design program sp

4、eed, double-loop can get good speed performance, which is in theory and practice and other aspects are more mature system, in areas that require speed control has been a lot of use. Wherein the total added dual proportional integral regulator, a motor is used to control the speed, and the other to c

5、ontrol the current constitution speed loop and current loop, the outer ring to keep the former DC motor speed and stability, which is able to maintain the inner ring in-circuit current stability, speed loop play a major role in the governor (speed maintained stable at a given value), current loop pl

6、ay a supporting role (to prevent over-voltage circuit, anti-interference, stable current at a given value), both of which can be combined with satisfactory speed performance, so as to be able to achieve the purpose of smooth speed control. The design also for other circuits and interference protecti

7、on aspects were discussed, ensure that the machine is running security and stability.Keywords: DC motor; speed control system; thyristor; double-loop目 錄摘 要IAbstractII插圖清單IV第1章 緒 論- 1 -1.1直流調速系統的概述- 1 -1.2 直流電動機的調速方法- 2 -1.3雙閉環直流調速系統簡介- 2 -1.4冷軋機簡介- 3 -第2章 系統主電路方案的選擇與保護- 4 -2.1 系統主要部分采用方案的確定- 4 -2.2

8、整流電路的保護- 6 -第3章 直流電動機調速反饋控制方案的確定- 10 -3.1 直流電動機調速反饋控制方案的選擇- 10 -3.2 直流電動機調速反饋控制方案的設計- 11 -3.3 動態抗干擾性能分析- 12 -第4章 系統主電路及保護裝置的參數計算- 13 -4.1主電路裝置參數的計算與選定- 13 -4.2 整流電路保護裝置的參數計算與選定- 15 -第5章 電流環、速度環與無環流邏輯切換裝置的設計- 17 -5.1 電流內環- 17 -5.2 轉速閉環- 18 -5.3 無環流邏輯切換裝置- 20 -第6章 調速環節的參數計算- 24 -6.1 調速系統的系統型式的確定- 24 -

9、6.2 電流內環的調整- 24 -6.3 轉速外環的調整- 28 -6.4 調速系統動態指標計算- 32 -結 論- 34 -參 考 文 獻- 35 -致 謝- 36 -圖表清單圖 2-1 三相橋式電樞反并聯可逆電路原理圖- 6 -圖 2-2 快速熔斷器- 7 -圖 2-3 交流側過電壓保護- 7 -圖 2-4 直流側過電壓保護- 8 -圖 2-5 換相過電壓保護- 8 -圖 2-6 系統主傳動晶閘管整流電路- 9 -圖 3-1 機床主傳動調速系統的系統框圖- 11 -表 4-1 變壓器的各項數據- 14 -圖 5-1 電流檢測裝置- 17 -圖 5-2 兩個調節器（ACR1與ACR2）的電氣

10、原理圖- 18 -圖 5-3 轉速檢測和電壓隔離裝置原理圖- 19 -圖 5-4 轉速給定環節和給定積分器原理圖- 20 -圖 5-5 無環流邏輯切換裝置的結構- 21 -圖 5-6 無環流邏輯切換裝置的原理圖- 22 -圖 5-7 邏輯判斷與延時電路的結構- 22 -圖 5-8 多“1”保護環節原理圖- 23 -圖 6-1 調速控制系統的動態結構圖- 24 -圖 6-2 電流閉環及其簡化后的動態結構圖- 25 -圖 6-3 電流調節器ACR的結構圖- 26 -圖 6-4 簡化過后的電流內環- 27 -圖 6-5 調節器ACR的結構圖- 28 -圖 6-6 轉速環的動態結構圖- 29 -圖 6

11、-7 簡化后的轉速環動態結構圖- 30 -圖 6-8 轉速調節器ASR的原理圖- 32 -圖 6-9 系統起動過程的動態特性- 32 -V銅陵學院畢業設計（論文）第1章 緒 論1.1直流調速系統的概述在生產和生活中，常常需要根據機械設備的性能要求，來手動或者自動地改變直流電機的速度，我們把這樣的系統叫做直流調速系統。根據直流電動機的固有特性，可以得到通過改變直流電動機的固有參數或改變外加電壓大小的方式改變其電樞電壓的方式等，使直流電動機在穩定運行時的轉速發生變化，這樣就可以做到調速的功能。調速一般都是通過反饋的值與給定的值進行對比，然后根據偏差的值來對校正裝置發出控制信號，以達到其目的。直流調

12、速系統在現在，尤其是在需求高性能控制領域中依舊起著不可替代的作用。1.1.1 直流調速的優缺點使用直流電動機的設備非常容易實現速度的控制，易于構建控制模型。直流電動機調速具有在低轉速時扭矩大的優點，這是交流電動機所無法媲美的。直流電機的適用領域相當的廣，其一般可以在以下方面使用：加、減速要有一個緩沖過程；需要在低速時有大轉矩；有良好的挖土機特性，能夠過載電流限制設定電流。因為直流電機調速如此重要的作用，所以直流電機在很長一段時間內直流調速在生產機械中占主要地位。但是在平常使用中，直流電機容易發生故障，包括電刷打火、電驅變色、散熱不充足、劇烈噪聲和振動等問題，因此其需要經常地維護，這是一筆不小的

13、開銷，交流電機就沒有這樣的問題，而且直流電機也不能像交流電機一樣構造簡單，占地小巧，成本也很低廉。在現代，交流調速異軍突起，開始漸漸蠶食直流調速的領地，但在高性能調速領域其依然能夠固守國疆。1.1.2 直流調速的發展歷史直流電動機電力拖動系大概統是在166年前誕生的，在上世紀中葉，由于技術尚不成熟，只有接近20%的高性能可調速拖動系統采用了直流電動機。在20世紀50年代左右，水銀整流器與閘流管的出現促進了直流調速的發展，它們屬于靜止變流裝置，替代了以前的老式整流裝置，大大提升了整流的性能。但這樣的變流裝置也有很大的缺點，水銀屬于重金屬，對人體和環境危害極大，并且其運行可靠性差，對直流電動機的穩

14、定運行產生了極大的影響，但是限制于當時的科技水平，采用此靜變流裝置也是無可奈何，實屬無奈之舉。1960年之后，晶閘管誕生了，因為晶閘管整流裝置優異的性能，其得到了廣泛的應用，直流調速技術在這之后得到飛速的發展。晶閘管整流裝置-直流電動機系統中的整流裝置是由可控晶閘管構成的，晶閘管整流性能優異，工作穩定，在上世紀60年代起得到了大范圍的應用，直流調速技術的發展迎來了春天。上世紀80年代以后，全控型器件器件誕生了，其整流性能較晶閘管更為優異，晶閘管漸漸被其替代。在控制器方面，數字電子控制已經開始逐漸取代模擬電子控制。在現代，生產設備需要更高的非線性和智能化控制，然而模擬電子控制在這方面就顯得有些力

15、不從心，模擬電子控制的處理量少、功能單一，不能實現非線性的控制，到了其退伍的時候了。用全控型電力電子器件可以組成直流變換器-直流電動機的系統，晶閘管-直流電動機系統現在越來越多地被其取代了。現在因為交流調速技術的迅猛發展勢頭，直流調速技術正在逐漸被淘汰，但是因為直流調速技術的調速性能比交流調速系統更為優異，至今依然活躍在很多的高性能調速領域。1.2 直流電動機的調速方法1.2.1 直流電機調速的理論依據理想狀態下，直流電動機在穩態狀態下的轉速為：(1-1)此式為調速理論的基礎，根據此式可以分析得出以下幾種調速方法。1.2.2 三種常見的直流調速方法在上面的公式中，是一個常數，其不會影響到電機的

16、速度，電流I的大小是根據電機拖動的負荷來決定的，也不會產生影響，所以只剩下三個參數可以影響電機的速度：(1) 調節電樞端電壓：改變電樞電壓能夠起到改變轉速的作用，機械特性曲線很硬，能夠在保證了輸出轉矩不變的情況下，調整轉速，很容易實現高精度調速；(2) 改變電樞回路總電阻R：轉子串電阻一般用于低精度調速場合，串入電阻后由于機械特性曲線會變得很軟，不能實現無極調速和平滑調速、效率低，一般在倒拉反轉型負載中使用；(3) 減弱每極磁通量：減弱每極磁通量后，電機的速度就會增加，其能夠調速的區間很小，只能加快而不能減慢速度，控制不好容易導致速度過快無法控制，其響應比較慢，不適合單獨使用。1.3雙閉環直流

17、調速系統簡介轉速-電流雙閉環直流調速系統的結構較為簡單，可靠性較好，而且設計比較方便，在調速系統中應用非常的廣泛。它也是運動控制系統這門課程中的的重要一環，對其進行研究，有利于我們加深對直流調速系統的深入理解，也能成為以后交流調速研究的墊腳石。轉速-電流雙閉環直流調速系統也是交流調速的理論基礎，交流調速系統在近代已經越來越凸顯其重要性，研究此系統為我們打下了堅實的基礎，為以后的交流調速系統的學習打下了堅實的基礎，能將我們本專業的各門課的知識串接起來，形成一個完整的知識網，對以后的學習與工作都有很大的幫助。1.4冷軋機簡介冷軋機是一種可以將鋼筋加工成帶鋼的設備，可以大大提高鋼筋的抗拉與抗壓性，同

18、時也一定程度地保留了鋼的延展性，節約了用鋼量，降低了用鋼所需的成本。第一臺冷軋機是由德國的施密茨公司在19世紀末期建造的，它的出現大大增強了生產力。冷軋機的性能與生產工藝代表著一個地區的重工業的等級。在生產過程中，可采用直流電動機來處理軋制過程中對速度調節的需求。第2章 系統主電路方案的選擇與保護系統地設計應該在滿足設計提出的要求下，以較低廉的成本去獲得更大的經濟效益，來創造更高的價值。2.1 系統主要部分采用方案的確定2.1.1 傳動及調速方案的選擇(1) 電動機的選擇電機的選擇直接關系到機床的運行與產品的質量，應該根據設計的要求來確定，是系統設計的第一步。因為設計要求為生產機械工藝要求軋機

19、傳動系統要能實現可逆無級調速運行，且有較高的穩態控制精度，直流拖動很容易就能勾實現正反轉功能，調起速來能在較廣區間非常得平穩，過度自然，因此可以很好得滿足能滿足機床對電氣控制系統提出的要求，所以這里我們選擇直流電機作為本系統的執行機構。(2) 電機直流調速方案的確定根據1.2.1中的分析可以看出以調節電樞電壓的調速方式最好，其它兩種調速方式都有較大的缺點。因此，本系統將采用變壓調速的方式進行設計。2.1.2 整流電路的設計(1) 整流方式的選擇使用晶閘管整流的調速系統具有很多的長處，如調速范圍大、平滑性好、重量輕、噪音小、效率高、運行可靠、調速快、動態響應快等。晶閘管整流裝置是變流裝置供電的直

20、流調速系統，它和其它整流裝置相比，在經濟性上和可靠性上有很大優勢，而且在理論與實踐方面相當得成熟。晶閘管整流也有一定的壞處，如因為使用變壓器整流交流電得到直流，所以會有一定的電能損失，直流電機的運行會受到一定的影響；直流電機處于低速時，電路的損耗加大；整流系統會對交流電網產生不好的影響，造成污染。但是晶閘管整流裝置還是利大于弊的，只要保護裝置齊備，晶閘管整流裝置運行十分穩定。因此在這里選擇晶閘管整流裝置給直流電機供電的方案。(2) 供電整流電路相數的確定整流電路出現最早，直流用電設備可以通過其將交流電轉換為直流電來獲得電能，按使用的整流裝置的不同可以分成不可控、半控、全控三種，除了這些還有1相

21、整流與n（）相整流。這些整流電路的性能與適用領域都各不相同，單相晶閘管整流電路的性能不好，電壓不夠穩，影響了交流電網的穩定，所以一般多用于l0kw以下的拖動系統中。三相半波整流電路雖然對于三相電網平衡運行并沒有影響，只使用了3只晶閘管，較三相橋式全控整流電路使用原件更少，但是變壓器二次側在每周期中只有的時間有電流，效率較低，故運行成本較高。三相橋式全控整流電路使用了6個晶閘管進行整流，使用的晶閘管比三相半波可控整流電路多1倍，但使用其進行整流時電路的電壓穩定，可以保證變壓器的線圈不會磁化，轉換率比較高。前者在整流時失去控制的時間只是后者的，系統響應的速度得到了很大的提升，與后者相比較，由于晶閘

22、管原件數量是其2倍，所以每個晶閘管元件所承受的正反向電壓是三相半波可控整流電路的，延長了晶閘管的壽命，增加了整流電路的可靠性。所以在l0kw以上的容量的整流裝置中應用極其廣泛。除了以上的三相整流電路之外，還有6相及更多的整流電路，這些電路雖然整流的性能上很強勢，但是結構較為復雜、投資較大，在這里使用顯得有些得不償失。根據上述分析，我們可以很明確地選擇三相橋式全控整流電路作為本次的整流裝置。(3) 晶閘管整流裝置的接線方式機床在運行時難免會需要正反轉和制動功能，在這里就需要直流電動機的可逆運行。直流電機的轉向，是由磁場與外加電壓的方向所共同決定。電樞可逆系統是指通過調整電樞電壓的流向，其它參數都

23、不管發生變化的可逆運行系統；想要使磁場的極性出現變化可以通過變化勵磁電流的流向來達成目的，這樣就可以完成電機可逆運行的功能，這種方式叫做磁場可逆系統。磁場可逆系統雖然投資較少，但是這樣調起速來有較大延遲，控制裝置很臃腫，不能達本次設計的性能要求。出于快速性和控制回路簡單的角度，本次設計的可逆方案將采用電樞可逆系統。在進行系統設計時，整流裝置的接線方式一般都會采用兩套晶閘管變流裝置反極性連接的可逆電路，這樣做可以輕松地實現電動機的可逆運行，這種方法相對簡單，比較容易實現。在實際使用中主要采用交叉連接或者反并聯接這兩個接線方法。交叉連接這種方式的兩套晶閘管整流裝置的電源裝置是互相分立的，它們之間沒

24、有互相影響，這使得它可以輕松地實現多相整流，能夠較大地減少其對電網波形畸變的影響。而反并聯接只使用了一個供電單元，這樣就不會再需要兩組變壓器了，變壓器的使用率更加得高，而且也簡化了線路，接線更加方便。因為本設計對快速性的要求并不算太高，所以綜合起來考慮三相橋式電樞反并聯可逆電路能完美的滿足本次設計的要求，所以選擇其來作為本次設計的整流裝置才最合理。圖2-1為其電路圖：圖 2-1 三相橋式電樞反并聯可逆電路原理圖2.2 整流電路的保護 整流電路直接與電網連接，功率很大，為了確保機床運行的穩定安全，我們有必要在電路中設置保護裝置。過電壓、電流保護保護是我們在設計保護電路時應該最先考慮到的問題，這些

25、保護裝置通常都是按照以下兩種方式安置：一種是在適合的位置設置保護保護裝置，如壓敏二極管、快速熔斷器等；另外一種是使用電子保護電路，通過實時監控電路中的各項參數，當它們超過給定的閾值時，整流觸發控制系統使整流電路暫時處于有源逆變狀態，逐漸使得電流與電壓趨于正常值。我們在這里將使用第一種保護方法，將交流側、直流側和晶閘管保護設備分開來設計，以應對在本次設計的大功率整流裝置，保證其穩定、安全運行。2.2.1 過電流保護在日常的生產過程中，電機過載或整流裝置直流側的短路都是不可避免的，如果不設置保護必然會使原件損壞，引起不必要的麻煩，所以過電流的保護是不可或缺的一項保護措施。(1) 交流側快速熔斷器保

26、護整流電路，尤其是使用了半導體器件的電路一般都會使用快速熔斷器來進行保護。因為半導體元件十分的脆弱，所以不能在長時間承受較大的過載電流，所以需要保護裝置有足夠快的斷流時間。而快速熔斷器正如其名字一樣，能夠在電路過載時快速的切斷電路，一般不會超過十毫秒。當電路電流過載時，其就會迅速斷開，保證機床安全。在這里將其與晶閘管原件直接連接在一起，這樣做最為穩妥，在變壓器一次側也采用此保護方法防止過電流。圖 2-2 快速熔斷器(2) 直流側快速自動開關保護快速自動開關具有反應速度快（僅為2ms），當短路時即使電流值很大，其也能安全地斷開電路的連接；能夠同時兼顧過功率與過電流保護；可以調整切斷電路時的閾值，

27、可以重復使用，安裝和使用都很省事等特點。它被直接接入直流電路內，當其動作速度比快速熔斷器快很多，盡量不會浪費快速熔斷器，起到雙重保護的作用。2.2.2 過電壓保護(1) 交流側過電壓保護圖2-3為連接保護裝置的方式：圖 2-3 交流側過電壓保護這里我們采用阻容吸收器和壓敏電阻的方式來進行保護，阻容吸收器能夠很好地吸收過電壓一瞬間產生的電壓波動和沖擊電流，削弱了過電壓的強度，防止了保護裝置輕易熔斷或跳閘，保證了運行得穩定。它的構造非常的簡單，工作可靠，防止過電壓引起的電路的絕緣損壞，其是保證機床安全運行必不可少的過電壓保護裝置，常用于6KV110KV的高壓電環境中，在這里使用正合適。交流側過電壓

28、保護到此設計完成。(2) 直流側過電壓保護在直流側過電壓保護中常常會使用壓敏電阻來進行保護，當壓敏電阻兩側的電壓值低于其動作值時，其相當于斷路，當兩側的電壓值達到其動作值時，其電阻值直線下降，其將起到分流的作用，使大量的電流從它流過從而避免了后續的器件受到損傷，從而很好地起到了過電壓保護的作用。圖 2-4 直流側過電壓保護2.2.3 晶閘管保護晶閘管非常的需要過電壓的保護，在它的正面電壓強度過高時，其就會不受控制，導致整流電路發生故障，在反向電壓強度太高時，其就會徹底損壞，不能使用，導致整流裝置發生故障。所以必須設置完善的晶閘管保護措施。晶閘管主要在換相過程中容易發生故障，在這里我們采用采用在

29、晶閘管兩端并聯阻容吸收器的方式來避免晶閘管被反向擊穿。圖 2-5 換相過電壓保護綜合以上設計可以得到系統主傳動晶閘管整流電路如圖2-6所示：圖 2-6 系統主傳動晶閘管整流電路第3章 直流電動機調速反饋控制方案的確定3.1 直流電動機調速反饋控制方案的選擇直流電機的調速控制方案多種多樣，籠統的可以分為開環直流調速系統和閉環直流調速系統。3.1.1 開環直流調速系統開環直流調速系統是指直流電機轉速n和給定電壓 之間沒有任何直接的聯系的調速系統。直接控制觸發器的輸出就可以直接控制晶閘管整流橋，就可以起到控制直流側電壓的目的，從而就可以實現平滑調速。其控制電路極其簡單，在實驗室中很容易實現，如果機床

30、的設計對靜差率要求并不髙，開環直流調速系統可以很好得滿足要求。但是，開環直流調速系統沒有反饋單元，控制精度不夠高，無法應對實際生產中的各種干擾，這本設計中由于對控制精度要求較高，故不能采用開環直流調速系統。3.1.2 閉環直流調速系統閉環直流調速系統是指將輸出量直流電機轉速n反饋到輸入端（反饋量還有其他形式），通過反饋環節來校正直流電動機轉速構成閉環回路的調速系統。閉環直流調速系統能夠很好得增加直流調速系統的調速性能。在對控制精度需求不高的情況下，可以采用單閉環系統，當對系統控制精度要求較高時就可以采用多閉環系統。閉環直流調速系統主要包含以下幾種形式：(1) 轉速負反饋直流調速系統轉速單閉環系

31、統可以形象地理解為開環直流調速系統的“閉環化”。該系統將與轉速變化息息相關的電壓信號作為反饋量。當給定值恒定時，閉環系統可以糾正直流電動機的轉速偏差，當電網電壓或電機負載產生波動時，直流電動機的轉速可以被穩定在一定的范圍內。轉速負反饋直流調速系統是單閉環系統，較不帶任何負反饋的開環系統更加得穩定。但是并不能達到本次設計的要求，因此不能使用本系統。(2) 引入電流負反饋的直流調速系統直流電動機在全壓啟動時，會產生很大的沖擊電流，這會對電機和電子元件產生災難性的影響，這是我們所要避免的。采用轉速負反饋的直流調速系統在剛啟動時與全壓起動相同，這是不能被允許的，直流電機在被卡住或負載太大時，其就會無法

32、轉動，這樣會導致會電樞中電流太大，會使保護裝置動作，影響機床正常工作。而電流截止負反饋可以保持電流基本不變，起到保護電路的作用。(3) 雙閉環直流調速系統單閉環系統雖然可以在一定程度上實現電機的穩定運行，但是其都存在一定的缺點，如在對系統的調速性能要求高的地方，單閉環系統就顯得力不從心了。轉速負反饋環節只能控制電機的轉速，在電機剛啟動或者堵轉時，其會導致電壓過高，導致原件損壞；而電流負反饋環節只能對電流產生調節作用，它僅僅能在電流超出臨界值時，使電流回歸正常值。于是就出現了將二者結合起來構成雙閉環來同時進行轉速與電流的控制的系統，這套系統性能更好，可以很好得滿足本次設計的要求，故本次設計將采用

33、此直流調速方案。3.2 直流電動機調速反饋控制方案的設計在選定了系統主電路方案的同時，根據系統設計的要求綜合考慮將使用邏輯控制的無環流可逆調速系統。此系統中使用了兩種調節器，用來進行電流與轉速的控制，即使用了電流與速度負反饋雙閉環，它們在一起共同工作，連接在一起。圖3-1為其系統框圖：圖 3-1 機床主傳動調速系統的系統框圖在本系統中共有兩個ACR，通過控制來控制正組整流裝置，通過控制來控制反組整流裝置，從而實現電機的可逆運行，的輸入是通過的輸入經由反號器FH生成。根據本次設計機床的生產工藝要求，為了使軋制過程要保持機速穩定，在起動過程中要求加減速恒定，直流電動機的轉速將采用給定積分器來給定。

34、在機床處于停機狀態時，將使用鎖0電路保證調節器輸出電位鎖在0電位，使機床能夠可靠地停止。3.3 動態抗干擾性能分析當我們在設計一個調速系統時，最先應該考慮的就是抗干擾的問題，而抗電網電壓擾動與抗負載擾動是其中最應該優先考慮的問題。3.3.1 抗電網電壓擾動調速系統在電網電壓改變時也有可能會受到影響，因為在雙閉環系統中存在著電流環，其能夠在電網電壓產生擾動時及時作出相應地調整，避免影響到電機的速度，能夠大大提高調速系統的抗擾性能。所以電網電壓擾動在雙閉環系統中影響微乎其微，不用去理會。3.3.2 抗負載擾動當電機帶動的負荷改變時，會使電機的速度發生變化，這對調速系統來說是不被原諒的，應該盡快對其

35、進行校正。負載擾動并不屬于電流環的管轄范圍，所以其需要使用調節器ASR來對其進行糾正，所以當我們設計轉速調節器ASR時，應盡可能地保證其抗負載擾動的性能。第4章 系統主電路及保護裝置的參數計算4.1主電路裝置參數的計算與選定4.1.1 整流變壓器參數的計算整流變壓器能夠提供給晶閘管整流橋合適的工作電壓，并將其與交流電網分離開來，減少其對外界的干擾，保證生命財產的安全，整流電路圖見圖2-1。(1) 為了能更好地減少晶閘管在工作時生成的三次諧波對電網產生的干擾，整流變壓器將采用方法來接線，這種接線方法可以有效地提高變壓器的供電質量，同時抑制諧波。(2) 變壓器直流側電壓： (4-1)在這里我們取，

36、管壓降，交流側電壓的波動系數，變壓器短路時電壓，則： (4-2)實際取值為。(3) 變壓器直流側電壓和交流側電流： (4-3)(4-4)(4-5)(4) 變壓器的容量：因為本次設計使用的整流電路是三相橋式全控整流電路，所以,實際取值S=160KVA。(5) 根據以上計算變壓器的各項數據如表4-1所示：表 4-1 變壓器的各項數據相數接線方式 容量(KVA) 交流側電壓 (V) 交流側電流 (A) 直流側電壓 (V) 直流側電流 (A)三相 160 380 241 242 3774.1.2 晶閘管的選擇(1) 晶閘管的正常工作時的電壓為：。在本式中，則：，實際取值(2) 晶閘管的額定電流為：。在

37、這里我們取，則：，實際取值。(4-6)(3) 晶閘管的電壓安全系數為：電流的安全系數為：。根據上述分析綜合考慮，在這里我們選擇型號為KP600-10的晶閘管12個。4.1.3 電抗器的計算為了抑制晶閘管整流電路中的環流和電流脈動，我們在晶閘管整流電路中串聯入電抗器。可以通過以下計算求得其電抗量L：(1) 變壓器漏感為：(4-7)(2) 直流電動機的電樞電感為：(4-8)(4-9)在三相橋式全控整流電路中，當整流電流開始工作時，變壓器漏感與電樞電感量之和為：(3) 電抗量L為：(4-10)4.2 整流電路保護裝置的參數計算與選定整流電路的交流側直接與電網相連，直流側又有很多的重要元器件，為了保證

38、各元器件的安全與機床的穩定運行，為整流電路添加保護裝置是很有必要的。4.2.1 過電流保護(1) 交流側快速熔斷器保護快速熔斷器在熔斷時的電流為，經過下式計算：；，即。實際選取型號為RS3-750-700A的快速熔斷器12只，其為600A，滿足上述要求。本次設計變壓器交流側的線電壓為380V，快速熔斷器的額定電壓可選擇400V3只。(2) 直流側直流快速自動開關保護由直流電動機的額定電流可以得出，實際選取型號為DS9-10/15的直流快速自動開關，其額定電壓為1500V，額定電流為1000A，當直流側電流在800-2000A范圍外時，快速開關就會跳閘，阻止了電流地流通，防止了元器件的損壞。4.

39、2.2 過電壓保護(1) 交流側過電壓保護我們需要在變壓器的交流側設置阻容保護裝置來進行過電壓保護，因為變壓器的容量為160KVA遠遠大于5KVA。(4-11)變壓器直流側阻容吸收器的各參數：將采用與交流側相同的接線法，這里我們取，通過以下算式可以得到：由此，我們實際取值為，的臨界值。電阻值為：(4-12)實際取值為。阻容吸收器的電流為： 電阻的總功率為： 綜合以上數據，在這里我們選擇阻容吸收器原件如下：電容選取油浸電容，電容值為30uF，額定電壓為630V的電容3只，電阻選取繞線電阻，電阻值為，功率為1000W的電阻3只。壓敏電阻容定電壓為：壓敏電阻承受的額定V峰值實際選取型號為MY31-4

40、40/3的壓敏電阻3只，其額定電壓為440V，通過容量3KA。(2) 直流側過電壓保護根據交流側壓敏電阻的計算方法，可以選取壓敏電阻MY31-440/3型1只，并聯在整流裝置直流側。4.2.3 晶閘管保護取 ，電容耐壓電阻功率實選油浸電容，630V12只，繞線電阻，10W12只。第5章 電流環、速度環與無環流邏輯切換裝置的設計直流電機調速反饋控制單元主要由電流內環，轉速外環與無環流邏輯切換電路等部件構成。電流檢測電路、電流調節器ACR與觸發脈沖輸出電路構成了電流內環；轉速檢測電路、轉速調節器ASR與轉速給定電路構成了轉速外環；無環流邏輯切換電路能夠保證反并聯接的兩套晶閘管整流裝置不會同時進行整

41、流工作，實現了直流電動機的可逆運行，保證了晶閘管整流電路的穩定運行。控制系統中還使用了鎖0電路來確保機床穩定停車。圖3-1為控制系統的框圖。5.1 電流內環電流調節器ACR是電流內環的主要組成部分，其設計直接決定了電流內環的性能，電流內環的最大電流應該給定與轉速調節器ASR的飽和幅值相同的給定值，其值為直流電動機的被允許的最大電流值，保護了機床的安全，達成了時間最優控制。三相交流電網電壓波動可以通過電流內環來實現抗擾功能，保證了機床的平穩運行。5.1.1 電流檢測裝置為了讓電流負反饋信號方向在直流電動機可逆運行時不發生變化，我們在直流電機調速反饋控制系統中共設置了兩個電流調節器ACR和1個反號

42、器，因此本系統將使用的電流檢測裝置不用去管的極性。圖5-1為電路互感裝置與整流裝置：圖 5-1 電流檢測裝置5.1.2 電流調節器ACR比例積分調節器是一種非常常見的控制器，它包含了兩種控制器的長處，而且彌補了各自的短處，起到了互相補完的效果，因此PI調節器在控制系統中得到了較為廣泛的運用。電流調節器ACR將采用PI調節器形式來滿足本設計的要求，其主要由型號為BG305的集成運放構成。電流調節器ACR的輸出信號經過限幅和功率放大后產生了觸發裝置GT的移相控制信號，它的輸出最大值將被設定到上。圖5-2為其原理圖：圖 5-2 兩個調節器（ACR1與ACR2）的電氣原理圖當電流檢測裝置檢測到的主電路

43、中的電流過大或過小時，電流調節器ACR就會產生動作，電流調節器ACR會將輸出電壓控制信號的值變為，觸發脈沖也會被設定為，從而保證了機床的安全。當機床停機時，鎖0電路會將電流調節器ACR的鎖在0，保證機床正常停機。5.2 轉速閉環電流環在轉速環的里面，其是設計轉速環的基石，轉速環在調速系統中起主要的作用，電流環只起輔助作用，通過對其的設計來實現對直流電動機轉速的控制。5.2.1 轉速檢測環節和電壓隔離器本次設計使用直流測速發電機來作為轉速環的轉速檢測單元，它能夠把直流電動機的轉速轉換為電壓信號來實現轉速的測定，其輸出的電壓信號與直流電動機的轉速成正比，通過檢測其輸出的電壓即可得到直流電動機當前時

44、刻的轉速。直流電壓隔離器可以使直流測速發電機與控制系統互不影響。圖5-3為其原理圖：圖 5-3 轉速檢測和電壓隔離裝置原理圖5.2.2 轉速調節器ASR轉速調節器ASR是由型號為BG305的線性集成運放組成PI調節器形式，使機床在運行時能夠使轉速穩定在給定值，當負載發生變化時能夠及時作出調整，起到抗干擾的作用；此速度調節器可以實現無級調速，在穩態時無靜差，能夠很好地滿足本設計的要。5.2.3 轉速給定及給定積分器轉速給定環節由給定電源GS，給定電位器等部件構成。為了滿足本設計提出的要求，本系統將采用給定積分器作為本設計的給定裝置。給定積分器能夠利用其特性使直流電動機在加減速過程中速度均勻變化。

45、圖5-4為轉速給定環節以及給定積分器原理原理圖：圖 5-4 轉速給定環節和給定積分器原理圖5.3 無環流邏輯切換裝置5.3.1 無環流邏輯切換裝置的設計觸發裝置是用來控制晶閘管整流橋從而實現電動機的可逆運行，觸發裝置應能夠保證兩套晶閘管整流橋不會同時工作，其設計直接決定了機床運行的穩定性。本次設計將使用型號為KC26的集成化6脈沖觸發器，其由3個型號為KC04的移相觸發器、1個型號為的6路雙脈沖形成器和1個型號為的脈沖列調制形成器連接連接而成。邏輯切換裝置的輸出信號與反號器共同實現了對晶閘管整流橋的控制。在實際使用中，常常使用兩個型號為KC41裝置的電路，其輸入端將并聯在一起，兩套晶閘管的控制

46、輸入端連接其兩個控制端7。其輸出端連接12個功率放大器，由脈沖變壓器輸出脈沖分別控制整流橋工作，以實現直流電動機的無環流可逆調速系統。5.3.2 無環流邏輯切換裝置的工作原理邏輯切換裝置是本裝置中最重要的組件。其能夠根據生產的需求，發出控制信號：其用來控制晶閘管整流裝置，發出脈沖激活晶閘管正組整流橋，阻斷晶閘管反組整流橋的脈沖，使得正組晶閘管整流橋工作，發出脈沖激活晶閘管反組整流橋，阻斷晶閘管正組整流橋的脈沖，使得反組晶閘管整流橋工作，只容許這兩種狀態存在，保證正組與反組晶閘管整流裝置不同時工作。電流的給定信號的極性與0電流的檢測信號作為邏輯切換裝置的輸入信號，封鎖正組晶閘管整流橋脈沖信號與封

47、鎖反組晶閘管整流橋脈沖信號作為其輸出信號，兩塊型號為KC41的六路雙脈沖形成器的7號端口（脈沖輸出控制端）分別連接，二者分別用來控制正、反兩組晶閘管整流橋。在本設計的控制系統中我們規定，處于高電平時為1狀態，處于低電平時為0狀態。當為1時，正組晶閘管整流橋不工作，為0態時，正組晶閘管整流橋開始工作；為1態，反組晶閘管整流橋不工作，為0態時，反兩組晶閘管整流橋開始工作，圖5-5為其結構圖：圖 5-5 無環流邏輯切換裝置的結構圖5.3.3 其余各部件設計(1) 模數轉換裝置的設計模擬信號與數字信號的轉換可以使用使用電平檢測器來實現，由電流給定極性鑒別器與0電流檢測器構成，二者都采用型號為BG305

48、的線性集成運放來構建，圖5-6為其原理圖：(a)(b)圖 5-6 無環流邏輯切換裝置的原理圖(a) 電流給定極性鑒別器 (b) 0電流檢測器(2) 邏輯判斷與延時電路的設計邏輯判斷與延時電路（封鎖延時和開放延時）均采用具有高抗干擾能力的單元型號為JD123的與非門裝置，圖5-7為其結構圖：圖 5-7 邏輯判斷與延時電路的結構圖(3) 電容的選取與防短路保護電容與電容值的大小分別決定了封鎖延時和開放延時的長短。在三相橋式整流電路中，一般取3ms，一般取7ms，根據公式計算可以得到，實際選取電容、的金屬化紙介電容器，其正常工作時的電壓都為，為避免正反兩組晶閘管整流橋同時處于工作狀態，造成兩組晶閘管

49、整流橋短路事故，在系統中設置了多1保護環節，圖5-8為其原理圖：圖 5-8 多“1”保護環節原理圖第6章 調速環節的參數計算ASRACR本次設計使用的是直流它勵電動機，其為本次設計的被控制對象，它的動態特性為一階慣性環節與積分環節。雙閉環調速系統有兩個反饋環節，一個在內部，一個在外部，據此可以畫出其動態結構圖，圖5-6為其動態結構圖：圖 6-1 調速控制系統的動態結構圖我們的首要任務是根據上述條件，確定系統的形式，才能進一步地選擇調節器和計算各項參數。6.1 調速系統的系統型式的確定典型I型系統雖然設計比較方便，雖然其最大偏差比II型小，但是其應對擾動方面不如II型。典型II型系統對于本設計很

50、適合，雖然其設計較繁瑣，超調量也較大。在這種設計中，抗干擾能力比較高，所以設計時會采用典型的II型系統。當電網電壓開始發生波動時，電流環可以起到很好地反饋調節作用，所以在這里我們電流內環將使用成典型II型結構。負載擾動是轉速環所要面對的最大干擾量，根據設計提出的要求，為了起到及時調節，消除干擾，維持電機速度的穩定，轉速外環也最好使用典型II型結構。到這里系統形式就確定完成了。6.2 電流內環的調整6.2.1 電流內環的簡化與設計ASR電流環一般是用來控電流的。由于在現實的生產生活過程中，電阻與電感的比值比機械時間常數小得多，電流調節是很迅速的，但是反電勢E的變化就比較小，在這里我們可以不在意反

51、電動勢影響。此時，電流環的結構圖可近似為圖6-2。圖中的（電流環小慣性時間常數）。(a)ACR(b)ACR(c)圖 6-2 電流閉環及其簡化后的動態結構圖控制對象的傳遞函數為：(6-1)根據上式我們決定將轉速環I閉環校正成典型II型系統，在這里我們將使用PI調節器，為它的描述運動規律的微分方程，這里我們取，圖6-3是其電氣原理圖：圖 6-3 電流調節器ACR的結構圖6.2.2 電流調節器ACR的參數計算電流調節器ACR的各項參數和可以通過下列計算得出：電樞回路總電阻R：R的值是直流電動機電樞電阻，電抗器與晶閘管整流裝置總電阻之和，下面分別計算：(6-2)由公式可得R的值為：電樞回路總電感L：總

52、電感L與直流電動機電樞電流連續時的電感量相等，所以：式中的在這里我們實際取值為2.5mH，根據公式，得到，直流電機電樞回路的機電時間常數按下式計算：(6-3)放大倍數：(6-4)失控時間：電流反饋濾波系數：(6-5)被稱為電流的反饋濾波時間常數，在這里我們將取其值為，它為一個與結構有關的固定值。根據上述數據可得：，根據，在這里我們能夠將大慣性環節簡化為積分環節，圖6-4為簡化過后的電流內環：圖 6-4 簡化過后的電流內環在上圖中，。由電動機的準則可取ACR參數為h=5，代入上式中可得：(6-6)，由于我們選擇了型號為BG305的集成運放構成了電流調節器ACR，在這里我們取，如果電位器處于狀態，

53、根據公式。(6-8)(6-7)實際取值為：，。ACR的結構如圖6-5所示：圖 6-5 調節器ACR的結構圖6.3 轉速外環的調整6.3.1 轉速外環的簡化與設計轉速環作為電流環的外環，應該在電流環已設計好并已進行了一定地優化的前提下進行，以達到更好地控制效果。從圖6-2中可以看出電流內環的傳遞函數為：(6-9)式中，代入可得：(6-10)根據相關的理論方法，對傳遞函數進行相應的化簡操作，可以得到下式：(6-11)ASR電流環的等效傳遞函數可以用來替換圖6-1中的電流環，這樣就能夠取得其的動態結構圖，也能夠把電流環變成單位反饋的形式。一階時間常數可以通過把小時間常數T和融合得到，通過上述一番操作

54、可以得到簡化后的轉速環動態結構圖。圖6-6為轉速環結構圖：(a)ASR(b)圖 6-6 轉速環的動態結構圖轉速調節器ASR結構的確定：從設計對調速系統的抗擾性要求和轉速環的動態結構圖可以得到轉速外環在這里要構建成典型II型， ASR應該設計成PI調節器形式，這樣的設計可以基本上實現無靜差調速，很好地達到了設計要求對調速系統的調速性能要求。轉速調節器ASR的傳遞函數為：(6-12)這里我們取。6.3.2 轉速調節器ASR的參數計算轉速調節器ASR的參數包括驅動和，在這里我們不考慮負載擾動的影響，根據圖6-6可以得出的簡化后的轉速調節器ASR的動態結構圖，計算過程如下：(6-13)(6-14)+。圖 6-7 簡化后的轉速環動態結構圖飛輪慣量為：根據設計提供的參數可知該直流電動機，根據公式可得：。當直流電動機在額定勵磁時的電動勢與轉速的比值為：(6-15)當直流電動機在額定勵磁時的轉矩與電流的比值為：(6-16)在我們取直流電動機最高轉速時的給定電壓時，電流的反饋系數為：(6-17)我們在這里選取值為：，其被稱為轉速反饋的濾波時間常數，是一個與結構有關的固定的值。直流電動機的機電時間常數為：(6-18)(6-19)小慣性環節的時間常數之和為：根據最小準則可以選取轉速調節器ASR的值：h=5，經過計算可得：(6-20)(6-21)(6-22)轉速