二十四寸圆盘拉伸机直流调速系统设计

信息科学与工程学院课 程 设 计 说 明 书题 目 二十四寸圆盘拉伸机直流调速系统的设计 学生姓名 大 神学 号 0909888888专业班级 自动化大神班 指导老师 李 京 完成日期 2015.9.11课程设计说明书2前言直流电机具有优良的调速特性, 调速平滑、方便、调速范围广 , 过载能力强, 可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转, 能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求, 因此在工业控制领域, 直流电机得到了广泛的应用。较大功率直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点，被广泛应用到各种金属加工专用生产机械上，拖动机械设备，是金属加工工程作业的动力核心。本直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统，系统由控制电路与主电路组成。控制电路包括控制指令装置、控制器、反馈信号检测装置等部件，其作用是检测电机工作时的转速、电枢电流等信号，将检测到的信号反馈给控制器发出控制信号；主电路由电源、变流器、直流电动机等部件组成，其作用是根据控制信号调节电动机转速，拖动机械负载进行作业。本设计首先对系统的总体方案进行了论证，并按照选定的系统方案确定了主电路和控制电路的形式，对主电路进行了详细的设计，包括变压器、晶闸管及保护环节的选择和计算，对控制电路的控制器也进行了详细计算和校验，而对给定电路、晶闸管触发电路、电流检测电路、速度检测电路则仅做了方案设计工作并未进行相关参数计算。在课程设计的过程中参阅和引用了大量教材及国内相关的文献资料，计算所用到的主要参数和物理量文字符号见附录 A，系统电路原理图另附。课程设计说明书3目录前言 .21. 设计目的和要求 .41.1 设计目的 .41.2 设计内容 .41.3 设计背景 .41.4 设计要求 .52. 调速的方案选择 .52.1 直流电机调速的基本方法 .52.2 可控直流电源的选择 .62.3 系统结构的选择 .72.3.1 开环 V-M 系统 .72.3.2 单闭环转速负反馈直流调速系统 .82.3.3 转速电流双闭环直流调速系统 .93 主电路的设计与计算 .113.1 主电路的设计 .113.1.1 整流变压器的计算 .113.1.2 晶闸管元件的计算 .133.1.3 电抗器参数的计算 .143.2 保护电路的设计 .153.2.1 过电压保护 .163.2.2 过电流保护 .164 控制电路的设计与计算 .174.1 触发电路的选择 .174.2 给定电路的设计 .184.3 转速信号的检测 .194.4 电流信号的检测 .204.5 ASR、ACR 的设计和工程计算 .214.5.1 ASR、ACR 的设计 .214.5.2 调速系统的静态计算 .224.5.3 ACR 的工程计算 .234.5.4 ASR 的工程计算 .25结论 .27参考文献 .27课程设计说明书41.设计目的和要求1.1 设计目的运动控制系统是自动化专业的主干专业课，具有很强的系统性、实践性和工程背景，运动控制系统课程设计的目的在于培养学生综合运用运动控制系统的知识和理论分析个解决运动控制系统设计问题，使学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法，提高学生调查研究、查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，理解分析、制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。1.2 设计内容（1）根据工艺要求，论证、分析、设计主电路和控制电路方案，绘出该系统的原理图（2 号图纸） 。（2）设计组成该系统的各单元，分析说明。（3）选择主电路的主要设备，计算其参数（含整流变压器的容量 S，电抗器的电感量 L，晶闸管的电流、电压定额，快熔的容量等） ，并说明保护元件的作用（必须有电流和电压保护） 。（4）设计电流环和转速环（或张力环） ，确定 ASR 和 ACR（或张力调节器ZL）的结构，并计算其参数。（5）结合实验，论述该系统设计的正确性。1.3 设计背景二十四寸圆盘拉伸机直流调速系统的设计二十四寸圆盘拉伸机主要用来加工各种型号的铜、铝毛细管的专用生产机械，它由放线机、模具、拉伸机、夹钳臂、剪线钳、靠轮及收线机等组成。拉伸机机械系统的大体轮廓，其中放线机、拉伸机及收线机分别用三台直流电机来驱动，而靠轮。夹钳臂及剪线钳由气动阀来控制。课程设计说明书5(一) 生产过程及对电气控制系统的要求1、生产过程：收、放线筐复位 拉伸机定位 夹钳臂打开至对准模具口夹钳臂夹紧拉、收、放机合闸低速拉伸模座上升到位靠轮拉紧延时剪断管头高速拉伸完毕、靠轮松停机、准备下一个生循环，拉伸毛细管内径 0.81.2mm2、对电气控制的系统要求（1）拉伸机定位要准确，系统的制动性能好；（2）拉、收、放电机的线速度要严格保持协调，自动跟踪拉伸机速度，系统快速性好。（3）靠轮靠紧的拉伸机圆盘后、剪线钳才剪断线头，以保证顺利拉伸；（4）具有完善的连锁及保护功能；（5）有自动/手动切换功能1.4 设计要求设计要求:只设计圆盘拉伸机控制系统。技术指标：稳态无静差，电流超调量 ，空载启动至额定转速时的 5%转速超调量 10%直流电动机参数：， ， , , ，电枢回路=40=440=104 =1000/=0.3总电阻 R=0.5，电流过载倍数 =1.8， 2=77.522.调速的方案选择2.1 直流电机调速的基本方法直流电机电枢回路的平衡方程为： =+电枢反电动势为： = 由此可得转速特性方程为： =课程设计说明书6有转速特性方程可以看出，调节直流电动机的转速有如下三种方法： 11. 调节电枢电压调速2. 改变电动机励磁调速3. 改变电枢回路电阻调速对于要求在一定速度范围内实现无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，为满足设计要求，采用变电压调速。2.2 可控直流电源的选择实现直流调压调速，首先要有一个平滑可调的直流电源。常用的可调直流电源有一下三种： 21) 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机构成机组，以获得可调的直流电源。2) 相控整流器。用静止的相控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。3) 直流斩波或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。旋转变流机组由于至少包含两台与调速电机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因而设备多，体积庞大，日常运行和维护的费用高，至今只在少数尚未进行设备更新的工厂采用；脉宽调制变换器虽然可以得到脉动很小的直流电流，减少电机的损耗和发热，但由于受到整流器件容量的限制目前只用于较小功率的调速系统。在电力拖动系统中，主要用晶闸管整流元件组成整流电源，而晶闸管直流电机系统是在各种工业场合应用极为广泛的一种电力拖动系统。晶闸管三相全控桥式整流电路原理图如下： 3课程设计说明书7图 2.1 三相全控桥式整流电路原理图三相可控整流电路的类型有很多，包括三相半波、三相半控桥式、三相全控桥式等。其中三相全控桥式整流电路输出电压波形的脉动最小，并且可用于容量较大的直流电机。因此，为满足性能要求，采用三相全桥整流电路供电。2.3 系统结构的选择2.3.1 开环 V-M 系统由晶闸管相控整流器直接给直流电机供电的调速为开环 V-M 系统，系统原理框图如下：图 2.2 开环 V-M 系统原理框图电动机 M 是被控对象，转速 n 是被调量，晶闸管相控整流器采用三相全桥整流电路，通过调节触发器 GT 的移相电压，便可改变整流电压 Ud，实现平滑调速。电流连续时，开环系统机械特性为: 2=1(66)=0课程设计说明书8当电动机加负载时，电枢回路就产生相应的电流 Id，此时即产生 的=转速降。 越小，机械特性的硬度越大。系统开环运行时， 完全取决于电枢n 回路总电阻 R 及所加负载的大小。因此，从整体来看，开环 V-M 系统的机械特性是很软的，满足不了设计要求，需要设置反馈环节，以改善系统的机械特性。2.3.2 单闭环转速负反馈直流调速系统单闭环转速负反馈直流调速系统是一种最基本的反馈控制系统，其系统框图如下：图 2.3 单闭环转速负反馈直流调速系统原理框图该系统的控制对象为直流电机 M，被调量是转速 n。测速发电机 TG 引出与转速成正比的负反馈电压 Un，U n与转速给定电压 Un*比较后送给转速调节器ASR，ASR 输出移相控制电压 Uct送给晶闸管触发器 GT，用以调节晶闸管整流输出电压 Ud,从而控制电动机的转速。单闭环转速负反馈直流调速系统的静特性方程为： 2=(1+)=0通过比较闭环系统静特性与开环系统机械特性，可以得出以下结论：1) 闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多=1+2) 闭环系统静差率比开环系统小得多课程设计说明书9=1+3) 当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高 =(1+)因此，单闭环转速负反馈直流调速系统可以达到较好的稳态性能指标，但其跟随性能和抗扰性能一般难以达到设计要求。2.3.3 转速电流双闭环直流调速系统为了能够获得更好的跟随性能，提高生产率，充分利用晶闸管器件及电动机的过载能力，要求设计实现近似于理想的起动。理想启动的过程如下图：图 2.4 调速系统理想启动的电流和转速波形理想起动就是在整个过程中，起动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩起动，转速迅速以直线规律上升，以缩短起动时间；起动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。为了实现近似于理想的起动，我们考虑在转速单闭环的基础上引入电流负反馈。转速电流双闭环直流调速系统原理框图如下：图 2.5 转速电流双闭环直流调速系统原理框图该系统为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统中设置了电流调课程设计说明书10节器 ACR 和转速调节器 ASR。ACR 和电流检测-反馈回路构成了电流环，ASR 和转速检测-反馈环节构成了转速环。在电路中，ASR 和 ACR 串联，即把 ASR 的输出作为 ACR 的输入，再由 ACR 的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。ASR 和 ACR 均为 PI 调节器，以实现快速的响应和稳态时的无静差。其输入/输出设有限幅电路。ACR 输出限幅值限制了晶闸管整流器输出电压