毕业设计--龙门刨床主拖动控制系统的改造.doc

中国矿业大学银川学院毕业设计 本 科 毕 业 设 计（ 2014 届）题 目 龙门刨床主拖动控制系统的改造 系 别 机电动力与信息工程系 专 业 机械电子应用及自动化 年 级 学生姓名 指导教师 2014年 5 月 4 日中文题目：龙门刨床主拖动控制系统的改造毕业设计共37页图纸共 2张完成日期：2014年 5 月 4 日答辩日期：2014年 5 月 8 日摘 要在分析和研究龙门刨床（B2012A）原控制系统的基础上，设计了龙门刨床双闭环直流调速系统。该系统根据调压调速和自动控制的理论基础，通过改变直流电动机的电枢电流进行调速，从而实现工作台的可逆调速，起制动时既能快速启动和制动，保证机械冲击不过大。能实现慢速切入，稳速加工，快速换向，点动调节等各种加工工艺要求。克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高的一系列缺点。关键词：龙门刨床；双闭环直流调速系统；调压调速 1目 录1 概论11.1 龙门刨床的基本情况11.2 龙门刨床自动控制技术的发展历史及趋势11.3龙门刨床的工艺特点21.4 现有龙门刨床控制系统存在的问题31.5 课题的研究意义41.6 本课题的主要任务42 调速系统方案设计52.1 理想的速度运行曲线52.2 理想运行状态下龙门刨床对自动控制系统的要求52.3 调压调速的选择72.4 主拖动电动机供电方式的选择92.5 双闭环控制系统的选择92.6 触发电路的选择102.7 调压调速控制系统主回路的选择112.8 电动机直流调速的介绍113 调速系统主回路的设计143.1 主回路的电气原理图143.2 主电路的过电压和过电流保护143.3.1 确定变压器T的参数,变压器为了消除三次谐波而采用/Y接法。153.3.2 元件参数的选择：163.3.3 平波电感器的参数计算：163.3.4 电动机电枢电感的计算173.3.5 变压器漏电感的计算173.3.6 快速熔断器的选择173.3.7 主拖动电动机的容量184 调速系统的控制电路设计194.1 转速电流双闭环系统速度194.1.1 系统组成及工作原理194. 2 逻辑无环流系统204. 3 逻辑装置的组成与分析225 调速系统的计算305.1电流环中电流调节器的设计305.2 速度调节器的设计326结论36致谢37参考文献38 1 概 论1.1 龙门刨床的基本情况 图11 龙门刨床结构示意图B2012A型龙门刨床主要有8部分组成，包括床身，工作台，横梁，垂直刀架，侧刀架，立柱，龙门顶梁，刨刀。如图1-1中刨床左右立柱上托有可上下移动的横梁，横梁上装有可在横梁上横向移动并垂直进给的左右俩个垂直刀架，左右俩立柱上分别设有可上下移动并横向进给的左侧刀架和右侧刀架工作台安装在底座上，可做往复运动。龙门刨床的运动分为主运动，进给运动，辅助运动。 图1-1结构示意图主运动是指工作台连续往返的直线运动。工作台前进时为工作行程，即切削行程，此时带动工作台的电动机有负载；工作台后退时，即返回行程，刀具抬起，主电动机空载运行。 进给运动是指刀架的进给。当返回行程结束，工作行程将要开始的时候，道具相对于工作台有一个位移，这个位移也叫进刀量。辅助运动是指横梁的加紧和放松，横梁的上下移动。刀架的快速移动，以及返回行程时的抬刀运动等。1.2 龙门刨床自动控制技术的发展历史及趋势 在进给系统（如横梁、刀架）中，用交流鼠笼电机拖动，利用皮带、齿轮传动或用电磁离合器来改变进刀和退刀方向。这种传动方式电气装置简单，但机械结构较复杂并且调速困难，皮带和离合器经常损坏，这是比较古老的龙门刨床。龙门刨床的电力传动系统，由始至今一般有以下两种方式：1）工作台主传动系统在历史上曾经采用电机扩大机-直流发电机-直流电动机组成的直流调速系统，简称K-F-D系统。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的毛病，系统可靠性相对较高一些，调速范围较宽。但其有如下缺点：调速系统占地面积大，噪音大，设备投资大；耗电量大，效率低；惯性大，调速系统动态和静态性能均不理想；操作，维修，检修工作量大可靠性差。2）随着电力电子技术的发展，从上世纪七八十年代起，工作台主传动系统是以可控硅-直流电动机模拟调速系统，简称SCR-D系统为主。SCR-D系统可省掉扩大机组和发电机组，节省成本，其系统的效率几乎与负载无关，适宜于负载变动较大的情况，且可控硅基本上属于无惯性环节，反应速度较快，电磁惯性可以减到很少，但SCR-D系统可靠性稍差。因可控硅电压与电流过载能力小，在过压、过流、电压和电流上升率太大的情况下容易损坏，且受温度影响，特性易变化，触发部分用的半导体元件其特性受温度影响也易发生变化，受外界干扰，易产生误动作。另外，SCR-D系统的调速范围，除了受电动机电枢压降影响外，还受可控整流线路参数的影响，在低速时可控硅控制角增大，管压降增大，致使静差度增大，调速范围低。龙门刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的龙门刨床主拖动系统都存在着投资大、消耗量大、调节精度不高、换向冲击大等一系列缺点，因此对龙门刨床电控系统进行改造势在必行。近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，自动控制调速技术不断完善，部分龙门刨床己改造成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全自动控制系统完全取代。1.3 龙门刨床的工艺特点龙门刨床是制造大型机械设备不可缺少的工作母机。应用非常广泛，具有多种控制要求。其主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适用于加工大型的、狭长的机械零件，如机床的床身、箱体、立柱、导轨等。其生产工艺的特点是工作台与工件频繁的进行往复运动。工件的切削加工仅在工作行程内进行，而返回行程只做空运转。在切削时没有进给运动，只在返回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定距离。因而龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动。龙门刨床工作台速度运行图如图1-2所示1。图中：LQ工作行程；LH返回行程；VJ慢速切入速度；VQ切削速度；VH返回速度；图1-2 原龙门刨床工作台速度运行图0-t1工作台前进起动阶段；t1-t2刀具慢速切入阶段；t2-t3加速至稳定工作速度阶段；t3-t4稳定工作速度阶段；t4-t5减速退出工作阶段；t5-t6反接制动到后退工作阶段；t6-t7后退穗定速度阶段；t7-t8后退减速阶段；t8-t9后退反接制动阶段。刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为慢速切入。切入工件后再加速到规定的切削速度VQ。切出工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提高生产率，反向时直接加速到高速返回速度VH。返回行程再反向到工作速度之前，为了减少反向时的越位，还要求有一个减速过程。1.4 现有龙门刨床控制系统存在的问题从速度运行图1-2可以看出，在龙门刨床的工作过程中，对起动、制动特性要求很高，由于换向快，正反向起动、制动频繁，其中有很大一部分时间是工作在过渡过程中，为了提高生产效率，显然必须尽量缩短换向过渡时间。但是换向的时间愈短，起、制动电流就愈大，这样又容易损坏电机，而且换向时速度突变使刨床产生较大的机械冲击，这对工作台主拖动直流电机和传动机构都有很大的影响，导致传动部件的快速磨损，降低刨削加工质量。而且由于老式龙门刨床大多数采用的是“电机扩大机-直流发电机-直流电动机(K-F-D)”主拖动系统，存在投资大、用料多、耗电量大、占地面积宽、噪音大、难维护等一系列缺点；经上世纪后期改进为可控硅直流调速系统(SCR-D系统)，但还存在着一些问题：如电路结构复杂，需要的功率开关元件多；在相控方式下电压、电流波形的畸变因数和相移因数随运行速度一同下降；主电路开关频率低，使系统的截止频率过低，不利于提高系统对外部信号的响应速度等。因此，提高调速精度和工作效率，消除换向冲击，保护主电机和传动机构，成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。1.5 课题的研究意义龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳定，使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。在传统龙门刨床中，这种现象尤其明显，其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的水平，但控制和驱动部分则显得不同程度的老化，这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用。本科题所使用的调压调速目前已经成为了直流电动机最主要的调速方式，而且随着新的控制理论和电力电子技术的等相关技术的发展，在很多领域都还得到了广泛的应用。它具有调速范围大，调速平滑，可获得无级调速；设备的体积、重量小，投资少；运行时噪声小、能耗小、效率高；控制方便；容易安装及维护等优点。1.6 本课题的主要任务本课题对龙门刨床的控制调速系统进行全面改造，对龙门刨床主电机设计了双闭环直流调速系统，以取代原来的控制系统，消除其诸多弊端，使刨床经济有效运行。课题主要完成以下几点要求：1）可递性：电机正转时进行切削，反转时空载返回。2）调速范围：D20。3）静差度：S0.14）恒转矩负载：采用调压调速。5）空载起动到额定转速超调量n10%。6）实行联锁保护。2 调速系统方案设计2.1 理想的速度运行曲线要提高龙门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现可逆运行。其理想的速度运行图如图2-1所示：图2-1 工作台理想速度运行图图中：LQ工作行程；LH返回行程；VQ切削速度；VH返回速度；0-t1工作台前进加速至稳定工作速度阶段；t1-t2稳定工作速度阶段；t2-t3减速至零前进换向；t3-t4后退加速阶段；t4-t5后退稳定速度阶段；t5-t6减速至零后退换向。由图2-1可见，工作台换向时加、减速平滑且时间短，能很好地消除因换向时速度突变产生的机械冲击，大大提高工作效率2。2.2 理想运行状态下龙门刨床对自动控制系统的要求自动控制系统一定要满足生产机械的工艺要求。龙门刨床的工艺特点及其对自动控制系统的要求如下：1）可逆性：龙门刨的工作台在加工过程中作反复运动，在工作行程（工作台前进，电机正转） 时进行刨削加工，返回行程（工作台后退，电机反转）时空载返回原地。2）调速范围：龙门刨的切削速度决定于下列三个因素：第一，切削条件（吃刀深度、走刀量）；第二，刀具（刀具的几何形状、刀具的材料）；第三，工件材料。对于每一个具体情况，有一最佳切削速度。空载返回时要求提高生产率采用高速。为了调整与磨削要求低速。因此，工作台在不同情况下工作时，应有不同速度。所以，龙门刨要求调速范围广。B系列龙门刨为20，高速90m/min,低速4.5m/min。3）静差度：由于工件表面不平和材料的不均匀而使切削力发生波动。如果拖动工作台的电动机转速随负载波动而波动很大，将降低生产能力，还会影响加工精度和表面光洁度。因此，B系列的龙门刨静差度的要求为0.1。4）作台往返循环中的速度图：工作台的速度图如图2-2所示。在工作行程中，为避免刀具切入工件时的冲击而使工件崩裂，或损坏刀具，要求切入速度低；在切削结束时，为避免刀具将工件剥落，要求切出速度低；在返回行程中，为了提高生产率采用高速返回；由于返回速度高，工作台的惯性大，为了减小停车时的超程（又称越位），要求返回行程结束前先减速，然后停车。5）工作台的负载性质：金属切削机床的 切削速度、切削量与刀具的强度有一定的关系。 图2-2工作台的速度图当刀具的强度一定时，切削量与切削速度成反比。但是，机床工作时所允许的切削力是有限制的，不能超过机床所允许的最大切削力Fmax。对最大切削力时的速度称为计算速度VJB。B2010A的VJB=25m/min。因此，实际切削力与切削速度的关系如图2-3中曲线所示。龙门刨的实际切削功率P=FV。在计算速度以下，切削力一定，功率与速度成正比；达到计算速度时，实际切削功率最大，其值为Pmax=FmaxVJB。因此计算速度以下是恒转矩负载，采用调压调速比较合理；在计算速度以上为恒功率负载。其实际功率与速度的关系如图2-3中曲线所示。6)快速性：为了提高生产率，要求工作台正反向的起动与制动过程要快。而且停车要迅速，越位不能超过允许值。7)要有一定的联锁保护：为了保证龙门刨正常而可靠地工作，需要一定的联锁保护。在下列情况下，工作台应该立即停止：如工作台越位超过允许值、油泵停止工作、横梁在移动、电动机过载等。 2.3 调压调速的选择 直流电动机的机械特性方程为： 图2-3 龙门刨床的F-V与P-V图 (2-1)式中： U加在电枢回路上的电压R电动机电枢电路总电阻 电动机磁通Ce电动势常数CT转矩常数此公式也是直流电动机的调速公式，改变加在电动机电枢回路的电阻R，外加电压U以及磁通中的任何一个参数，就可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。1）改变电枢回路电阻调速当电枢电路串联附加电阻R时，其特性方程式变为： (2-2)式中：R0电动机电枢电阻R电枢电路外串附加电阻即电动机电枢电路中串联电阻时特性的斜率增加，在一定负载转矩下，电动机的转速降增加，因而实际转速降低了。用电枢回路串联电阻的方法调速，因其机械特性变软，系统转速受负载影响大，轻载时达不到调速的目的，重载时还会产生堵转现象，而且在串联电阻上流过的是电枢电流，长期运行时损耗也大，经济性差，因此在使用上有一定的局限性。2）改变电枢电压调速当改变电枢电压U时，理想空载转速也将改变，而机械特性的斜率不变，此时机械特性方程为： (2-3)其中：=；其特性曲线是一簇以U为参数的平行直线，由此可知，在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化率范围内可以获得较低的稳定转速，故此方法的调速范围很宽，一般可达到10-20，如采用各种反馈或稳速控制系统，调速范围可达几百到几千。改变电枢电压调速方式属于恒转矩调速，并在空载或负载转矩时也能得到稳定转速，通过电压正反向变化，使电动机能平滑的起动和工作在四个象限，能实现回馈制动，而且控制功率较小，效率较低，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因此在工业中得到广泛使用。3）改变磁通调速在电动机励磁回路中，改变其串联电阻的大小，或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压，都可以改变励磁电流和磁通。采用调节励磁进行调速时，在高速下由于电枢电流去磁作用增大，使转速特性变的不稳定，换相性能也会下降。因此采用改变磁通来调速的范围也是有限的，同时这种调速方式只适合于带恒功率负载，实现恒功率调速。综合上面各方面原因，本人觉得选择第二种调速方法比较合适，即调压调速。但龙门刨调速范围为20，若采用调压调速，则直流电动机的功率要比负载实际功率大90/25=3.6倍，显然不合理，故可采用机电联合调速，既采用二级齿轮变速，配合调压调速：（4.5-45）m/min采用调压调速，（45-90）m/min采用齿轮变速。2.4 主拖动电动机供电方式的选择实现变电压调速，首先要有可调的直流电源。龙门刨主拖动电动机的供电方式有两种：1）采用整流装置；2）采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速，即采用直流发电机供电。但由于直流发电机需要原动机拖动，能量要多次转换，故效率低，体积大，占地面积多，噪声大且初始投资大，因此在本设计系统中采用整流装置的供电方案。2.5 双闭环控制系统的选择控制系统可分为两种：开环控制系统和闭环控制系统。虽然开环系统能够实现平滑无级调速，但其机械特性比较软，稳速能力差。如果生产机械对稳速性能没有什么要求，开环系统可满足一定范围内平滑调速的要求。但是，许多生产机械除需要无级调速外，常还有对静差率的要求。例如本设计中的龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，在加工时负载大小有波动，为了保证工件的加工精度，加工过程中速度应该比较基本稳定，不能有较大的变化，因此它对拖动的要求是在满足静差率5%条件下，调速范围D=20-40。但开环系统如果要满足以上静差率的要求，它的调速范围就很小了。显然开环调速系统不满足龙门刨的调速要求。为了扩大调速范围，只有设法减小静态速降nnom，但开环系统主回路的总电阻R和电机参数Ce是实际存在的，在额定电流Inom时静态速降n=InomR/Ce是无法减小的。因此只能引入被控制量的负反馈，将开环系统改为闭环系统。闭环系统又分为单闭环调速控制系统、双闭环系统和多闭环控制系统，对于本设计到底选用哪种闭环系统呢，下面我们就此来进行讨论。龙门刨在生产实际中处于经常起动、制动、正转、反转的运行状态。在工作行程中其工作台作往复运动，为了避免刀具切入工件时的冲击而使工件崩裂，或损坏刀具，要求切入速度低；在切削结束时，为了避免刀具将工件剥落，要求切出速度低；在返回行程中，为了提高生产率采用高速返回；由于返回速度高，工作台的惯性大，为了减小停车时的超程，要求返回行程结束前先减速，然后停车。 对于这类生产机械的拖动系统而言，只有稳速阶段才可用于有效生产，为了提高生产率，应该尽量缩短一个工作周期内的起动时间与制动时间，因此电动机必须以最大的起动电流起、制动。如果采用单闭环调速控制系统，那么起、制动电流可达到额定电流的3-5倍，如果不限制起、制动电流，无疑会缩短电机寿命，且当龙门刨被卡住时，导致电机堵转会烧坏电机，为了防止这类情况的出现，必须加电流截止负反馈以限制最大起动电流、制动电流、堵转电流。但是加上电流截止负反馈环节的单闭环调速系统只能限制电机的最大的电流，并不能达到令人满意的快速起动和制动性能，只是因为电流一直都是变化着的，达到最大值后，由于负反馈的作用加强和电机转子中的电势增加，电流又被降下来 ，电动机转矩也随之减小，从而延长了起、制动时间。同时单闭环系统在动态响应、起制动性能和抗扰调节能力上也比不上双闭环系统。综合上面的讨论我们知道单闭环调速系统满足不了本设计的要求。对于多闭环调速系统，由于它主要是控制系统的超速，只有在要求调速运行非常平稳的系统中才采用，同时由于结构复杂，技术性强，且投资高，不符合本设计的要求。从上面各种分析来看，本设计应选用双闭环调速控制系统3。2.6 触发电路的选择在触发电路的选择上，我们采用了KCRS3通用调压调速装置。三相移相调压调速装置KCR-S3是采用专用集成电路的触发器；用于交直流调压和交直流电动机调速。该装置将控制电压转换为相应导通角的功率足够大的触发脉冲，使电路可靠地工作。每一相输出脉冲能可靠地驱动一只大功率。触发脉冲为高频调制的脉冲列式双脉冲，能保证触发可靠，换流准确。KCRS3设有反馈电压线性整流，电压电流PI调节。装置对输出电压、输出电流采样后，作为反馈信号，实现闭环控制。闭环分内环和外环。内环实现电流自动调节，主要保证调节精度；外环实现电压自动调节，主要保证系统的稳定度。这样，系统的精度和稳定度都得以兼顾。装置还有软启动、电流截止、缺相保护等功能，并为霍尔传感器提供了电源端口4。 KCRS3广泛用于三相全控半控整流、六相半波整流、六双反星整流、交流调压、有源逆变、稳压源、稳流源、蓄电池行业、水处理行业、传动系统中电动机调压调速和串级调速等控制设备中。 KCRS3功能齐全，结构紧凑，使用方便，价格合理。只要在装置相应端口上接入三相380V电源，不需再接同步信号、直流电源和控制电压。触发脉冲调制频率达10KHZ，最大触发电流达500 mA，可以触发任何功率的电动机。各相触发脉冲间具有良好的均衡性（不均衡度不大于30），软启动时间5秒左右。KCR-S3具有电流保护和缺相保护功能，一旦发生过流（150额定电流）或电源缺相，立即封锁触发脉冲，截止， 输出报警信号。保护动作时间10mS 并保持到关机。KCR-S3稳压、稳流精度为1%。 KCR-S3接线端口JK1有20位，用户可以根据需要选用不同的端口，使用十分灵活方便。2.7 调压调速控制系统主回路的选择采用两套晶闸管桥式整流装置供电的可逆系统，即三相桥式反并联连接5。它是将两组整流器反向并联，交流侧接在同一台变压器二次绕组上，可以向电动机提供两个方向的电流，在一组整流器处于整流状态时，另一组处于逆变状态，并使两组整流器输出电压相等。若整流桥的输出电压比电动机的反电动势高，则由处于整流状态的整流器提供功率，电动机处于电动状态，相反，若该电压调整得比电动机的反电势低，则电动机向处于逆变的整流管提供功率，电动机进行再生制动。尽管整流组的电压和逆变组的电压平均值相等，但瞬时值却不一样，因而在电路中出现了差值电压，形成了一个环流回路。这种线路的特点是：1）由于正反两组整流桥都用同一台变压器供电，所以变压器利用率最高，为理想直流输出的1.05倍。2）由于有两个环流回路，至少需要两台空心电抗器，故电抗器的设计，除了能限制环流外，要能在正常工作时满足电机允许的最小电流连续程度和波纹的要求，并且在故障时能限制电流上升率，使直流快速断路器能在快速熔断器熔断以前先跳闸。3）反并联的两组变流器，由于所接的是同一台变压器的二次绕组，故相互有影响，特别是在作为有环流线路运行时影响更大，可靠性较差，因此这种方案一般都是在无环流可逆系统中使用。2.8 电动机直流调速的介绍1） 系统的组成以整流装置作可调电源的直流电动机调速系统叫电动机系统，简称KZ-D系统。系统由整流装置装置、滤波电抗器和直流电动机组成。整流装置由整流电路、触发电路及移相控制单元组成6。整流电路两端输出电压是一脉动电压，其中除了直流分量以外，还含有交流分量。交流电压分量加在直流电动机电枢上是不会产生有效转矩的，但却增加了电枢内的损耗，因而是不利的。为了减少电流分量，在主电路中串入滤波电抗器，以滤除主电路电压和电流中的交流分量。除此以外，滤波电抗器还可以起到使主电路电流波形连续的作用。2)系统的机械特性当主电路的电流较小时，其电流波形是不连续的，系统的机械特性变的很陡。但实际上，在KZ-D系统中，主电路往往串有滤波电抗器，它可以使电流波形连续，这时可以忽略特性很陡所造成的非线性问题，则KZ-D系统的机械特性方程式可写为： （2-4）式中为整流电压；为整流装置的等效内阻；、分别为电动机的电枢电阻及磁通。由于整流装置的等效内阻要比发电机-电动机系统的内阻要大，因此KZ-D系统机械特性的斜率比发电机-电动机系统的要大一些，即特性要软一些。3)系统的调速KZ-D系统也可以实现基速以下和基速以上的调速7：在基速以下采用调压调速。这时，电动机的磁场应保持恒定，电动机励磁绕组采用不可控整流电路（即二极管整流电路）供电。由于整流电压是控制角的函数，因此只需改变触发电路的控制电压，使触发脉冲移相，就可以改变控制角及，实现调压调速。基速以上采用弱磁调速。这时电动机的励磁应可调，电动机的励磁绕组单独用一套整流装置供电。在调压调速时，应将电动机的励磁电压调在额定值上，只有在基速以上才将励磁电压调小，以实现弱磁调速。4)系统的评价优点：调速范围大；调速平滑，可获得无级调速；设备的体积、重量小，投资少；运行时噪音小、能耗小，效率高；控制方便；容易安装及维护。缺点：采用整流装置会带来以下不利：整流电流中的交流分量使电动机的损耗增加，换向条件恶化，从而给电动机的运行带来不利；低速时控制角大，从电源端来看，电流落后电压很多，因而功率因素很低；由于电压和电流中含有高次谐波，高次谐波反映到交流电网中去，会使电网电压波形发生变化（不是纯正弦波），造成所谓“电力公害”，在电网容量相对较小的系统中，这种影响尤为严重。但是，从整体上讲，无论在经济性能和技术性能上，KZ-D系统都优越于发电机-电动机系统，而且随着技术的发展，其缺点将不断被克服。因此，KZ-D系统在实际生产中越来越广泛应用。3 调速系统主回路的设计3.1 主回路的电气原理图图如下 3-1所示：选择主回路型式：采用三相桥式反并联。 3.2 主电路的过电压和过电流保护过电流保护可根据需要选取以下几种：1)在交流进线回路，串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，以限制由于晶闸管击穿造成交流侧短路时产生的故障电流；2)直流侧设置直流快速开关； 图3-1三相桥式反并联连接3）调节系统中电流调节器起限制电流作用；4）在交流侧设置过电流检测装置，当出现过电流时，将触发脉冲移到最小逆变角外，以抑制过载电流；过电压主要产生在晶闸管变流回路中，变流变压器的通断、感性负载的开断、晶闸管的换相、以及快速熔断器、快速熔断器的断开过程中。在晶闸管交流回路中，通常采用的过电压保护形式如下图3-28。图3-2过电压保护形式D-变压器静电屏蔽 C-静电感应抑制电容 RC1-变流整流式抑制回路 RC2-交流阻容抑制回路 RC3-换向过电压抑制回路 RC4-直流阻容抑制回路 RV1、RV2-交、直流测压敏抑制回路 QM-交流侧断路器 QF-直流侧断路器FU-快速熔断器上图中接于变流装置交流侧的保护回路有： 交流侧阻容式保护回路；整流保护回路；交流侧压敏电阻保护回路；静电感应过电压保护回路；换相过电压阻容保护回路。第项主要用于抑制断开交流器交流进线电压时所产生的阶跃尖峰过电压；第用于抑制由于变压器寄生电容的存在而在变压器接通的瞬间所产生的过电压；第项接在晶闸管阳极与阴极之间，用以抑制器件换相、晶闸管恢复阻断时，由于变压器漏抗而引起的换相过压降。在直流回路中，为了抑制主回路电感储能的释放而产生直流侧过电压，通常用阻容回路或压敏电阻抑制。3.3 主电路的参数计算：3.3.1 确定变压器T的参数，变压器为了消除三次谐波而采用/Y接法。变压器副方的参数计算：相电压： (3-1)已知三相桥式Ud=220V，A=2.34，代入上式得U2=1.5220/2.34141V相电流： (3-2)已知：三相桥式的Id=305A，K12=0.816，代入上式得I2=0.816305249A变压器的变比： (3-3)已知：U1=380V，U2=141V，代入上式得K=380/141=2.695倍。变压器的原方参数相电压：U1=380V，相电流： =249/2.69592.4A变压器的视在功率：副方视在功率 =3141249=105.33KVA原方视在功率 =338092.4=105.34KVA平均视在功率 =（105.33+105.34）/2=105.335KVA所以我们在这取S=105KVA3.3.2 元件参数的选择：额定电压： UTn=（23）UTM (3-4)UTM=U2=141345.4V，故UTn=2.5 UTM=863.5V额定电流： IT（AV）=（1.52）k Id (3-5)在这我们已知k=0.367，Id=305A，把其代入上式得IT（AV）=20.367305224A，所以晶闸管的型号规格选为KP300。3.3.3 平波电感器的参数计算：从限制输出电流脉动的角度来设计电抗器电感值 (3-6)查表可得对于三相桥式电路：=0.42，电流脉动系数= ，又交流基波幅值= I2= 249351A，=305A，所以=351/305=1.15，把上面各参数代入上式得L=0.169mH。从维持输出电流连续的角度来设计电抗器的电感值 (3-7)若使电流连续的最小负载电流=0.5A，对于三相桥式电路的临界电感计算系数=0.693，所以：=（0.693141）/0.5=195.4mH若使电流连续的最小负载电流为10A，则L=19.54mH，取L=20mH。3.3.4 电动机电枢电感的计算直流电动机电枢电感 (3-8) 式中，P为电动机的极对数，已知P=2，=220V，=1000r/min，=305A，无补偿绕的电机系数KD=8-12，在此我们选=10，代入上式可得=1.8mH。3.3.5 变压器漏电感的计算 (3-9)式中，为变压器的阻抗电压百分值，1000KVA以下的变压器，=0.055，对于三相桥式电路=3.9，已知：=141，=305A，代入各参数可得0.1mH。3.3.6 快速熔断器的选择对于三相全控桥式电路，熔断器有相接，臂接和接在整流装置直流侧三种方式。熔断器相接时，可防止晶闸管损坏或直流侧故障而引起的短路损害。但在通过故障电流时，对晶闸管的保护效果要差些，故多用于中小容量装置，熔断器接于直流侧时，可对负荷侧的过电流或短路起保护作用，但对晶闸管本身造成的短路不起保护作用，故多用于小功率装置。通常选用臂接熔断器，其额定电压和额定电流按以下方法选取：应大于电器正常工作时的电压有效值，再留有适当的裕量即1.1式中，变流变压器二次电压有效值。应按有负载图计算出一个工作周期内负载电流有效值选取,即1.3，电流计算系数，对于三相桥，3.3.7 主拖动电动机的容量因为龙门刨工作台的最大拉力=78480N，最大拉力时的最高切削速度=25m/min，传动机构效率=0.7。则直流电动机的最大负载功率为：=（7848025/60）/0.7=46.7KW考虑到工作行程中可能产生过载，允许过载倍数为1.4倍，则电动机的实际功率为：=46.7/1.4=33.3KW式中，为过载倍数，由于（25-45）m/min范围内调速方法与生产机械负载性质不匹配，电动机的额定功率比实际功率要大1.8倍，则电动机的额定功率为：=1.833.360KW因此所选电动机的额定数据如下：=60KW，=220V，=305A，=1000r/min，额定激磁电压=220V，额定激磁电流为=4.1A，激磁绕组电阻=52，电枢电阻=0.04。4 调速系统的控制电路设计4.1 转速电流双闭环系统速度4.1.1 系统组成及工作原理对于像龙门刨床这样经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如右图，这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。在整过过程中，使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，转矩迅速以直线规律上升，以缩短起动时间；启动结束后，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。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，右图4-1所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么同反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是 图4-1理想快速启动过程希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。双闭环调速系统可以很好地解决这个问题。起动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如下图4-2所示，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TA为电流互感器，GT为触发装置，为转速给定电压和转速反馈电压，为电流给定电压和电流反馈电压，TG为测速发电机。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。ASR和ACR均为比例积分调节器，其输入/输出设有限幅电路。ACR输出限幅值为Udm,，它限制了晶闸管整流输出电压Udm的最大值。ASR输出限幅值为U*im，它决定了主电路中最大允许电流Idm。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图4-2转速、电流双闭环调速系统结构框图4. 2 逻辑无环流系统逻辑无环流系统是指在电动机运行过程中，两组反并联连接的交流器之间完全没有环流的可逆系统。可以根据电动机需要的电枢电流极性，通过一个逻辑单元来选择某一组变流器的工作。下图4-3所示是一种带模拟开关的逻辑无环流系统。 图4-3逻辑无环流系统原理图系统正确工作时，为负，ASR输出为正，其中一路送到逻辑装置的转矩极性鉴别器，切换逻辑装置AL电路，使模拟开关触点和闭合，另一路经输入到电流调节器ACR，使电流调节器输出为负，正向组脉冲前移小于，电动机正转。变流器的切换是在电动机转矩的极性需要反向时进行，其切换顺序如下：1)改变给定电压使极性为正，或由于负荷力矩变化引起电动机转矩的变化，使ASR输出变负，并通过电流调节器使工作组工作在逆变状态。2)辑装置AC接受转矩变化的命令。3)作组电流下降到零，逻辑装置零电流检测器确认电流实际值为零。断开，触点4)正向脉冲被封锁。5）经一段延时，K21，K22触点接通，反向组有触发脉冲，同时速度调节器输出通过反号器送到电流调节器，使反向组变流器工作在逆变状态，电动机进行再生制动。为了保证系统的正常工作，应尽量缩短切换时间。在切换时间中，电流换向死时占主要成分。一般死时时间在10以下，不会对调节系统的品质起影响，在2030内对调节系统的动态品质稍有影响，当反向死时超出30的数据很多时，将会对调节系统的动态品质有很大影响。逻辑无环流系统在两组变流器工作状态发生切换时应保证不发生换相失败，两组变流器在任何时刻都不能同时工作。为了确保系统的正常工作，还应注意以下几点：1）电流实际值为零的检测要有关断等待时间在确认电流真正为零后，才能切除工作组的触发脉冲，如果电流还处在流通的状态下，而且工作的变流器处于逆变工作状态。此时，若切除工作组的触发脉冲，则会引起换流失败。零电流检测单元一般都有交流侧的电流互感器与半导体比较器组成。即使在电流连续的情况下，只要电流的瞬时脉动电流值低于检测电平，零电流检测器就会按脉动周期而动作。如果这一动作导致立即切除的触发脉冲，则往往由于晶闸管的固有关断时间或换相电抗受影响，使其滞后关断而引起换流失败。因此，在零电流检测器动作后，必须经过一段延时才能关断导通的晶闸管，这段时间称为关断时间，它有电源频率、电压、回路电感、控制角等因素决定，但要随控制角的变化而变化。在最大控制角时，关断时间最大。因此，为了可靠地关断，最好对应最大控制角来整定等待时间（一般为35），此外，在给出转矩反向指令时，应将触发脉冲移到最大控制角（即），以能迅速实现关断。若只将电流给定值保持为零，即在附近切换时，则将继续流过断续电流。使开始切换到关断所需的时间延长，这是不利的。2）要有触发等待时间即使工作组的触发脉冲被封锁，由于原来导通的晶闸管仍不能马上投入工作，否则将会产生两组变流器同时导通而造成的电源短路故障。因此，逻辑装置从向工作组发出封锁脉冲信号，直到向待工作组给出解除脉冲封锁的信号之间要有一段延时，称为触发等待时间，一般取56。3）要有对电流调节器拉的信号在待工作组刚刚开始开放时，为避免此时因整流电压和电动机反电动势相加而造成很大的电流冲击，应使待工作组投入工作时处于逆变状态。为此也需要在工作脉冲被封锁，待工作组还未开放的一段时间内，向电流调节器输入一个拉的信号，即将触发装置的移相器处于位置。当待工作组脉冲封锁解除后，将信号取消，在调节系统作用下，触发脉冲以点向工作点位移，使电枢电流逐步建立，电动机被减速或反向起动，直到稳定在新的工作点。4. 3 逻辑装置的组成与分析系统的工作状态取决于逻辑装置。逻辑装置主要由四个部分组成：电平检测（包括转矩极性与零电流检测）、逻辑判断、延时电路、逻辑保护。其组成原理如图4-4。 图4-4逻辑装置电路原理图 对逻辑装置的要求如下：1）在任何情况下，两组绝对不允许同时加触发脉冲，一组工作时，另一组的触发脉冲被封锁。2）逻辑切换装置只有满足逻辑切换条件时，才能进行逻辑切换。速度调节器的输出作为转矩（即电流）极性鉴别信号。当此信号由负变正时，允许封锁正组，开放反组；反之则允许封锁反组，开放正组。所以转矩极性鉴别信号改变极性是逻辑切换的必要条件。只有当实际工作电流衰减至零时，才允许封锁原来正在运行的那组，而开放另一组。所以零电流检测器发出“零电流信号”是逻辑切换的充分条件。3）发出逻辑切换指令后，经过关断等待延时时间，封锁原导通组脉冲。下面对逻辑装置的各个部分的组成与工作原理进行较详细的分析。电平检测器 转