电气电子毕业设计55龙门刨床的可控硅调速系统控制电路的设计
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电气电子毕业设计55龙门刨床的可控硅调速系统控制电路的设计,毕业设计论文
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1 毕业设计（论文） 龙门刨床的可控硅调速系统控制电路的设计 摘 要 调压调速是现代飞速发展的电力电子技术和控制理论基础上发展起来的。其思想是改变直流电动机的电枢电流来进行调速，以能达到直流电机的控制效果。 本文根据调压调速和自动控制的理论基础，设计出了一套，适用于龙门刨的调速系统。之中对调速系统的控制电路，逻辑环节都作了比较详细的介绍，同时也提供了调速系统的静、动态性能的分析，最后还给出了基本的系统调试方法。 关键字： 调压调速 直流电动机 龙门刨床 静态特性 动态性能 Abstract Is it transfer speed modern electric and electronic technology of development at full speed and control theoretical foundation develop to keep to transfer. Its thought is that armature electric current which changes the direct current motor adjusts the speed , by reaching the control result of the direct current machine. This text foundation suits well and presses and transfers the speed and automatically controlled theoretical foundation, design one, it is systematic to be suitable for the speed of adjusting planed in Longmen. In exchange jobs speed systematic control circuit ,that link make comparisons detailed introduction of , is it transfer speed systematic quiet , dynamic analysis of performance to offer too at the same time , provide basic system debug the method also finally. Key word: Adjust and press the speed of adjusting Direct current motor Longmen planing Static characteristic Dynamic performance nts 2 目 录 一、 绪论 1 1 电气传动技术的发展 1 1 2 可控硅 电动机系统 1 1 3 本课题研究的目的和主要内容 2 1 4 本设计的基本要求 2 二、 龙门刨床调速系统的方案选择 2 1 总述 3 2 2 龙门刨床的工艺特点及其对自动控制系统的要求 3 2 3 龙门刨的动力源选择 5 2 4 选择调压调速的原因 5 2 5 主拖动电动机供电方式的选择 7 2 6 双闭环控制系统的选择原因 7 2 7 触发电路的选择 8 2 8 调压调速控制系统的主回路选择 9 2 9 可控硅 电动机直流调速的介绍 10 三、 调速系统主回路的设计 3 1 主回路的电 气原理图 12 3 2 主电路的过电压和过电流保护 12 3 3 主电路的参数计算 13 四、 调速系统的控制电路设计 4 1 逻辑无环流系统 17 4 2 逻辑装置的组成与分析 20 五、 调速系统的静态计算 5 1 系统的静态结构图 30 5 2 系统的静特性 32 六、 调速系统的动态计算 6 1 电流环中电流调节器的设计 33 6 2 速度调节器的设计 35 七、系统的调试 7 1 系统的安装与检查 38 7 2 系统的调试 38 7 3 小结 42 八、总结 43 九、主要元器件的明细表 44 十、参考资料 45 十一、致谢 46 nts 3 1. 绪论 1 1 电气传动技术的发展 电气传动技术以电动机为控制对象，以微电子装置为控制核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以达到控制电机转速或位置的目的。 按照电动机的种类不同，电力拖动分为直流拖动和交流拖动两类。采用直流电动机拖动称为直流拖 动，采用交流电动机拖动的称为交流拖动。交流电动机具有结构简单、价格便宜、维护方便、运行可靠、单机容量大等优点，但直流电动机则具有较好的起动性能和调速性能，因此，直流拖动在对起动、制动、正反转、调速等有较高要求的场合应用都很广泛。尽管直流电动机也存在着结构复杂、价格较贵、维修方便、安装受到一定的限制等缺点，但随着现代调速控制理论和电力电子技术的飞速发展，使直流拖动在现在的电气自动化中也占据了很重要的地位。 1 2 可控硅 电动机系统 1 2 1 系统的组成 以可控硅整流装置作可调电源的直流电动机调速系统叫做可控 硅 电动机系统，简称 KZ D 系统。 系统由可控硅整流装置、滤波电抗器和直流电动机组成。可控硅装置又由可控硅整流电路、触发电路及移相控制单元组成。 1 2 2 系统的评价 目前，可控硅调压调速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。 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；运行时噪声小、能耗小、效率高；控制方便；容易安装及维护； 缺点：主要表现在： （ 1）、目前可控硅的制造容量不大； （ 2）、采用 可控硅整流装置也会带来一些不利：如电动机损耗增加，低速时功率因数低，可能会产生所谓的“电力公害”等。 但是，从整体上来讲，无论在经济性能和技术性能上， KZ D 系统都优越nts 4 于发电机 电动机系统，至于可控硅整流装置的缺点，随着科学技术的不断发展，已不断采取新的措施去克服，因此， KZ D 系统将在实际生产中越来越被广泛地采用。 1 3 本课题研究的目的和主要内容 龙门刨床是一种要求调速范围很广的设备，但如何有效、经济的控制其速度的调整，就成为了本设计系统要达到的目的。因此本设计课题主要涉及的是研究如何正确合理地选择普 通电压电器来控制龙门刨床电机的准确运行。同时也要熟悉和掌握龙门刨床的工艺特点及其对自动控制系统的要求，主拖动电机的容量的选择，主供电方式的选择，确定控制系统的组成与工作原理，进行主回路的设计，并对系统的静态、动态特性进行正确计算。 1 4 本设计的基本要求 ： 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：高速 90m/min，低速 4.5 m/min。 3、 静差度： S 0.1 4、 恒转矩负载：采用调压调速。 5、 起动、制动过程要快。 6、 实行联锁保护。 2.龙门刨床调速系统的方案选择 2 1 总述 龙门刨是机械制造业中的主要工作机床。常用它来加工大型机械零件，如导轨、立柱、箱体和机床的床身等部件。龙门刨的结构示意图如图 2-1 所示。 工作台 1 放在床身 2 上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。当工作台带动工件运动时，刨刀 8对工件进行刨削加工。刨刀装在垂直刀架 4 或侧刀架 3 上。侧刀架可上下移动并横向进给，它又分为左侧刀架和右侧nts 5 刀架。垂直刀架装在横梁 5 上，它可作横向移动和垂直进给，它又分为左垂直刀架与右垂直刀架。横梁可沿着立柱 6 作上下移动。 7 为龙门顶。 龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动与辅助运动 。主运动是指工作台的往复运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设（如横梁的夹紧与放松、横梁的上升与下降、刀架的快速移动与抬刀等）。 本系统所控制的龙门刨要求最大刨削宽度为 1000mm。故选用龙门刨的型号为 B2010A。 2. 2 龙门刨床的工艺特点及其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。 A 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， A 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)示。 在工作行程中，为nts 6 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。当刀具的强度一定时，切削量与切削速度成反比。如 (2-3)中的曲线 1 所示。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)中的曲线 2 所示。 龙门刨的实际切削功率 P=F V。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=Fmax VJB。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中曲线 3 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。 B2010A小于 300mm。 （ 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 龙门刨的动力源的选择 电机分为交流电机和直流电机两大类。在选择龙门刨的动力源上就有两种方案：交流电机和直流电机。 交 流电机种类繁多，大体分为异步电机和同步电机。同步电机转速恒定，不可能实现无级调速，在起动，制动比较频繁转矩要求较大，且有调速要求的生产机械，广泛使用异步电机。但由于异步电机的调速范围不大，故只适用于对调速范围要求不大的生产机械。 nts 7 直流电机调速范围大，调速平滑，能够进行准确的位置控制，应用于在拖动系统中过渡过程有特殊要求的较大的功率生产机械。如高精度数控机床，龙门刨床等。因此，本设计的电机选用直流电机，它符合龙门刨的工艺特点及其要求。 2 4 选择调压调速的理由 直流电动机的机械特性方程为： TCC RCUnTee 2 (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 eC 电动势常数 TC 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： TCC RRCUnTee 20(2-2) 式中：0R 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0n也将改变，而机械特性的斜率不变，nts 8 此时机械特性方程为： TCC RCUnTee 2 TKn m0 (2-3) 其中mK=2TeCCR ； 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，本人觉得选择第三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 5 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）采用可控硅整流装置，（ 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，既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nts 9 初始投资大，因此在本设计系统中采用可控硅整流装置的供电方案。 2 6 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=Inom R/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nts 10 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。 2 7 触发电路的选择 在触发电路的选择上，我采用了 KCR S3 通用调压调速装置。 可控硅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，使可控硅电路可靠地工作。每一相输出脉冲能可靠地驱动一只大功率可控硅。触发脉冲为高频调制的脉冲列式双脉冲，能保证可控硅触发可靠，换流准确。 KCR S3 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。 KCR S3 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可控硅控制设备中。 KCR S3 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，毋需再接同步信号、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可控硅。各相触发脉冲间具有良好的均衡性（不均衡度不大于 3o）。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，可控硅截止， 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nts 11 十分灵活方便 2 8 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。 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 9 可控硅 电动机直流调速的介绍 ： 1、系统的组成 以可控硅整流装置作可调电源的直流电动机调速系统叫可控硅 -电动机系统，简称 KZ-D 系统。 系统由可控硅整流装置、滤波电抗器和 直流电动机组成。可控硅整流装置由可控硅整流电路、触发电路及移相控制单元组成。 可控硅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nts 12 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： MCC RRCUnDMeanDed 2 （ 2-4） 式中dU为整流电压；nR为可控硅整流装置的等效内阻；aR、 D 分别为电动机的电枢电阻及磁通。 由于可控 硅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： （ 1） 在基速en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dU是控制角 的函数，因此只需改变触发 电路的控制电压ku，使触发脉冲移相，就可以改变控制角 及dU，实现调压调速。 （ 2） 基速en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可控硅整流装置供电。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en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：采用可控硅整流装置会带来以下不利： 1）、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nts 13 给电动机的运行带来不利； 2）、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； 3）、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，而且随着可控硅技术的发展，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： 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 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 nts 14 调节系统中电流调节器起限制电流作用 直流侧设置直流快速开关 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 (3-2)。 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。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。 （ 1）、变压器副方的参数计算： 相电压： AUU d)5.12.1(2 (3-1) 已知三相桥式 Ud=220V， A=2.34，代入上式得 U2=1.5 220/2.34141V 相电流：dIKI 122 (3-2) nts 15 已知三相桥式的 Id=305A， K12=0.816，代入上式得 I2=0.816 305249A （ 2）变压器的变比21UUK (3-3) 已知： U1=380V， U2=141V，代入上式得 K=380/141=2.695 倍。 （ 3 ）变压器的原方参数相电压： U1=380V ，相电流： KII 21 =249/2.69592.4A （ 4）变压器的视在功率：、 副方视在功率 2222 IUmS =3 141 249=105.33KVA 原方视在功率 1111 IUmS =3 380 92.4=105.34KVA 平均视在功率 221 SSS =（ 105.33+105.34） /2=105.335KVA 所以我们在这取 S=105KVA 3 3 2 可控硅元件参数的选择： 额定电压： UTn=（ 2 3） UTM (3-4) UTM= 6 U2= 6 141345.4V，故 UTn=2.5 UTM=863.5V 额定电流： IT（ AV） =（ 1.5 2） k Id (3-5) 在这我们已知 k=0.367， Id=305A，把其代入上式得 IT（ AV） =2 0.367 305224A 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： （ 1）、从限制输出电流脉动的角度来设计电抗器电感值 di ISUU 22dM /UL (3-6) 查表可得对于三相桥式电路：2dM /U U=0.42，电流脉动系数iS= ddMII，又交流基波幅值dMI= 2 I2= 2 249351A，dI=305A，所以iS=ddMII=351/305=1.15，把上面各参数代入上式得 L=0.169mH （ 2）、从维持输出电流连续的角度来 设计电抗器的电感值 nts 16 min21LdIUK (3-7) 若使电流连续的最小负载电流mindI=0.5A，对于三相桥式电路的临界电感计算系数 1K =0.693，所以 min21LdIUK =（ 0.693 141） /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 mHIPUKLeneDD 2 10 3 (3-8) 式中， P 为电动机的极对数，已知 P=2，eU=220V，en=1000r/min，eI=305A，无补偿绕组的电机系数 DK =8 12，在此我们选 DK =10，代入上式可得 DL =1.8mH。 3 3 5 变压器漏电感 BL 的计算 mHIUUKLddlBB 2(3-9) 式中，dlU为变压器的阻抗电压百分值， 1000KVA 以下的变压器，dlU=0.055，对于三相桥式电路 BK =3.9，已知： 2U =141，dI=305A，代入各参数可得 BL 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pnUnts 17 和额定电流pnI按以下方法选取： pnU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pnU 1.1unU式中，unU 变流变压器二次电压有效值 pnI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pnI1.3DNIIK1K 电流计算系数，对于三相桥，311 KDNI 负载电流的有效值 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maxF=78480N，最大拉力时的最高切削速度maxV=25m/min，传动机构效率c=0.7。则直流电动机的最大负载功率为： cDVFP maxmax =（ 78480 25/60） /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： DDD KPP =46.7/1.4=33.3KW 式中， DK 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： 8.1 De PP =1.8 33.3 60KW 因此所选电动机的额定数据如下： eP=60KW，eU=220V，eI=305A，en=1000r/min，额定激磁电压feU=220V，额定激磁电流为feI=4.1A， 激磁绕组电阻fR=52 ，电枢电阻eR=0.04 nts 18 4调速系统的控制电路设计 采用两组晶闸管整流装置供电的可逆控制线路 4 1 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 (4-1)所示是一种带模拟开关的逻辑无环流系统。 系统正确工作时，iU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 11K 和 12K 闭合，另一路经11K 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 90 ，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iU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11K ， 12K 触点。 nts 19 4） 正向脉冲被封锁。 5）经一段延时， 21K ， 22K 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 10ms 以下，不会对调节系统的品质起影响，在 2030ms 内对调节系统的动态品质稍有影响，当反向死时超出 30ms 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，如图 (4-2)(a)所示。 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，图（ b）所示，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。如图 C 所示，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 35ms ），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max（即 min ），以能迅速实现关断。若只将电流给定值保持为零，即在 90 附近切换时，如图 (d)，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。 nts 20 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，如图 (4-3)(a)所示。 nts 21 为此，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。如图 (c)所示，一般取56ms 。 3）要有对电流调节器“拉 min ”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min ”的信号，即将触发装置的移相器处于 min 位置。当待工作组脉冲封锁解除后，将“ min ”信号取消，在调节系统作用下，触发脉冲以 min 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 2 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）。 nts 22 对逻辑装置的要求如下： 1、 在任何情况下，两组可控硅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giU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可控硅，而开放另一组可控硅。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 mst 321 ， 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。 1）、 电平检测器 转矩极性鉴别与零电流检测只须用“ 0”、“ 1”两种状态来表示。故可用具有继电器特性的电平检测器来实现转矩极性鉴别和零电流检测。由带正反馈的运算放大器组成的电平检测器的原理与结构图见图（ 4-5）。 图中VK为运算放大器的开环放大系数 ， 1K 为电平检测器的反馈系数，其值为： )/(0101 RRRK （ 4-1） 若电平检测器的闭环放大系数为 BK ，则 )1/(/1 VVSRSCB KKKUUK （ 4-2） 放大器的输入 输出特性如图（ 4-6）所示。 nts 23 其中（ a）图中VIKK1： 继电器出现回环。当VK一 定时，VIKK1 表示 1K 大，即 1R 小，说明正反馈强。为什么加入强正反馈的输入 输出特性会出现具有回环的继电器特性呢？下面举例来说明这个问题。如果采用 8FC3 线性集成电路，其开环放大系数VK为 100000 倍，取输入电阻 KR 200，正反馈电阻 MR 21 ，则反馈系数 1K 为： 100/1)202000/(20)/( 0101 RRRK 如果运算放大器的饱和输出值为 VUscm 10。 设放大器原来处于负相饱和状态，即 VUscm 10则反馈电压fU： scf UKU 1=（ 1/100） 10=0.1V (4-3) 为了使放大器的输出从 -10V 翻转到 +10V，输入SRU必须加负电压，至少为 -0.1V，使 U =0，放大器的输出才能翻转。同理arU至少加 +0.1V 电压，才能使输出从+10V 翻转到 -10V。因此，输入 输出特性出现回环，在上述参数下回环宽度为0.2V。 综上可知电平检测器的回环宽hU的计算为： 111 scmsr UKU ；212 scmsr UKU ； （ 4-4） nts 24 )(21121 s c ms c msrsrh UUKUUU （ 4-5） 式中，1scmU，2scmU分别为正相和负相饱和输出电压；1srU，2srU分别为输出由正翻到负和由负翻到正所需的最小输入电压，由此可知， 1R 越小则 1K 越大，回环宽度就越大。回环宽度大，可以避免误动作，提高了抗干扰能力。但是回环宽度太宽，则动作迟钝，容易产生振荡与超调。因此回环宽度一般为 0.2V 左右。 无环流逻辑装置中共有“转矩极性鉴别”和“零电流检测”两个电平检测器，分别将giU的极性和电流“是零”或“非零”转换成相应的开关量，供逻辑判断部分使用。转矩极性鉴别器的原理图与输入 输出特性如图（ 4-7）。 其输入信号是左右对称，而输出上下不对称 ，使它给出开关量“ 0”和“ 1”。输出 +10V 表示“ 1”，输出 -0.6V 表示“ 0”信号。转矩极性鉴别器的反相输入端接速度调节器的输出giU，输出为转矩极性信号 MU 。 当giU=“” 时；希望电动机产生正的转矩 +M，此时鉴别器的输出为“ 1”，即正饱和值 +10V；当giU=“ +”时，要求电动机产生负的转矩 M，此时鉴别器输出为“ 0”，为了得到“ 0”信号，由 2R 、3V组成负限幅电路，其输出限幅值为 -0.6V。 零电流检测器的原理图与输入 输出特性如图（ 4-8）。 nts 25 它的输入信号是电流互感器输出零电流信号fiU。主回路有电流时fiU为+0.6V，要求零电流检测器输出 IU 为“ 0” ，即用负限幅电路得到 -0.6V 电压。主电路电流 接近零时，零电流信号fiU下降至 +0.2V。因此，特性的回环必须偏在纵轴的右侧，可在输入端增设偏移电路（ 1V 与3R）来实现，此时，检测器的输出为“ 1”，即正相饱和值 +10V。为了突出“电流是零”，所以规定零电流时 IU =“ 1”，有电流时 IU =“ 0”。如果作相反的规定，当然也可以，但要改变检测器与逻辑判断电 路。 2） 逻辑判断电路 其作用是根据转矩极性鉴别信号 MU 与零电流检测信号IU 发出封锁正组信号 ZU 和封锁反组的信
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