第二章直流拖动控制系统总体设计

1、第二章 直流拖动控制系统总体设计直流拖动控制系统电气设计的主要任务：1、系统总体方案的选择。2、系统方案的实体设计，包括各种功能电路或部件的设计与选择、参数计算。3、系统各主要保护环节的设计。4、系统的动态工程设计，包括转速调节器和电流调节器结构和参数选择、系统动态性指标的计算。第一节 直流调速系统拖动方案的确定一、系统的技术指标要求各类不同的生产机械，由于其具体生产工艺过程不同，因而对控制系统设计提出的技术指标要求也就不会完全相同，而对调速系统来说，所提出的技术要求仍有一定的共同性，一般可概括为稳态和动态指标，并以此作为设计系统的根据。（一）调速系统的稳态指标1. 调速范围D 2. 静差率s

2、(二)调速系统的动态指标1.跟随性能指标 2抗扰性能指标 二、电力拖动方案及供电方案的确定和电动机的选择方案选择的原则是在满足生产机械工艺要求并确保产品质量的前提下，力求投资少、效益高和操作方便。拖动方案则主要根据生产机械对调速的要求来确定，它直接关系到系统的技术经济性能的优劣，是系统设计中至关重要的一环。由于本章主要讨论晶闸管直流调速系统的设计，所以方案的确定实质上就是晶闸管（或功率晶体管）变流装置主电路的接线方式和直流电动机的选择两个问题。（一）晶闸管变流装置主电路接线方式的选择晶闸管变流装置在技术经济性能方面具有很大的优越性，在世界各主要工业国家得到广泛应用。晶闸管整流装置可以是单相、三

3、相或更多相数，有半波、全波、半控、全控等类型。各种整流电路的技术性能和经济性能各不相同。单相晶闸管整流电路电压脉动大、脉动频率低。影响三相电网的平衡运行，一般多用于5KW以下的拖动系统。表2-2 我国中小功率晶闸管整流装置系列设计规格功率范围（kw）线路型号输出电流（A）输出电压（V）进线电源（V）冷却方式0.44单相全控桥（不可逆）5102550、80100、125160、200300、400500110、160单相220自冷0.44单相全控桥（有环流可逆）160单相220自冷5.5200三相全控桥（不可逆）220、440三相380输出电流为50、80、100A时为自冷，其余为风冷。5.52

4、00三相全控桥（无环流可逆）220、4405.5200三相可控桥（有环流可逆）220、440上述设计仅适于一般要求的拖动系统，工作环境恶劣，过载倍数大于2.5的轧机拖动系统所需晶闸管整流装置则需按特殊要求条件另行设计。设计晶闸管直流调速系统时，晶闸管整流器主电路接线方式的选择对系统的技术经济指标来说也是非常重要的。确定主电路的接线方式必须考虑一下各种因素：1）电动机的容量，即整流装置的容量要保证电动机容量的充分利用。2）可控整流装置所提供的整流电源的质量。可控整流装置的滞后时间过大，会影响系统的快速性，即影响系统的跟随性能和抗扰性能指标。可控整流装置输出电压波形脉动程度大小，直接影响系统的调速

5、性能和平波电抗器的投资。3）主电路的接线方式的选择，也会影响整流变压器绕组的利用率和变压器铁芯是否直流磁化以及是否需要敷设零线等。4)拖动电动机是否可逆运行。5)对可逆调速系统还必须对环流控制方案综合予以考虑。表2-3示出了调压调速用的可控直流电源的各种接线方式及其指标，可供整流装置设计时选用参考。表2-3 调压调速的各种接线方式及其指标 接线方式指标单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥适用调速范围101以下101以下101以下101以下501以下最大调节滞后时间（ms）10106.66.66.6可逆或不可逆不可逆，不能逆变可组成逆变电路可组成逆变电路不可逆，不能逆变可组成逆变电路

6、输出形波差差比单相好较好好适用功率范围（KW）1以下5以下2030以下100以下100 1000（三）直流电机的选择三、直流电动机的调速方式（一）调节电枢供电电压保持电动机磁场为额定，改变电枢供电电压，实现电动机基速以下的转速无级调节，属恒转矩调速。对于要求有一定范围的无级平滑调速系统来说，此种方式最为常见。（二）减弱励磁磁通 保持电动机端电压为额定，改变电动机励磁磁通，实现电动机基速以上的转速无级调速，即恒功率调速。此种方式虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往与调压方式配合使用，在基速以上作小范围的升速。有些晶闸管直流调速系统，为了扩大系统的转速调节范围，又能充分利用电动机的容量，就需要采

7、用调压和弱磁配合调速的方案，得到电动机在基速上下两个区域的转速调节，如初轧机主传动、连轧机以及龙门刨床主拖动系统，均可采用这种带有弱磁控制的直流调速系统。第二节 直流调速系统控制方案的确定直流调速系统控制方案，主要根据生产机械的具体工艺要求和对控制系统提出的动态技术性能，并综合考虑经济性能指标来确定。在生产实际中，各种不同类型的生产机械，由于其生产要求和工艺特点不同，因而对调速系统提出的控制要求和静、动态性能指标要求侧重点就有所不同，故控制系统的组成和结构形式也随之有很大差别。下面仅就设计控制方案的一般原则和应考虑的问题予以说明。1）根据设计任务书中所提出的稳态调速指标要求，确定采用开环控制，

8、还是闭环控制。由于开环控制其机械特性软，所能提供的调速范围小，往往不能满足稳态调速指标要求，所以生产实际中一般都采用闭环控制方式。2）如果生产机械对系统的动态特性没有严格要求，则可采用转速单闭环，或者带电流正反馈的电压负反馈控制方式，并引入电流截止负反馈环节以限制起动和堵转电流过大。根据系统中使用转速调节器（P或PI）的不同，可设计成单闭环有静差或无静差调速系统。3）若生产机械对系统的静、动态性能指标都有较严格的要求，而对减速调节和停车制动要求不高，则许采用典型的转速、电流双闭环系统，并通过对调节器型式的选择和参数整定，满足调速要求。如造纸机和纺织机械之类的分布传动系统，主要要求对于电网电压波

9、动有较强的抗扰能力。对于数控机床伺服系统，则要求静、动态速降尽可能小，调速范围较宽，且起动、制动过程要快。这些均可采用双闭环结构的控制方式。4）有些生产机械要求电动机实现可逆运行，而某些生产机械虽然不要求可逆运行，但要求电动机能实现迅速的减速或制动控制，则系统应采用可逆控制方案。可逆控制线路应根据电动机可逆运行的供电方式及两套变流装置的环流控制方案来确定（详细内容请参阅有关书籍）。直流电动机的传动方向，由磁场和电枢供电电压的极性决定。磁场方向不变，改变电枢电压的极性实现可逆运行的系统，叫电枢可逆系统；电枢电压极性不变，改变励磁电流方向实现可逆运行的系统，叫磁场可逆系统。磁场可逆系统可节省设备投

10、资，但系统的快速性差，控制系统较复杂。因此，在确定控制线路时，要充分考虑上述各方案的特点，根据生产机械对调速系统静，动态性能的要求，仔细比较，推敲各种控制方案的优点和缺点，扬长避短，择优选用。如轧钢厂的可逆轧机和金属切削机床中的龙门刨床等，经常处于起动、制动和反转的过渡过程中，系统要求起动、制动和反向要快，承受负荷扰动时，静、动态速降要小。这类系统就要求按快速可逆系统去考虑。又如直流电梯、矿井提升机、高炉卷扬等一类起重机械，主要是要求系统起、制动过程很平稳，其控制方案应从系统的平稳性去考虑。5）如果生产机械要求具有很宽广的调速范围，则可采用调压和弱磁调速相配合，控制方式采取非独立控制励磁的调速系统。6）某些生产机械要求限制系统加、减速度，则应考虑通过给定积分器或函数发生器提供速度给定信号，而不宜用阶跃给定。7）如要求系统建立电压约束或电流变化率约束条件，改造调节对象特性，使系统具有更为理想的动态品质，可采用串级联接的三环控制方案。8）某些生产机械对系统的静、动态性能有很高的要求，应考虑采用复合控制方案或串联校正与并联校正配合控制。9）确定控制方案时必须注意对各种信号（如电压、电流、转速等）的检测及检测元件的精度要求等。并从系统控制电路设计方面可提供的各种保护措施进行考