孙啸—1209111119—某冷轧机主传动直流调速系统设计

1、铜陵学院毕业设计（论文）学 号_1209111119_ 毕 业 论 文（设计）课 题 某冷轧机主传动直流调速系统设计 学生姓名 孙 啸 院 部 电 气 工 程 学 院 专业班级 2012级 自动化（2）班 指导教师 贡 照 天 二 一 六 年 六 月14某冷轧机主传动直流调速系统设计摘 要本次设计主要讲述了直流调速系统的设计、调整及相关参数的计算。本次设计使用的整流方案为三相全控晶闸管整流电路，调速方案应用了转速、电流双闭环调速系统，双闭环可以取得很好地调速性能，其是在理论和实践等方面都比较成熟的体系，在需要进行调速控制的领域得到了大量的使用。其中共加入了双比例积分调节器，一个用来控制电机速度

2、，另一个用来控制电流，构成转速环和电流环，前者为外环保持直流电动机转速稳定，后者为内环能够维持电路内电流稳定，转速环起到主要的调速作用（保持转速稳定在给定值），电流环起辅助作用（防止电路过电压，对抗干扰，稳定电流在给定值），二者联合可以达到令人满意的调速性能，从而就能达到平滑调速的目的。本次设计还对电路保护与抗干扰等诸方面进行了讨论，保证了机床运行的安全、稳定。关键词：直流电动机；调速系统；晶闸管；双闭环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 录摘 要IAbstractII插图清单IV第1章 绪 论- 1 -1.1直流调速系统的概述- 1 -1.2 直流电动机的调速方法- 2 -1.3双闭环直流调速系统简介- 2 -1.4冷轧机简介- 3 -第2章 系统主电路方案的选择与保护- 4 -2.1 系统主要部分采用方案的确定- 4 -2.2

8、整流电路的保护- 6 -第3章 直流电动机调速反馈控制方案的确定- 10 -3.1 直流电动机调速反馈控制方案的选择- 10 -3.2 直流电动机调速反馈控制方案的设计- 11 -3.3 动态抗干扰性能分析- 12 -第4章 系统主电路及保护装置的参数计算- 13 -4.1主电路装置参数的计算与选定- 13 -4.2 整流电路保护装置的参数计算与选定- 15 -第5章 电流环、速度环与无环流逻辑切换装置的设计- 17 -5.1 电流内环- 17 -5.2 转速闭环- 18 -5.3 无环流逻辑切换装置- 20 -第6章 调速环节的参数计算- 24 -6.1 调速系统的系统型式的确定- 24 -

9、6.2 电流内环的调整- 24 -6.3 转速外环的调整- 28 -6.4 调速系统动态指标计算- 32 -结 论- 34 -参 考 文 献- 35 -致 谢- 36 -图表清单图 2-1 三相桥式电枢反并联可逆电路原理图- 6 -图 2-2 快速熔断器- 7 -图 2-3 交流侧过电压保护- 7 -图 2-4 直流侧过电压保护- 8 -图 2-5 换相过电压保护- 8 -图 2-6 系统主传动晶闸管整流电路- 9 -图 3-1 机床主传动调速系统的系统框图- 11 -表 4-1 变压器的各项数据- 14 -图 5-1 电流检测装置- 17 -图 5-2 两个调节器（ACR1与ACR2）的电气

10、原理图- 18 -图 5-3 转速检测和电压隔离装置原理图- 19 -图 5-4 转速给定环节和给定积分器原理图- 20 -图 5-5 无环流逻辑切换装置的结构- 21 -图 5-6 无环流逻辑切换装置的原理图- 22 -图 5-7 逻辑判断与延时电路的结构- 22 -图 5-8 多“1”保护环节原理图- 23 -图 6-1 调速控制系统的动态结构图- 24 -图 6-2 电流闭环及其简化后的动态结构图- 25 -图 6-3 电流调节器ACR的结构图- 26 -图 6-4 简化过后的电流内环- 27 -图 6-5 调节器ACR的结构图- 28 -图 6-6 转速环的动态结构图- 29 -图 6

11、-7 简化后的转速环动态结构图- 30 -图 6-8 转速调节器ASR的原理图- 32 -图 6-9 系统起动过程的动态特性- 32 -V铜陵学院毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1直流调速系统的概述在生产和生活中，常常需要根据机械设备的性能要求，来手动或者自动地改变直流电机的速度，我们把这样的系统叫做直流调速系统。根据直流电动机的固有特性，可以得到通过改变直流电动机的固有参数或改变外加电压大小的方式改变其电枢电压的方式等，使直流电动机在稳定运行时的转速发生变化，这样就可以做到调速的功能。调速一般都是通过反馈的值与给定的值进行对比，然后根据偏差的值来对校正装置发出控制信号，以达到其目的。直流调

12、速系统在现在，尤其是在需求高性能控制领域中依旧起着不可替代的作用。1.1.1 直流调速的优缺点使用直流电动机的设备非常容易实现速度的控制，易于构建控制模型。直流电动机调速具有在低转速时扭矩大的优点，这是交流电动机所无法媲美的。直流电机的适用领域相当的广，其一般可以在以下方面使用：加、减速要有一个缓冲过程；需要在低速时有大转矩；有良好的挖土机特性，能够过载电流限制设定电流。因为直流电机调速如此重要的作用，所以直流电机在很长一段时间内直流调速在生产机械中占主要地位。但是在平常使用中，直流电机容易发生故障，包括电刷打火、电驱变色、散热不充足、剧烈噪声和振动等问题，因此其需要经常地维护，这是一笔不小的

13、开销，交流电机就没有这样的问题，而且直流电机也不能像交流电机一样构造简单，占地小巧，成本也很低廉。在现代，交流调速异军突起，开始渐渐蚕食直流调速的领地，但在高性能调速领域其依然能够固守国疆。1.1.2 直流调速的发展历史直流电动机电力拖动系大概统是在166年前诞生的，在上世纪中叶，由于技术尚不成熟，只有接近20%的高性能可调速拖动系统采用了直流电动机。在20世纪50年代左右，水银整流器与闸流管的出现促进了直流调速的发展，它们属于静止变流装置，替代了以前的老式整流装置，大大提升了整流的性能。但这样的变流装置也有很大的缺点，水银属于重金属，对人体和环境危害极大，并且其运行可靠性差，对直流电动机的稳

14、定运行产生了极大的影响，但是限制于当时的科技水平，采用此静变流装置也是无可奈何，实属无奈之举。1960年之后，晶闸管诞生了，因为晶闸管整流装置优异的性能，其得到了广泛的应用，直流调速技术在这之后得到飞速的发展。晶闸管整流装置-直流电动机系统中的整流装置是由可控晶闸管构成的，晶闸管整流性能优异，工作稳定，在上世纪60年代起得到了大范围的应用，直流调速技术的发展迎来了春天。上世纪80年代以后，全控型器件器件诞生了，其整流性能较晶闸管更为优异，晶闸管渐渐被其替代。在控制器方面，数字电子控制已经开始逐渐取代模拟电子控制。在现代，生产设备需要更高的非线性和智能化控制，然而模拟电子控制在这方面就显得有些力

15、不从心，模拟电子控制的处理量少、功能单一，不能实现非线性的控制，到了其退伍的时候了。用全控型电力电子器件可以组成直流变换器-直流电动机的系统，晶闸管-直流电动机系统现在越来越多地被其取代了。现在因为交流调速技术的迅猛发展势头，直流调速技术正在逐渐被淘汰，但是因为直流调速技术的调速性能比交流调速系统更为优异，至今依然活跃在很多的高性能调速领域。1.2 直流电动机的调速方法1.2.1 直流电机调速的理论依据理想状态下，直流电动机在稳态状态下的转速为：(1-1)此式为调速理论的基础，根据此式可以分析得出以下几种调速方法。1.2.2 三种常见的直流调速方法在上面的公式中，是一个常数，其不会影响到电机的

16、速度，电流I的大小是根据电机拖动的负荷来决定的，也不会产生影响，所以只剩下三个参数可以影响电机的速度：(1) 调节电枢端电压：改变电枢电压能够起到改变转速的作用，机械特性曲线很硬，能够在保证了输出转矩不变的情况下，调整转速，很容易实现高精度调速；(2) 改变电枢回路总电阻R：转子串电阻一般用于低精度调速场合，串入电阻后由于机械特性曲线会变得很软，不能实现无极调速和平滑调速、效率低，一般在倒拉反转型负载中使用；(3) 减弱每极磁通量：减弱每极磁通量后，电机的速度就会增加，其能够调速的区间很小，只能加快而不能减慢速度，控制不好容易导致速度过快无法控制，其响应比较慢，不适合单独使用。1.3双闭环直流

17、调速系统简介转速-电流双闭环直流调速系统的结构较为简单，可靠性较好，而且设计比较方便，在调速系统中应用非常的广泛。它也是运动控制系统这门课程中的的重要一环，对其进行研究，有利于我们加深对直流调速系统的深入理解，也能成为以后交流调速研究的垫脚石。转速-电流双闭环直流调速系统也是交流调速的理论基础，交流调速系统在近代已经越来越凸显其重要性，研究此系统为我们打下了坚实的基础，为以后的交流调速系统的学习打下了坚实的基础，能将我们本专业的各门课的知识串接起来，形成一个完整的知识网，对以后的学习与工作都有很大的帮助。1.4冷轧机简介冷轧机是一种可以将钢筋加工成带钢的设备，可以大大提高钢筋的抗拉与抗压性，同

18、时也一定程度地保留了钢的延展性，节约了用钢量，降低了用钢所需的成本。第一台冷轧机是由德国的施密茨公司在19世纪末期建造的，它的出现大大增强了生产力。冷轧机的性能与生产工艺代表着一个地区的重工业的等级。在生产过程中，可采用直流电动机来处理轧制过程中对速度调节的需求。第2章 系统主电路方案的选择与保护系统地设计应该在满足设计提出的要求下，以较低廉的成本去获得更大的经济效益，来创造更高的价值。2.1 系统主要部分采用方案的确定2.1.1 传动及调速方案的选择(1) 电动机的选择电机的选择直接关系到机床的运行与产品的质量，应该根据设计的要求来确定，是系统设计的第一步。因为设计要求为生产机械工艺要求轧机

19、传动系统要能实现可逆无级调速运行，且有较高的稳态控制精度，直流拖动很容易就能勾实现正反转功能，调起速来能在较广区间非常得平稳，过度自然，因此可以很好得满足能满足机床对电气控制系统提出的要求，所以这里我们选择直流电机作为本系统的执行机构。(2) 电机直流调速方案的确定根据1.2.1中的分析可以看出以调节电枢电压的调速方式最好，其它两种调速方式都有较大的缺点。因此，本系统将采用变压调速的方式进行设计。2.1.2 整流电路的设计(1) 整流方式的选择使用晶闸管整流的调速系统具有很多的长处，如调速范围大、平滑性好、重量轻、噪音小、效率高、运行可靠、调速快、动态响应快等。晶闸管整流装置是变流装置供电的直

20、流调速系统，它和其它整流装置相比，在经济性上和可靠性上有很大优势，而且在理论与实践方面相当得成熟。晶闸管整流也有一定的坏处，如因为使用变压器整流交流电得到直流，所以会有一定的电能损失，直流电机的运行会受到一定的影响；直流电机处于低速时，电路的损耗加大；整流系统会对交流电网产生不好的影响，造成污染。但是晶闸管整流装置还是利大于弊的，只要保护装置齐备，晶闸管整流装置运行十分稳定。因此在这里选择晶闸管整流装置给直流电机供电的方案。(2) 供电整流电路相数的确定整流电路出现最早，直流用电设备可以通过其将交流电转换为直流电来获得电能，按使用的整流装置的不同可以分成不可控、半控、全控三种，除了这些还有1相

21、整流与n（）相整流。这些整流电路的性能与适用领域都各不相同，单相晶闸管整流电路的性能不好，电压不够稳，影响了交流电网的稳定，所以一般多用于l0kw以下的拖动系统中。三相半波整流电路虽然对于三相电网平衡运行并没有影响，只使用了3只晶闸管，较三相桥式全控整流电路使用原件更少，但是变压器二次侧在每周期中只有的时间有电流，效率较低，故运行成本较高。三相桥式全控整流电路使用了6个晶闸管进行整流，使用的晶闸管比三相半波可控整流电路多1倍，但使用其进行整流时电路的电压稳定，可以保证变压器的线圈不会磁化，转换率比较高。前者在整流时失去控制的时间只是后者的，系统响应的速度得到了很大的提升，与后者相比较，由于晶闸

22、管原件数量是其2倍，所以每个晶闸管元件所承受的正反向电压是三相半波可控整流电路的，延长了晶闸管的寿命，增加了整流电路的可靠性。所以在l0kw以上的容量的整流装置中应用极其广泛。除了以上的三相整流电路之外，还有6相及更多的整流电路，这些电路虽然整流的性能上很强势，但是结构较为复杂、投资较大，在这里使用显得有些得不偿失。根据上述分析，我们可以很明确地选择三相桥式全控整流电路作为本次的整流装置。(3) 晶闸管整流装置的接线方式机床在运行时难免会需要正反转和制动功能，在这里就需要直流电动机的可逆运行。直流电机的转向，是由磁场与外加电压的方向所共同决定。电枢可逆系统是指通过调整电枢电压的流向，其它参数都

23、不管发生变化的可逆运行系统；想要使磁场的极性出现变化可以通过变化励磁电流的流向来达成目的，这样就可以完成电机可逆运行的功能，这种方式叫做磁场可逆系统。磁场可逆系统虽然投资较少，但是这样调起速来有较大延迟，控制装置很臃肿，不能达本次设计的性能要求。出于快速性和控制回路简单的角度，本次设计的可逆方案将采用电枢可逆系统。在进行系统设计时，整流装置的接线方式一般都会采用两套晶闸管变流装置反极性连接的可逆电路，这样做可以轻松地实现电动机的可逆运行，这种方法相对简单，比较容易实现。在实际使用中主要采用交叉连接或者反并联接这两个接线方法。交叉连接这种方式的两套晶闸管整流装置的电源装置是互相分立的，它们之间没

24、有互相影响，这使得它可以轻松地实现多相整流，能够较大地减少其对电网波形畸变的影响。而反并联接只使用了一个供电单元，这样就不会再需要两组变压器了，变压器的使用率更加得高，而且也简化了线路，接线更加方便。因为本设计对快速性的要求并不算太高，所以综合起来考虑三相桥式电枢反并联可逆电路能完美的满足本次设计的要求，所以选择其来作为本次设计的整流装置才最合理。图2-1为其电路图：图 2-1 三相桥式电枢反并联可逆电路原理图2.2 整流电路的保护 整流电路直接与电网连接，功率很大，为了确保机床运行的稳定安全，我们有必要在电路中设置保护装置。过电压、电流保护保护是我们在设计保护电路时应该最先考虑到的问题，这些

25、保护装置通常都是按照以下两种方式安置：一种是在适合的位置设置保护保护装置，如压敏二极管、快速熔断器等；另外一种是使用电子保护电路，通过实时监控电路中的各项参数，当它们超过给定的阈值时，整流触发控制系统使整流电路暂时处于有源逆变状态，逐渐使得电流与电压趋于正常值。我们在这里将使用第一种保护方法，将交流侧、直流侧和晶闸管保护设备分开来设计，以应对在本次设计的大功率整流装置，保证其稳定、安全运行。2.2.1 过电流保护在日常的生产过程中，电机过载或整流装置直流侧的短路都是不可避免的，如果不设置保护必然会使原件损坏，引起不必要的麻烦，所以过电流的保护是不可或缺的一项保护措施。(1) 交流侧快速熔断器保

26、护整流电路，尤其是使用了半导体器件的电路一般都会使用快速熔断器来进行保护。因为半导体元件十分的脆弱，所以不能在长时间承受较大的过载电流，所以需要保护装置有足够快的断流时间。而快速熔断器正如其名字一样，能够在电路过载时快速的切断电路，一般不会超过十毫秒。当电路电流过载时，其就会迅速断开，保证机床安全。在这里将其与晶闸管原件直接连接在一起，这样做最为稳妥，在变压器一次侧也采用此保护方法防止过电流。图 2-2 快速熔断器(2) 直流侧快速自动开关保护快速自动开关具有反应速度快（仅为2ms），当短路时即使电流值很大，其也能安全地断开电路的连接；能够同时兼顾过功率与过电流保护；可以调整切断电路时的阈值，

27、可以重复使用，安装和使用都很省事等特点。它被直接接入直流电路内，当其动作速度比快速熔断器快很多，尽量不会浪费快速熔断器，起到双重保护的作用。2.2.2 过电压保护(1) 交流侧过电压保护图2-3为连接保护装置的方式：图 2-3 交流侧过电压保护这里我们采用阻容吸收器和压敏电阻的方式来进行保护，阻容吸收器能够很好地吸收过电压一瞬间产生的电压波动和冲击电流，削弱了过电压的强度，防止了保护装置轻易熔断或跳闸，保证了运行得稳定。它的构造非常的简单，工作可靠，防止过电压引起的电路的绝缘损坏，其是保证机床安全运行必不可少的过电压保护装置，常用于6KV110KV的高压电环境中，在这里使用正合适。交流侧过电压

28、保护到此设计完成。(2) 直流侧过电压保护在直流侧过电压保护中常常会使用压敏电阻来进行保护，当压敏电阻两侧的电压值低于其动作值时，其相当于断路，当两侧的电压值达到其动作值时，其电阻值直线下降，其将起到分流的作用，使大量的电流从它流过从而避免了后续的器件受到损伤，从而很好地起到了过电压保护的作用。图 2-4 直流侧过电压保护2.2.3 晶闸管保护晶闸管非常的需要过电压的保护，在它的正面电压强度过高时，其就会不受控制，导致整流电路发生故障，在反向电压强度太高时，其就会彻底损坏，不能使用，导致整流装置发生故障。所以必须设置完善的晶闸管保护措施。晶闸管主要在换相过程中容易发生故障，在这里我们采用采用在

29、晶闸管两端并联阻容吸收器的方式来避免晶闸管被反向击穿。图 2-5 换相过电压保护综合以上设计可以得到系统主传动晶闸管整流电路如图2-6所示：图 2-6 系统主传动晶闸管整流电路第3章 直流电动机调速反馈控制方案的确定3.1 直流电动机调速反馈控制方案的选择直流电机的调速控制方案多种多样，笼统的可以分为开环直流调速系统和闭环直流调速系统。3.1.1 开环直流调速系统开环直流调速系统是指直流电机转速n和给定电压 之间没有任何直接的联系的调速系统。直接控制触发器的输出就可以直接控制晶闸管整流桥，就可以起到控制直流侧电压的目的，从而就可以实现平滑调速。其控制电路极其简单，在实验室中很容易实现，如果机床

30、的设计对静差率要求并不髙，开环直流调速系统可以很好得满足要求。但是，开环直流调速系统没有反馈单元，控制精度不够高，无法应对实际生产中的各种干扰，这本设计中由于对控制精度要求较高，故不能采用开环直流调速系统。3.1.2 闭环直流调速系统闭环直流调速系统是指将输出量直流电机转速n反馈到输入端（反馈量还有其他形式），通过反馈环节来校正直流电动机转速构成闭环回路的调速系统。闭环直流调速系统能够很好得增加直流调速系统的调速性能。在对控制精度需求不高的情况下，可以采用单闭环系统，当对系统控制精度要求较高时就可以采用多闭环系统。闭环直流调速系统主要包含以下几种形式：(1) 转速负反馈直流调速系统转速单闭环系

31、统可以形象地理解为开环直流调速系统的“闭环化”。该系统将与转速变化息息相关的电压信号作为反馈量。当给定值恒定时，闭环系统可以纠正直流电动机的转速偏差，当电网电压或电机负载产生波动时，直流电动机的转速可以被稳定在一定的范围内。转速负反馈直流调速系统是单闭环系统，较不带任何负反馈的开环系统更加得稳定。但是并不能达到本次设计的要求，因此不能使用本系统。(2) 引入电流负反馈的直流调速系统直流电动机在全压启动时，会产生很大的冲击电流，这会对电机和电子元件产生灾难性的影响，这是我们所要避免的。采用转速负反馈的直流调速系统在刚启动时与全压起动相同，这是不能被允许的，直流电机在被卡住或负载太大时，其就会无法

32、转动，这样会导致会电枢中电流太大，会使保护装置动作，影响机床正常工作。而电流截止负反馈可以保持电流基本不变，起到保护电路的作用。(3) 双闭环直流调速系统单闭环系统虽然可以在一定程度上实现电机的稳定运行，但是其都存在一定的缺点，如在对系统的调速性能要求高的地方，单闭环系统就显得力不从心了。转速负反馈环节只能控制电机的转速，在电机刚启动或者堵转时，其会导致电压过高，导致原件损坏；而电流负反馈环节只能对电流产生调节作用，它仅仅能在电流超出临界值时，使电流回归正常值。于是就出现了将二者结合起来构成双闭环来同时进行转速与电流的控制的系统，这套系统性能更好，可以很好得满足本次设计的要求，故本次设计将采用

33、此直流调速方案。3.2 直流电动机调速反馈控制方案的设计在选定了系统主电路方案的同时，根据系统设计的要求综合考虑将使用逻辑控制的无环流可逆调速系统。此系统中使用了两种调节器，用来进行电流与转速的控制，即使用了电流与速度负反馈双闭环，它们在一起共同工作，连接在一起。图3-1为其系统框图：图 3-1 机床主传动调速系统的系统框图在本系统中共有两个ACR，通过控制来控制正组整流装置，通过控制来控制反组整流装置，从而实现电机的可逆运行，的输入是通过的输入经由反号器FH生成。根据本次设计机床的生产工艺要求，为了使轧制过程要保持机速稳定，在起动过程中要求加减速恒定，直流电动机的转速将采用给定积分器来给定。

34、在机床处于停机状态时，将使用锁0电路保证调节器输出电位锁在0电位，使机床能够可靠地停止。3.3 动态抗干扰性能分析当我们在设计一个调速系统时，最先应该考虑的就是抗干扰的问题，而抗电网电压扰动与抗负载扰动是其中最应该优先考虑的问题。3.3.1 抗电网电压扰动调速系统在电网电压改变时也有可能会受到影响，因为在双闭环系统中存在着电流环，其能够在电网电压产生扰动时及时作出相应地调整，避免影响到电机的速度，能够大大提高调速系统的抗扰性能。所以电网电压扰动在双闭环系统中影响微乎其微，不用去理会。3.3.2 抗负载扰动当电机带动的负荷改变时，会使电机的速度发生变化，这对调速系统来说是不被原谅的，应该尽快对其

35、进行校正。负载扰动并不属于电流环的管辖范围，所以其需要使用调节器ASR来对其进行纠正，所以当我们设计转速调节器ASR时，应尽可能地保证其抗负载扰动的性能。第4章 系统主电路及保护装置的参数计算4.1主电路装置参数的计算与选定4.1.1 整流变压器参数的计算整流变压器能够提供给晶闸管整流桥合适的工作电压，并将其与交流电网分离开来，减少其对外界的干扰，保证生命财产的安全，整流电路图见图2-1。(1) 为了能更好地减少晶闸管在工作时生成的三次谐波对电网产生的干扰，整流变压器将采用方法来接线，这种接线方法可以有效地提高变压器的供电质量，同时抑制谐波。(2) 变压器直流侧电压： (4-1)在这里我们取，

36、管压降，交流侧电压的波动系数，变压器短路时电压，则： (4-2)实际取值为。(3) 变压器直流侧电压和交流侧电流： (4-3)(4-4)(4-5)(4) 变压器的容量：因为本次设计使用的整流电路是三相桥式全控整流电路，所以,实际取值S=160KVA。(5) 根据以上计算变压器的各项数据如表4-1所示：表 4-1 变压器的各项数据相数接线方式 容量(KVA) 交流侧电压 (V) 交流侧电流 (A) 直流侧电压 (V) 直流侧电流 (A)三相 160 380 241 242 3774.1.2 晶闸管的选择(1) 晶闸管的正常工作时的电压为：。在本式中，则：，实际取值(2) 晶闸管的额定电流为：。在

37、这里我们取，则：，实际取值。(4-6)(3) 晶闸管的电压安全系数为：电流的安全系数为：。根据上述分析综合考虑，在这里我们选择型号为KP600-10的晶闸管12个。4.1.3 电抗器的计算为了抑制晶闸管整流电路中的环流和电流脉动，我们在晶闸管整流电路中串联入电抗器。可以通过以下计算求得其电抗量L：(1) 变压器漏感为：(4-7)(2) 直流电动机的电枢电感为：(4-8)(4-9)在三相桥式全控整流电路中，当整流电流开始工作时，变压器漏感与电枢电感量之和为：(3) 电抗量L为：(4-10)4.2 整流电路保护装置的参数计算与选定整流电路的交流侧直接与电网相连，直流侧又有很多的重要元器件，为了保证

38、各元器件的安全与机床的稳定运行，为整流电路添加保护装置是很有必要的。4.2.1 过电流保护(1) 交流侧快速熔断器保护快速熔断器在熔断时的电流为，经过下式计算：；，即。实际选取型号为RS3-750-700A的快速熔断器12只，其为600A，满足上述要求。本次设计变压器交流侧的线电压为380V，快速熔断器的额定电压可选择400V3只。(2) 直流侧直流快速自动开关保护由直流电动机的额定电流可以得出，实际选取型号为DS9-10/15的直流快速自动开关，其额定电压为1500V，额定电流为1000A，当直流侧电流在800-2000A范围外时，快速开关就会跳闸，阻止了电流地流通，防止了元器件的损坏。4.

39、2.2 过电压保护(1) 交流侧过电压保护我们需要在变压器的交流侧设置阻容保护装置来进行过电压保护，因为变压器的容量为160KVA远远大于5KVA。(4-11)变压器直流侧阻容吸收器的各参数：将采用与交流侧相同的接线法，这里我们取，通过以下算式可以得到：由此，我们实际取值为，的临界值。电阻值为：(4-12)实际取值为。阻容吸收器的电流为： 电阻的总功率为： 综合以上数据，在这里我们选择阻容吸收器原件如下：电容选取油浸电容，电容值为30uF，额定电压为630V的电容3只，电阻选取绕线电阻，电阻值为，功率为1000W的电阻3只。压敏电阻容定电压为：压敏电阻承受的额定V峰值实际选取型号为MY31-4

40、40/3的压敏电阻3只，其额定电压为440V，通过容量3KA。(2) 直流侧过电压保护根据交流侧压敏电阻的计算方法，可以选取压敏电阻MY31-440/3型1只，并联在整流装置直流侧。4.2.3 晶闸管保护取 ，电容耐压电阻功率实选油浸电容，630V12只，绕线电阻，10W12只。第5章 电流环、速度环与无环流逻辑切换装置的设计直流电机调速反馈控制单元主要由电流内环，转速外环与无环流逻辑切换电路等部件构成。电流检测电路、电流调节器ACR与触发脉冲输出电路构成了电流内环；转速检测电路、转速调节器ASR与转速给定电路构成了转速外环；无环流逻辑切换电路能够保证反并联接的两套晶闸管整流装置不会同时进行整

41、流工作，实现了直流电动机的可逆运行，保证了晶闸管整流电路的稳定运行。控制系统中还使用了锁0电路来确保机床稳定停车。图3-1为控制系统的框图。5.1 电流内环电流调节器ACR是电流内环的主要组成部分，其设计直接决定了电流内环的性能，电流内环的最大电流应该给定与转速调节器ASR的饱和幅值相同的给定值，其值为直流电动机的被允许的最大电流值，保护了机床的安全，达成了时间最优控制。三相交流电网电压波动可以通过电流内环来实现抗扰功能，保证了机床的平稳运行。5.1.1 电流检测装置为了让电流负反馈信号方向在直流电动机可逆运行时不发生变化，我们在直流电机调速反馈控制系统中共设置了两个电流调节器ACR和1个反号

42、器，因此本系统将使用的电流检测装置不用去管的极性。图5-1为电路互感装置与整流装置：图 5-1 电流检测装置5.1.2 电流调节器ACR比例积分调节器是一种非常常见的控制器，它包含了两种控制器的长处，而且弥补了各自的短处，起到了互相补完的效果，因此PI调节器在控制系统中得到了较为广泛的运用。电流调节器ACR将采用PI调节器形式来满足本设计的要求，其主要由型号为BG305的集成运放构成。电流调节器ACR的输出信号经过限幅和功率放大后产生了触发装置GT的移相控制信号，它的输出最大值将被设定到上。图5-2为其原理图：图 5-2 两个调节器（ACR1与ACR2）的电气原理图当电流检测装置检测到的主电路

43、中的电流过大或过小时，电流调节器ACR就会产生动作，电流调节器ACR会将输出电压控制信号的值变为，触发脉冲也会被设定为，从而保证了机床的安全。当机床停机时，锁0电路会将电流调节器ACR的锁在0，保证机床正常停机。5.2 转速闭环电流环在转速环的里面，其是设计转速环的基石，转速环在调速系统中起主要的作用，电流环只起辅助作用，通过对其的设计来实现对直流电动机转速的控制。5.2.1 转速检测环节和电压隔离器本次设计使用直流测速发电机来作为转速环的转速检测单元，它能够把直流电动机的转速转换为电压信号来实现转速的测定，其输出的电压信号与直流电动机的转速成正比，通过检测其输出的电压即可得到直流电动机当前时

44、刻的转速。直流电压隔离器可以使直流测速发电机与控制系统互不影响。图5-3为其原理图：图 5-3 转速检测和电压隔离装置原理图5.2.2 转速调节器ASR转速调节器ASR是由型号为BG305的线性集成运放组成PI调节器形式，使机床在运行时能够使转速稳定在给定值，当负载发生变化时能够及时作出调整，起到抗干扰的作用；此速度调节器可以实现无级调速，在稳态时无静差，能够很好地满足本设计的要。5.2.3 转速给定及给定积分器转速给定环节由给定电源GS，给定电位器等部件构成。为了满足本设计提出的要求，本系统将采用给定积分器作为本设计的给定装置。给定积分器能够利用其特性使直流电动机在加减速过程中速度均匀变化。

45、图5-4为转速给定环节以及给定积分器原理原理图：图 5-4 转速给定环节和给定积分器原理图5.3 无环流逻辑切换装置5.3.1 无环流逻辑切换装置的设计触发装置是用来控制晶闸管整流桥从而实现电动机的可逆运行，触发装置应能够保证两套晶闸管整流桥不会同时工作，其设计直接决定了机床运行的稳定性。本次设计将使用型号为KC26的集成化6脉冲触发器，其由3个型号为KC04的移相触发器、1个型号为的6路双脉冲形成器和1个型号为的脉冲列调制形成器连接连接而成。逻辑切换装置的输出信号与反号器共同实现了对晶闸管整流桥的控制。在实际使用中，常常使用两个型号为KC41装置的电路，其输入端将并联在一起，两套晶闸管的控制

46、输入端连接其两个控制端7。其输出端连接12个功率放大器，由脉冲变压器输出脉冲分别控制整流桥工作，以实现直流电动机的无环流可逆调速系统。5.3.2 无环流逻辑切换装置的工作原理逻辑切换装置是本装置中最重要的组件。其能够根据生产的需求，发出控制信号：其用来控制晶闸管整流装置，发出脉冲激活晶闸管正组整流桥，阻断晶闸管反组整流桥的脉冲，使得正组晶闸管整流桥工作，发出脉冲激活晶闸管反组整流桥，阻断晶闸管正组整流桥的脉冲，使得反组晶闸管整流桥工作，只容许这两种状态存在，保证正组与反组晶闸管整流装置不同时工作。电流的给定信号的极性与0电流的检测信号作为逻辑切换装置的输入信号，封锁正组晶闸管整流桥脉冲信号与封

47、锁反组晶闸管整流桥脉冲信号作为其输出信号，两块型号为KC41的六路双脉冲形成器的7号端口（脉冲输出控制端）分别连接，二者分别用来控制正、反两组晶闸管整流桥。在本设计的控制系统中我们规定，处于高电平时为1状态，处于低电平时为0状态。当为1时，正组晶闸管整流桥不工作，为0态时，正组晶闸管整流桥开始工作；为1态，反组晶闸管整流桥不工作，为0态时，反两组晶闸管整流桥开始工作，图5-5为其结构图：图 5-5 无环流逻辑切换装置的结构图5.3.3 其余各部件设计(1) 模数转换装置的设计模拟信号与数字信号的转换可以使用使用电平检测器来实现，由电流给定极性鉴别器与0电流检测器构成，二者都采用型号为BG305

48、的线性集成运放来构建，图5-6为其原理图：(a)(b)图 5-6 无环流逻辑切换装置的原理图(a) 电流给定极性鉴别器 (b) 0电流检测器(2) 逻辑判断与延时电路的设计逻辑判断与延时电路（封锁延时和开放延时）均采用具有高抗干扰能力的单元型号为JD123的与非门装置，图5-7为其结构图：图 5-7 逻辑判断与延时电路的结构图(3) 电容的选取与防短路保护电容与电容值的大小分别决定了封锁延时和开放延时的长短。在三相桥式整流电路中，一般取3ms，一般取7ms，根据公式计算可以得到，实际选取电容、的金属化纸介电容器，其正常工作时的电压都为，为避免正反两组晶闸管整流桥同时处于工作状态，造成两组晶闸管

49、整流桥短路事故，在系统中设置了多1保护环节，图5-8为其原理图：图 5-8 多“1”保护环节原理图第6章 调速环节的参数计算ASRACR本次设计使用的是直流它励电动机，其为本次设计的被控制对象，它的动态特性为一阶惯性环节与积分环节。双闭环调速系统有两个反馈环节，一个在内部，一个在外部，据此可以画出其动态结构图，图5-6为其动态结构图：图 6-1 调速控制系统的动态结构图我们的首要任务是根据上述条件，确定系统的形式，才能进一步地选择调节器和计算各项参数。6.1 调速系统的系统型式的确定典型I型系统虽然设计比较方便，虽然其最大偏差比II型小，但是其应对扰动方面不如II型。典型II型系统对于本设计很

50、适合，虽然其设计较繁琐，超调量也较大。在这种设计中，抗干扰能力比较高，所以设计时会采用典型的II型系统。当电网电压开始发生波动时，电流环可以起到很好地反馈调节作用，所以在这里我们电流内环将使用成典型II型结构。负载扰动是转速环所要面对的最大干扰量，根据设计提出的要求，为了起到及时调节，消除干扰，维持电机速度的稳定，转速外环也最好使用典型II型结构。到这里系统形式就确定完成了。6.2 电流内环的调整6.2.1 电流内环的简化与设计ASR电流环一般是用来控电流的。由于在现实的生产生活过程中，电阻与电感的比值比机械时间常数小得多，电流调节是很迅速的，但是反电势E的变化就比较小，在这里我们可以不在意反

51、电动势影响。此时，电流环的结构图可近似为图6-2。图中的（电流环小惯性时间常数）。(a)ACR(b)ACR(c)图 6-2 电流闭环及其简化后的动态结构图控制对象的传递函数为：(6-1)根据上式我们决定将转速环I闭环校正成典型II型系统，在这里我们将使用PI调节器，为它的描述运动规律的微分方程，这里我们取，图6-3是其电气原理图：图 6-3 电流调节器ACR的结构图6.2.2 电流调节器ACR的参数计算电流调节器ACR的各项参数和可以通过下列计算得出：电枢回路总电阻R：R的值是直流电动机电枢电阻，电抗器与晶闸管整流装置总电阻之和，下面分别计算：(6-2)由公式可得R的值为：电枢回路总电感L：总

52、电感L与直流电动机电枢电流连续时的电感量相等，所以：式中的在这里我们实际取值为2.5mH，根据公式，得到，直流电机电枢回路的机电时间常数按下式计算：(6-3)放大倍数：(6-4)失控时间：电流反馈滤波系数：(6-5)被称为电流的反馈滤波时间常数，在这里我们将取其值为，它为一个与结构有关的固定值。根据上述数据可得：，根据，在这里我们能够将大惯性环节简化为积分环节，图6-4为简化过后的电流内环：图 6-4 简化过后的电流内环在上图中，。由电动机的准则可取ACR参数为h=5，代入上式中可得：(6-6)，由于我们选择了型号为BG305的集成运放构成了电流调节器ACR，在这里我们取，如果电位器处于状态，

53、根据公式。(6-8)(6-7)实际取值为：，。ACR的结构如图6-5所示：图 6-5 调节器ACR的结构图6.3 转速外环的调整6.3.1 转速外环的简化与设计转速环作为电流环的外环，应该在电流环已设计好并已进行了一定地优化的前提下进行，以达到更好地控制效果。从图6-2中可以看出电流内环的传递函数为：(6-9)式中，代入可得：(6-10)根据相关的理论方法，对传递函数进行相应的化简操作，可以得到下式：(6-11)ASR电流环的等效传递函数可以用来替换图6-1中的电流环，这样就能够取得其的动态结构图，也能够把电流环变成单位反馈的形式。一阶时间常数可以通过把小时间常数T和融合得到，通过上述一番操作

54、可以得到简化后的转速环动态结构图。图6-6为转速环结构图：(a)ASR(b)图 6-6 转速环的动态结构图转速调节器ASR结构的确定：从设计对调速系统的抗扰性要求和转速环的动态结构图可以得到转速外环在这里要构建成典型II型， ASR应该设计成PI调节器形式，这样的设计可以基本上实现无静差调速，很好地达到了设计要求对调速系统的调速性能要求。转速调节器ASR的传递函数为：(6-12)这里我们取。6.3.2 转速调节器ASR的参数计算转速调节器ASR的参数包括驱动和，在这里我们不考虑负载扰动的影响，根据图6-6可以得出的简化后的转速调节器ASR的动态结构图，计算过程如下：(6-13)(6-14)+。图 6-7 简化后的转速环动态结构图飞轮惯量为：根据设计提供的参数可知该直流电动机，根据公式可得：。当直流电动机在额定励磁时的电动势与转速的比值为：(6-15)当直流电动机在额定励磁时的转矩与电流的比值为：(6-16)在我们取直流电动机最高转速时的给定电压时，电流的反馈系数为：(6-17)我们在这里选取值为：，其被称为转速反馈的滤波时间常数，是一个与结构有关的固定的值。直流电动机的机电时间常数为：(6-18)(6-19)小惯性环节的时间常数之和为：根据最小准则可以选取转速调节器ASR的值：h=5，经过计算可得：(6-20)(6-21)(6-22)转速