龙门刨床电气控制系统设计






摘要 .................................................................................................................................................. 2 一、绪论........................................................................................................................................... 3 1.1 生产工艺要求.................................................................................................................. 3 1.2 电动机系统...................................................................................................................... 3 1.3 本设计的基本要求: ...................................................................................................... 4 二、龙门刨床调速系统的方案选择 ............................................................................................... 5 2.1 总述.................................................................................................................................. 5 2.2 龙门刨床的工艺特点及其对自动控制系统的要求 ...................................................... 5 2.3 选择调压调速的理由 ...................................................................................................... 7 2.4 主拖动电动机供电方式的选择 ...................................................................................... 9 2.5 双闭环控制系统的选择 .................................................................................................. 9 2.6 触发电路的选择 ............................................................................................................ 10 2.7 调压调速控制系统主回路的选择 ................................................................................ 11 2.8 电动机直流调速的介绍 ................................................................................................ 11 三、调速系统主回路的设计 ......................................................................................................... 14 3.1 主回路的电气原理图 .................................................................................................... 14 3.2 主电路的过电压和过电流保护 .................................................................................... 14 3.3 主电路的参数计算: .................................................................................................... 15 四、调速系统的控制电路设计 ..................................................................................................... 19 4.1 转速电流双闭环直流调速系统 ................................................................................... 19 4.2 逻辑无环流系统 ............................................................................................................ 20 五、调速系统的静态计算............................................................................................................. 33 5.1 系统的静态结构图 ........................................................................................................ 33 5.2 系统的静特性............................................................................................................... 35 六、调速系统的动态计算............................................................................................................. 36 6.1 电流环中电流调节器的设计 ....................................................................................... 36 6.2 速度调节器的设计 ....................................................................................................... 38 七、系统的调试............................................................................................................................. 41 7.1 系统的安装及检查 ....................................................................................................... 41 7.2 系统的调试.................................................................................................................... 41 7.3 小结............................................................................................................................... 45 总 结 .............................................................................................................................................. 46 参考资料 ................................................................................................................................. 48

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。其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

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一、绪论
1.1 生产工艺要求
龙门刨床在刨削加工金属材料时,刨床的主运动是工作台往复的直线运动, 工作前进时,为工作行程,即切削行程,此时带动工作台的直流电动有负载。一 个切削过程完毕后,工作台后退时,即反向行程时,刀具抬起,主电动机为空载 运行。为提高生产率,返回速度要高于切削速度。为了减小刀具所承受的冲击, 延长其使用寿命,因此在切削行程开始时,工件以低速进入刀具,然后再加速到 所需要的切削速度。在前进的末尾,工作台自动减速,保证刀具慢速离开工件, 以避免工件边缘的崩裂;同时提高了反向的准确度,因为前进方向降低了速度, 也就是说降低了动能。在反射行程(后退)的末尾同样工作自动减速。

1.2 电动机系统
1.2.1 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做电动机系统,简称 KZ— D 系统。 系统由整流装置、滤波电抗器和直流电动机组成。装置又由整流电路、触发 电路及移相控制单元组成。 1.2.2 系统的评价 目前, 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) 、目前的制造容量不大; (2) 、采用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 于发电机—电动机系统,至于整流装置的缺点,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
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用。

1.3 本设计的基本要求:
? 可递性:电机正转时进行切削,反转时空载返回。 ? 调速范围:D=20。 ? 静差度:S≤0.1 ? 恒转矩负载:采用调压调速。 ? 空载起动到额定转速超调量δ n≦10%。 ? 实行联锁保护。

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二、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
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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。

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(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 选择调压调速的理由
直流电动机的机械特性方程为:
n? U R ? T Ce ? CeCT ? 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
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:
n? R ? R0 U ? T Ce ? CeCT ? 2

(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
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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 n0 也将改变, 而机械特性的斜率不变, 此时机械特性方程为:

n?

U' R ' ? T ? n0 ? KmT 2 Ce ? Ce CT ?
R ; CeCT ? 2

(2-3)

其中 K m =

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。
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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,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Δ 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Δ 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
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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。

2.6 触发电路的选择
在触发电路的选择上,我们采用了 KCR—S3 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。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
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调制频率达 10KHZ,最大触发电流达 500 mA,可以触发任何功率的。各相触发 脉冲间具有良好的均衡性(不均衡度不大于± 。软启动时间 5 秒左右。KCR 3o) -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。 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
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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、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。 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:

n?

Ud R ? Ra ? n M Ce?D CeCM ?D 2

(2-4)

式中 U d 为整流电压; Rn 为整流装置的等效内阻; Ra 、 ? D 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: (1)在基速 ne 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 U d 是控 制角 ? 的函数,因此只需改变触发电路的控制电压 uk ,使触发脉冲移相,就可 以改变控制角 ? 及 U d ,实现调压调速。 (2)基速 ne 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

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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 ne 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: 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。

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三、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 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 ③ 调节系统中电流调节器起限制电流作用 ④ 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)。

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上图中接于变流装置交流侧的保护回路有: ⑴ 交流侧阻容式保护回路。 ⑵整流保护回路。 ⑶交流侧压敏电阻保护回路。 ⑷静电感应过电压保护回路。⑸换相过电压阻容保护回路 第⑴⑵⑶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。 ⑷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⑸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 Δ/Y 接法。 (1) 、变压器副方的参数计算: 相电压: U 2? ? (1.2 ?1.5)U d

A

(3-1)

已知三相桥式 Ud=220V,A=2.34,代入上式得 U2Φ=1.5×220/2.34≈141V 相电流: I 2 ? K12 I d (3-2)

已知三相桥式的 Id=305A,K12=0.816,代入上式得 I2=0.816×305≈249A
U (2)变压器的变比 K ? 1 U

(3-3)
2

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: 1Φ=380V, U 相电流:I1 ? I 2 (4)变压器的视在功率: 、 副方视在功率 原方视在功率 平均视在功率

K

=249/2.695≈92.4A

S2 ? m2U 2? I 2 =3×141×249=105.33KVA S1 ? m1U1? I1 =3×380×92.4=105.34KVA
S? S1 ? S2 2
=(105.33+105.34)/2=105.335KVA

所以我们在这取 S=105KVA 3.3.2 元件参数的选择: 额定电压: UTn=(2—3)UTM (3-4)
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UTM= 6 U2Φ= 6 × 141≈345.4V,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 ×305≈224A 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
L? U dM / U 2? ? U 2? Si I d

(3-6)
I dM I d ,又 I dM Id

查表可得对于三相桥式电路: UdM / U 2? =0.42,电流脉动系数 Si = 交 流 基 波 幅 值 I dM =

2 I2=

2 × 249≈351A , I d =305A , 所 以 Si =

=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
L? K1 ? U 2? I d min

(3-7)

若使电流连续的最小负载电流 I d min =0.5A,对于三相桥式电路的临界电感计 算系数 K1 =0.693,所以
L? K1 ? U 2? =(0.693×141)/0.5=195.4mH I d min

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 LD ? K D

U e ? 103 mH 2 Pn I e

(3-8)

式中, 为电动机的极对数, P 已知 P=2, e =220V,ne =1000r/min,I e =305A, U 无补偿绕组的电机系数 K D =8—12, 在此我们选 K D =10, 代入上式可得 LD =1.8mH。 3.3.5 变压器漏电感 LB 的计算
LB ? K B U dlU 2? mH Id

(3-9)

16

式中, dl 为变压器的阻抗电压百分值, 1000KVA 以下的变压器, dl =0.055, U U 对于三相桥式电路 K B =3.9, 已知: 2? =141, d =305A, 代入各参数可得 LB ≈0.1mH。 U I 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 U pn 和额定电流 I pn 按以下方法选取: 再留有适当的裕量即 U pn ≥1.1 U un U pn 应大于电器正常工作时的电压有效值, 式中, U un ——变流变压器二次电压有效值

I pn 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 I pn ≥1.3

K I I DN

K1 ——电流计算系数,对于三相桥, K1 ?

1 3

I DN ——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 Fmax =78480N,最大拉力时的最高切削速度

Vmax =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:
PD ? Fmax ? Vmax

?c =(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:
PD ? PD
'

K D =46.7/1.4=33.3KW

式中, K D 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
17

率为:

Pe ? 1.8PD =1.8×33.3≈60KW
'

因此所选电动机的额定数据如下:

Pe =60KW,U e =220V,I e =305A,ne =1000r/min,额定激磁电压 U fe =220V,
额定激磁电流为 I fe =4.1A,激磁绕组电阻 R f =52Ω ,电枢电阻 Re =0.04Ω

18

四、调速系统的控制电路设计
4.1 转速电流双闭环直流调速系统
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左图,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。 实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突跳,左图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。 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,Un ,Un 为转速给 ? 定电压和转速反馈电压,Un ,Un 为电流给定电压和电流反馈电压,TG 为测速发

电机。 把转速神曲听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。从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环;转速
19

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。

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(4-1)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, Ui 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 K11 和 K12 闭合,另一路经

20

使电流调节器输出为负, 正向组脉冲前移小于 90? , K11 输入到电流调节器 ACR, 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 Ui 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 K11 ,

K12 触点。
4) 正向脉冲被封锁。 5)经一段延时, K 21 , K 22 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 ms以下,不会对调节系统的品质起影响, 在 20~30 ms内对调节系统的动态品质稍有影响, 当反向死时超出 30 ms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,
21

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 3~5 ms) 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。

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。

22

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 5~6

ms。
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, “ ? min ” 将 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。 4.3 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) 。

23

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 U gi 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 t1 ? 2 ~ 3ms ,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) 。
24

图中 KV 为运算放大器的开环放大系数, K1 为电平检测器的反馈系数,其值为:

K1 ? R0 /( R1 ? R0 )
若电平检测器的闭环放大系数为 K B ,则

(4-1)

K B ? U SC / U SR ? KV /(1 ? K1KV )
放大器的输入—输出特性如图(4-6)所示。

(4-2)

其中(a)图中 K I KV <1:放大状态;图(b)中 K1KV ? 1 , K B ? ? :继电状态; 图 (c) K I KV >1:继电器出现回环。 KV 一定时,K I KV >1 表示 K1 大, R1 小, 中 当 即 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 KV 为 100000 倍,取输入电阻 R0 ? 20K? ,正反馈电阻 R1 ? 2M? ,则反馈
25

系数 K1 为:

K1 ? R0 /( R1 ? R0 ) ? 20 /(2000? 20) ? 1/ 100
如果运算放大器的饱和输出值为 U scm ? 10V 。设放大器原来处于负相饱和状态, 即 U scm ? ?10V 则反馈电压 U f :

U f ? K1U sc =(1/100)×10=0.1V

(4-3)

为了使放大器的输出从-10V 翻转到+10V, 输入 U SR 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 U ar 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 U h 的计算为:

U sr 1 ? K1U s c 1 ; U sr 2 ? K1U scm 2 ; m U h ? U sr 1 ? U sr 2 ? K1 (U s c 1 ? U s c m) m 2

(4-4) (4-5)

式中,U scm1 ,U scm 2 分别为正相和负相饱和输出电压;U sr 1 ,U sr 2 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, R1 越小则 K1 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” “零电流检测” 和 两个电平检测器, 分别将 U gi 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) 。

26

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 U gi ,输出为转矩极性信号 U M 。当 U gi =“-”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 U gi =“+” 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 R2 、 V3 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) 。

它的输入信号是电流互感器输出零电流信号 U fi 。 主回路有电流时 U fi 为+0.6V,
27

要求零电流检测器输出 U I 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 U fi 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( V1 与 R3 )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 U I =“1” ,有电流 时U I = “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 U M 与零电流检测信号 U I 发

出封锁正组信号 U Z 和封锁反组的信号 U F 。 封锁信号为 0 或负时 U Z 或 U F 为 “0” , 发出脉冲封锁信号。当封锁信号为正时, U Z 或 U F 为“1” ,发出脉冲开启信号, 在各种运行情况下逻辑判断电路的状态如下: 输入信号: 转矩极性鉴别:M =+, U gi =―,U M = 则 “1” M =―,则 U gi =+,U M = ; “0” 零电流检测:有电流时,则 U I =“0” ;无电流时,则 U I =“1” 封锁信号: 封锁正组脉冲: U Z =“0” 开放正组脉冲: U Z =“1” 封锁反组脉冲: U F =“0” 开发反组脉冲: U F =“1”

根据可逆系统正、反向运行和起动、制动的具体情况,对逻辑判断电路的 要求列在表上。
表 4-1 对逻辑判断的要求 逻辑电路输入 运行状态 转矩极性 + 正向起动 - 正向运行 + - 正向制动 - 有 有 有 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1
28

逻辑电路输出

电枢电流 0

UM
1

UI
1

UZ
1

UF
0

- - 反向起动 - 反向运行 - + 反向制动 + +

有(制动电流) 0 有 有 有 0 有(制动电流)

0 0 0 0 1 1 1

0 1 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 1 1

1 1 1 1 1 0 0

例如:正相制动时,ST 输出为正,转矩极性鉴别器输出 U M =“0” ,当电流 下降但尚未反向前零电流检测器输出 U I = “0” 此时要求正组仍开放, U Z = , 即 “1”

U “1” 希望正组向反组切换, U Z = 实行本桥逆变。 当电流下降至零时, I = , 即 “0” , U F =“1” ,当反组开放后,得到反向制动电流 U I 又变为“0” ,但正反组的脉冲
封锁信号应保持不变,即 U Z =“0” ,而 U F =“1” 。 根据逻辑判断电路的要求,可以得到逻辑判断电路的真值表。

根据真值表可列出逻辑判断电路的逻辑 表达式:
U Z ? U F ? (U MU I ? U M U I ? U M U I )
(4-6)

表 4-2 逻辑判断的真值表

UM

1 1 1 0

1 0 1 0

0 0 1 0

0 1 0 1

0 0 0 1

1 0 0 1

UI

U F ? U Z ? (U MU I ? U M U I ? U M U I )
(4-7)

UZ
UF

上述逻辑表达式可简化为:
U Z ? U F ? (U M ? U I ) U F ? U Z ? (U M ? U I )

(4-8)
(4-9)

为了使逻辑装置具有较高的抗干扰能力,常采用 HTL 组件的与非门电路组

29

成逻辑判断电路。因此,上述两逻辑表达式变为“与非”形式的表达式:

U Z ? U F ? (U M ? U I ) ? U F ? (U M ?U I ) U F ? U Z ? (U M ? U I ) ? U Z ? (U M ?U I )

(4-10) (4-11)

如果不愿意多用一个与非门以获得 U M ,则上式可化为:
U F ? U Z ? [(U M ?U I ) ? U I
(4-12)

由上两式,可以得到逻辑判断电路如图(4-9)。

3) 、延时电路

当逻辑判断电路发出切换指令 U Z 或 U F 之后,必须经过关断等待

时间 t1 与触发等待时间 t 2 之后,才能执行切换指令。因此,逻辑装置中要设置延 时电路。 最简单的延时电路是在 HTL 与非门的输入端加接二极管和 V 和电容 C, 如 图(4-10)所示。

当与非门的所有输入端为高电平“1”时,输出为低电平“0” 。只要有一个
30

输入端为低电平“0”时,则输出便跳至高电平。当接电容与二极管的输入端的 信号由“1”变“0”时,二极管导通,与非门的输出照常翻转,无延时作用。若 信号有“0”变“1”时,二极管截止,A 点的电位不能立即升高,须等待 HTL 组件电源通过内部电路对电容 C 充电,直到 A 升至与非门的开门电平时,输出 才由“1”变为“0” (设其它输入端均为高电平) 。电容器的充电时间就是延时时 间,其充电时间为:

t ? RC ln[U /(U ? UC )]

(4-13)

式中, R —充电回路电阻,在 HTL 与非门内 R =8.2 K? ; C —外接电容;U —电源电压,HTL 与非门 U =15V; U C —电容器两端的电压。当 U C 等于开门电 压时, t 就是延时电路的延时时间,设开门电压为 8.5V,则关断等待时间 t1 为:

t1 ? RC1 ln[U /(U ? UC )] =2~3ms
所以

(4-14)

C1 ?

t1 U R ln U ?UC

?

(2 ~ 3) ?10?3 =0.29~0.44 ?F 15 3 8.2 ?10 ln 15 ? 8.5

(4-15)

而触发等待时间 t 2 为:

t2 ? RC2 ln[U /(U ? UC )] ? 7ms
所以

(4-16) =1.02 ?F

C2 ? R ln

t2 U U ?UC

?

7 ?10?3 8.2 ?103 ln 15 15 ? 8.5

(4-17)

这两个延时电容应该在逻辑电路的哪个与非门上呢?要回答这个问题,须分 析逻辑电路的动作过程。例如从正组换到反组时,应在 U M 从“1”变到“0” U I , 由“0”变为“1”之后,延时 t1 (关断等待)使 U Z 从“1”变“0” ,再延时 t 2 (触 发等待)使 U F 从“0”变“1” 。在图(4-9)的逻辑电路中,U M 从“1”变“0”后,

YF1 输出立刻翻转成“1” ,这个“1”信号作用到 YF2 的一个输入端,等到它的另
一个输入端 U I 也由“0”变“1”时, YF2 输出随即翻成“0” ,而 YF4 输出 U F 立 即从“0”到“1” ,再经过 YF3 使 U Z 从“1”变为“0”没有任何延时,这当然是

31

不允许的。 为了设置延时, U F 翻转之后, 在 经过延时电容 C1 才能使 YF3 的输出 U Z 从“1”变为“0” 。这样就有了关断等待时间 t1 。另外不要 YF4 的输出 U F 直接控 制 反 冲 组 脉 冲 , 而 是 经 过 U F 延 时 电 容 C2 的 与 非 门 TF5 和 反 相 门 YF6 , 令
' 再由 YF6 的输出 U F ' 去封锁反组脉冲, 这样在 U F 由 “0” 翻转到 “1” C2 ? C2 ? C1 ,

之后,经过时间 t1 ? t 2 才开放反组脉冲就比 U Z 的翻转延长了一段触发等待时间 t 2 , 以上是从正组切换至反组的情况,从反组切换到正组也是一样,于是相应地增加 了一套延时电容 C1 与 C2 ' 以及与非门 TF5 和 TF7 。TF7 的输出才是真正封锁正组脉 冲的信号。因此,电容 C1 与 C2 ' 的接法如图(4-4)所示。 4) 、逻辑保护环节 其原理见图(4-11)。

在正常工作时,逻辑电路的两个输出 U Z ' 与 U F ' 总是反相的(即一个为“1” , 另一个为“0”使一组脉冲开放,另一组脉冲封锁。若出现故障 U Z ' 与 U F ' 同时为 “1” ,将造成两组同时开放。则产生短路事故。加入多“1”保护环节后就可避 免上述事故。若 U Z ' 与 U F ' 都为“1” ,则 YF9 的输出为“0”把 U LK 1 与 U LK 2 都拉到 为“0”状态,两组脉冲同时封锁,并发出逻辑故障停机信号。

32

五、调速系统的静态计算
5.1 系统的静态结构图
龙门刨采用双调速系统,其系统的静态结构见图。 .

1. 电流反馈系数的计算 设:①速度调节器的限幅值为±5V;②电动机的启动,制动电流为 2 I S , 即为 610A。 电流调节器的最大给定电压 U glm 就是速度调节器的限幅值,对应的最大为 ,所以,电流反馈系数 ? 为: I dm (即电机运行时可能出现的最大电流)

?

= U glm / I dm =5/610=0.0082V/A

(5-1)

2. 速度反馈系数 ? 的计算
设: ①最大给定电压 U gnm 为 10V, 电动机运行于额定转速 ne =1000r/min,此时

刨台的运行速度为 45m/min;②由于本系统采用调压调速,因此, ne 就是系统的 最高转速,电流调节器的反馈系数 ? 为:

? = U gnm / nmax =10/1000=0.01V/rpm
3. 电动机的电势系数 Ce

(5-2)

33

设:电动机的磁通在运行过程中保持不变,则电动机的电势系数为:

Ce = (Ue ? I s Rs ) / ne =(220-305×0.04)/1000=0.2078V/rpm
式中, Rs 为电动机的电枢电阻,已知 Rs =0.04Ω 4. 主回路等值电阻 R 的计算 电动机主回路等值电路如图(5-2) 。

(5-3)

图中, Rs —电机电枢电阻; RL —平波 电抗器的电阻; RB — 整流电抗器的管 压降 ? E 与换流重迭所产生的压降 ?U 所引起的等值电阻,一般管压降很小, 在计算时可以忽略。所以
RSCR ?
?

m XB m ?U 2 ?U k % ? 2? 2? ? I 2 ?100
(5-4)

6 ?141 ? 5.5 =0.03 ? 2? ? 249 ?100

由于是三相桥式整流, 换相次数 m =6,又由于未进行变压器与电抗器的结构设计,在计算时忽略 RB 与 RL 。因此, 直流主路的等值电阻:

R ? RS ? RL ? RB ? RSCR ? RS ? RSCR =0.04+0.03=0.07
5. 可控制整流装置的放大系数 K SCR 的计算

(5-5)

由于三相桥式反并联系统采用 ? = ? = 90o 的工作制, 而且为了防止逆变失败, 最小 ? 角限制在 ? = 30o ,对应于 ? min 时,电流调节器要处于限幅值,设 LT 的限 幅值为 4V, LT 为限幅值时,整流装置的输出电压 U do =220V。所以整流装置的 放大系数 K SCR 为:

KSCR ? U do U k =220/4=55 倍
6. 速度调节器的放大系数 KⅡ与电流调节器的放大系数 KⅠ

(5-6)

34

速度调节器与电流调节器均采用 PI 调节器,在未进行动态校正之前, 初步确定 KⅡ=50 倍 KⅠ=75 倍

5.2 系统的静特性
由系统的静态结构图可得系统的静态方程如下:

n?

U gn ? K n ? K1 ? K SCR Ce ? K n ? K1 ? K SCR ??

?

R ? ? ? K1 ? K SCR ? Is Ce ? K n ? K1 ? K SCR ??

(5-7)

式中: Ce ? Kn ? K1 ? K SCR ?? =0.2078+50×75×55×0.01=2062.70

Kn ? K1 ? KSCR =50×75×55=206250
R ? ? ? K1 ? K SCR =0.07+0.0082×75×55=33.895
将上述数据代入式中,可得静态特性为:
n ? U gn (1 100) ? 0.0167I s ? 100 gn ? 0.0167I s U
(5-8)

静态转速降 ?n ? 0.0167I s =0.0167×305=5.1rpm 龙门刨运行于最低速度 4.5m/min 时,转速的给定值 U gn =1V,因此,对应于 最低转速时的 no 为:

no ? 100 gn =100×1=100rpm U

(5-9) (5-10)

对应于最低转速是时系统的静差度为 ? ? ?n no ? 5.1/ 100 ? 0.05 因此,本系统能够满足龙门刨对拖动系统的静态指标。

当速度调节器采用 PI 调节器时,由于积分的作用,可以做到无静差。

35

六、调速系统的动态计算
双环系统的一般设计方法是:从内环开始,逐步扩大到外环,一环一环地 进行设计。本系统的内环是电流环,外环是速度环。因此先从电流入手,首先设 计好电流环,然后把电流环看成是转速调节中的一个环节,再设计速度环。

6.1 电流环中电流调节器的设计
电流调节器采用 PI 调节器。由于电流检测信号含有交流分量,须加滤波, 同时为了补偿反馈通道中这一惯性作用, 在给定的通道中也加入一个时间常数相 同的惯性环节,称为“给定滤波环节” 。因此,电流调节器的原理图如图(6-1) 。

令 Kt 为调节器的比例系数,? i 为积分时间常数, Toi 为给定滤波与反馈滤波 的时间常数,则 Kt ? Ri Ro ; ? i ? Ri Ci ; Toi ? RoCoi / 4 由于电流调节过程比转速和反电势的变化过程快得多,在设计电流调节器 时,可以暂不考虑反电势变化的影响,即认为电势的变化量 ?E ? 0 。因此,电流 环的结构如图(6-2) (a)所示。

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结构图中, K SCR 与 Ts 为整流装置的放大系数与时间常数。对于三相桥式可 控整流电路, 其整流装置的滞后时间 Ts =0.0017 秒。 由静态计算已知 K SCR =55。Tc 为电枢回路的电磁时间常数。一般 Ts 与 Toi 比 Tc 小得多,作为小时间常数处理, 取 T? i ? Ts ? Toi ,则电流环可以简化为图(6-2) (b) 。 从静态的角度出发, 希望电流环做到无静差, 所以电流环校正成Ⅰ型系统, 从动态角度出发, 希望在起动过程中减小电流的超调量,也要求电流环按Ⅰ型系 统设计。 当电流环按Ⅰ型系统设计时,则要求:

? i ? TL
使调节器的零点对消掉调节对象的大时间常数极点。因此,校正成Ⅰ型系统后的 动态结构图如图(6-3) ,其开环对数频率如图(6-3) (a) (b) 。

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结构图中 KⅠ为:

KⅠ= Ki K SCR ? / ? i ? R

(6-1)

由于要求超调量小,取阻尼比 ? =0.707,此时,超调量 ? % =4.3。由此得截 止频率 ?c :

?c = KⅠ 1 / 2T? i

(6-2)

联立解式(2-2-31) (2-2-32)与(2-2-33)可得电流调节器的比例系数 KⅠ为: KⅠ= TL R / 2KSCR ?T?i ? 0.5( R / KSCR ? )(TL / T?i ) 已知 (6-3)

=55; R =0.07 ? ; ? =0.0082; Ts =0.0017 秒; KS C R (6-4) (6-5) (6-6)

Toi ? RoCoi / 4 = (40?103 ? 0.2 ?10?6 ) / 4 =0.002 秒;
T? i ? Ts ? Toi =0.0017+0.002=0.0037 秒;

TL ? L / R ? ?20 ? 1.8 ? 0.1??103 / 0.07 =0.312 秒

?

?

将上述数据代入式中,则得电流调节器的比例系数 KⅠ≈6.5 倍 因此,电流调节器的参数如下:

Ro =40 k? ; Co =0.2 ?F ;

R1 = KⅠ Ro =6.5×40 k? =260 k? ;
(6-7)

Ci ? ? i / Ri ? TL / Ri ? 0.312/(260?103 ) =0.1 ?F ;

6.2 速度调节器的设计
速度调节器采用 PI 调节器。当电流环用校正后的等效传递函数表示后,整 个调速系统的动态结构如图(6-4) 。 (a) 图中 ? 是速度反馈系数, Ton 是转速反馈滤波时间常数。与电流环一样,为 了补偿反馈通道的惯性作用, 引入了相同时间常数的速度给定滤波环节。又由于

M ? M fX ? CM (I d ? I fX ) ? (GD2 / 375)(dn / dt) ? (CeCM / R) ? Tm ? (dn / dt) (6-8)
所以把 ( I d ? I fX ) 当输入,而转速 n 当作输出的环节的传递函数为:

n(s) / I d (s) ? I fX (s) ? R / CeTm S
式中: Ce —为电势系数; Tm —为机电时间常数

?

?

(6-9)

Tm = (GD2 ? R) /(375 eCM ) C
把滤波惯性环节移到速度环内,并令:

(6-10)

38

T?n ? ?T?i ? Ton
则速度环的动态结构图可简化成图(6-4) (b) 。

(6-11)

若要求转速调节为无静差系统,则 ST 必须采用 PI 调节。因此,速度环要 按Ⅱ型系统设计时,则 ST 的传递函数为:

Kn ? (? n S ? 1) / ? n S
则调速系统的开环传递函数是:

(6-12)

Wn ( s) ?

K n?R(? n S ? 1) K (? S ? 1) ? 2N n 2 ? n ?CeTm S (T?n S ? 1) S (T?n S ? 1)

(6-13)

速度调节器积分时间常数 ? n 与比例系数 K n 分别为:

? n ? hT?n
Kn ? (h ? 1)(? n ?CeTm ) / 2h?RT?n

(6-14) (6-15)

39

转速环的开环放大系数 K N 为:

K N = Kn?R /(? n ?CeTm ) ? (h ? 1) /(2h2T?2n )
为了提高系统的抗干扰能力,取 h=5。

(6-16)

设测速反馈系统滤波环节的参数 R0 =40 [ ?? ], Con =0.1[ ?F ] 则

Ton ? R0Con / 4 =0.01 [S] T?n ? 2T?i ? Ton =2×0.0037+0.01=0.0174 [S]

(6-17) (6-18) (6-19)

? n ? hT?n =5×0.0174=0.087 [S]

(5+1)(50× 0.01742 ) / =396.4[1/ S 2 ] (6-20) K N ? (h ?1) /(2h2T?2n ) =
Tm ? (GD2 ? R) /(375 eCM ) =(6.2×0.07)/(375×0.2078×0.202)=0.0275[1/ S 2 ] C

(6-21)

Ce =0.2078; C M = Ce /1.03=0.202; GD2 =6.2 [㎏·㎡]
速度调节器的比例系数:
Kn ? K N

? n ?CeTm 0.087 ? 0.0082 ? 0.2048 ? 0.0275 ? 396 .4 ? ? 2.3 ?R 0.01 ? 0.07

(6-22) (6-23) (6-24)

Rn ? Kn R0 ? 2.3? 40K? ? 92K?
积分电容 C0 的计算:
C0 ? ? n / Rn ? 0.087?103 / 92 ? 0.95 [ ?F ]

40

七、系统的调试
调速系统能否保持运行良好,与安装、调试及日常的维护工作有很大关系。 现把本设计的调速系统的基本调速方法介绍如下:

7.1 系统的安装及检查
系统的调试必须在电控设备安装合格,个机械部件及检测环节安装正常,转 动部分能灵活运转的前提下进行。因此,在调试前应做好准备工作,对设备的安 装和线路的连接作必要的检查。 1.安装前详细检查电气柜内所有的电气元件有无运输受震而损坏、紧固件 松动、金属受潮锈蚀严重或绝缘受潮等情况。如有上述情况,应先进行修整,清 洁柜内灰尘、杂物后才能安装使用。 2. 晶闸管设备应安装在通风良好的地方, 柜的四周要留有一定的空余地位, 以便于检修。如进线需要,应设置地沟,并要能防止地沟内积水。 3.电机轴中心线与机械轴中心线应对准安装,否则可能会使整个机组在运 转中产生震动,使轴承因承受的应力过大而发热严重。 4.设备的外部接线要严格按接线图连接。各种电缆线的排放要做到强弱电 分开, 交直流分开。 为增强抗干扰能力, 各种信号线和反馈线要各自穿铁管隔离。 设备的外围金属框架部分必须有接地点。 5.检查电机的电刷是否接触良好,电机的旋转方向是否正确。 6.根据电路图和接线图认真检查各元、器件和电路板的位置与外部接线是 否正确,检查各个设备之间的连接线是否无误,检查主回路的连线是否正确。各 连接线头都应接触良好,接插件应接触紧密。 7.在接通电源之前应对绝缘受损或受潮的设备进行修复和干燥处理,然后 再进行绝缘检查。 绝缘检查一般根据元器件的工作耐压来选用合适的兆欧表或万 用表。 8.所有的开关和控制手柄要放在规定的位置。

7.2 系统的调试
对系统进行调试首先应掌握控制系统的原理, 熟悉各系统的各控制单元的线 路及其控制功能。 了解系统应满足的各项性能指标, 以及各调节器的校正参数等。
41

调试前应准备好所需的各种测量仪器仪表。调试过程按一定的顺序进行: 7.2.1 调试顺序 1.调整好各种控制电源,将各电路板拆下,各控制电源在空载情况下,调 整和检查其输出电压的幅值。 2.先调试系统的各控制单元,然后进行系统调试。 3.先调试控制回路,后调试主电路。 4.主电路通电时先低压后高压,先接入电阻负载,后换接至电动机。 5.先调试和检验各保护环节,然后才投入运行。 6.双环系统的调试应先调整内环,再调整外环。 7.调试系统时,电动机投入运行应先轻载后重载,先低速后高速。 8.先调试和检验系统的静态性能指标,后调试系统的动态性能指标。 9.先单向运行调试,后可逆调试。 7.2.2 控制单元的调试 1. 调节器的调试 因为本设计采用的调节器均为反馈型调节器,因此可直接调试。首先将放大 器组成比例调节器,用示波器高频档观察输出是否有自激振荡。如有,可调整放 大器外接的消振电路参数来消除自激振荡。 振荡消除后,对调节器进行调零。调零时将各个输入端接地,用万用表测量 输出端,调整调零电位器或同相输入端对地接外接电阻值,使输出为零。 根据调节器在系统中所需的限幅值,调整其正、负限幅电位器时输出达到限 幅值。 2.触发器 主电路电源断开,检查触发器同步电压、电源电压接线是否正确。电压幅 值应满足要求。 用示波器检查各触发板输出脉冲波形是否正确。若不正确,应先解决触发板 电路上的问题。 外加控制信号 u c 或调整偏置电压 u p 值,观察各触发板输出脉冲能否移相。 用示波器观察触发电路的输出脉冲。控制电压 u c 为零,调偏置电压 u p 确定 脉冲相位。

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由于本设计的双脉冲触发,应检查和调整使各相双脉冲的间隔为 600。 3.调试其他控制单元 调试的基本方法为:根据各控制单元的工作原理,分析其输出—输入关系, 外加输入信号,测量其输出,检查和调试其静、动态工作特性,使之满足系统的 要求。 7.2.3 主电路及保护电路 1.检查主电路三相电源线及相序是否正确。若相序不对,调换任意两相进 线即可。 2.去掉各控制单元电路,外加控制电压 u c 至触发电路,调试触发电路与主 电路的脉冲移相控制。 3.负载实验时可先用电阻性负载代替电动机。 4.调节控制电压 u c ,观察主电路的电压波形是否正常,是否可同时移相。 若每相的波形不对称, 应检查是三相电源不对称还是触发电路的输出脉冲相位不 对称,应调整并解决之。若之电路波形不正常应查找原因和解决问题。 5.过电流保护装置的调试应该增加负载使主电路电流达到规定的动作值, 然后检查和调整过电流继电器,使其准确动作。检验系统的继电保护装置,看过 电流继电器动作时主电路是否能正常跳闸。 6. 在主电路带电阻负载工作一切正常后, 可将电阻负载去掉, 换上电动机。 电动机接上励磁后应先检查励磁回路是否正常。无异常情况下,缓慢增加控制电 压, 观察主电路工作情况以及电动机和系统各机械运动部分是否正常。若发现异 常,应及时排除故障。增大控制电压使电动机转速达到额定值,测量转速反馈电 压并调整使之达到转速最大给定值。 7.2.4 电流环的调试 1.检查调节器校正参数是否为设计值,装入电流调节器的单元电路板,接 入一给定电压,接入电流反馈信号线。 2.电枢接入主电路,电动机空载,不加励磁。先将给定电压调为零,合上 电源开关,观察电枢回路应电压为零,电流也为零。 3.缓慢增加给定,观察主电路电流波形是否正常。 4.突加给定信号,观察主电路电流波形。适当调整电流调节器的参数,使
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电流内环的性能指标满足要求。如果电流上升过程冲击较大,振荡次数多,可减 小电流调节器的放大系数。如果电流变化缓慢,波形不饱满,可适当加大电流调 节器的放大系数。 7.2.5 速度环的调试 1. 检查转速调节器的校正参数是否为设计值, 装入转速调节器单元电路板。 2.接入转速给定信号和转速反馈信号线。接入电动机励磁,电动机空载。 3.缓慢增加转速给定信号,观察电动机先低速,后高速情况下的运转是否 正常。突减转速给定信号,观察电动机停车过程是否正常。 4.加入转速给定阶跃信号,用长余辉慢扫描示波器观察转速反馈端的信号 波形, 即电动机起动的转速过渡过程。调整转速调节器的参数使转速的过渡过程 满足动态性能要求。 5.在电流环和转速环都调试正常后,给电动机带上负载,先低速后高速突 加给定起动, 系统带负载进行调试。 用示波器同时观察起动过程电流、 转速波形, 复核并调整有关参数使其满足性能指标。在调速范围内的低速和高速情况下,突 加负载或突减负载, 观察系统在负载扰动作用下电流及转速的抗扰调节过程,调 整有关参数使其满足性能指标。 7.2.6 可逆运行调试 可逆控制电路的单元调试方法为:熟悉电路工作原理及输入输出关系,人为 送入可逆的输入信号,检测输出信号,适当调整参数使之满足要求。 可逆系统的调试应在上述的单方向调试均正常后再进行。 1.先低速后高速,先空载后负载,作系统的反向起动、反向停车实验。 2. 将可逆系统可逆运行的线路连接完整, 给定为零, 合上主电路电源开关, 观察主电路中有无电压,电流。根据可逆系统类型,观察有无环流及环流大小, 3.突加给定作正向起动运行,观察起动过程和稳定运行时的电压,电流情 况。观察主电路中各晶闸管桥的工作状态。改变给定电压大小,系统在不同速度 下观察电压、电流是否正常。 4. 突变给定, 又正向运行直接进入反向运行, 观察系统各部分的工作状态。 可用示波器观察电压, 电流及转速的过渡过程波形。注意主电路的整流与逆变两 种状态的转换过程。反复由正向直反向,反向至正向切换运行状态,观察系统过

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渡过程是否符合理论分析情况。

7.3 小结
以上只是介绍了调试的一些基本方法, 在实验和调试过程中会遇到很多实际 问题,出现的异常情况很多,这样就要求我们在调试过程中积累和发现,才能较 全面的掌握调试方法。整个系统的设计,我们基本上大部分时间是用来调试的, 具体过程确实有许多问题, 不过最后在申老师和欧阳老师以及我们小组同学的共 同努力下,基本上得到了比较满意的结果。

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总 结
调压调速技术作为目前直流电动机的主要调速方式, 已经在对起动、 制动、 正反转、调速等有较高要求的场合得到了广泛的应用。因此,具有较好的起动性 能和调速性能的直流拖动在现代电气自动化中占据了重要的地位。 本文从简述直流拖动的发展与地位开始,对双闭环控制系统、触发电路、K —D 系统、主电路的过电压和过电流保护、逻辑无环流系统都作了详细的介绍, 并结合直流电动机的调压调速,设计出了一套适合龙门刨拖动的调压调速系统。 但据本人所翻阅的资料来看,现在交流调速已经得到了非常广泛的应用, 大有取代直流调速之势。因此,要想直流调速能继续得到充分的应用,还有待我 们以后继续探讨。 由于本人设计经验不足及水平有限,同时时间也比较仓促,难免有错误和 不足之处,恳请各位多多指正。 在本次毕业设计的完成过程中得到了申老师老师和欧阳老师的精心指导。 正 是因为他们的及时地答疑解惑、 不断讲解与课题相关的新知识,才使本设计得以 按时完成。 老师严谨的治学态度,先进的科研方法使我受益匪浅,这将对我今后工作、 学习具有重要的指导作用。 同时,还得到了其他老师、几个研究生师兄、同组的同学的帮助,在此我一 并向他们致以诚挚的感谢。

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主要元器件的明细表
元器件名称 直流电动机 M 测速电动机 电子开关 晶闸管 触发元件 电流互感器 45CK5A B370 KP―300 KCR―S3 CT1 型号 主要用途 拖动刨床 测量转速 正反转控制 逆变 触发 电流反馈 数量 1 1 4 12 1 1 匝比 1:1000 备注 Pe=60KW,Ve=220V 0―1800r/min Ve=380V,Ie>2A

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参考资料
[1].陈伯时.《电力拖动自动控制系统》.[M].机械工业出版社,2000. [2].康光华,陈大钦. 《电子技术基础模拟部分》. [M]. 高等教育出版社. 1979 年. [3].电气工程师手册第二版编辑委员会. 《电气工程师手册》.[M]. [4].谢宗安主编. 《自动控制系统》. [M]. 重庆大学出版社. 2000 年版.

1996 年

[5].王兆安,黄俊主编. 《电力电子技术》. [M]. 机械工业出版社. 1995 年. [6].晁勤等主编. 《自动控制原理》. [M].重庆大学出版社. 2001 年. [7].杨长能编. 《电力拖动基础》. [M]. 重庆大学出版社. 1994 年.

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