龙门刨床电气控制系统的设计


运动控制课程设计与综合实验报告

设计课题: 设计课题:龙门刨床电气控制系统的设计 学 院:信息科学与工程学院

专业班级: 专业班级: 自动化 19874984 班 学 姓 号:------名:+++++++++++

指 导 教 师 :刘 建 良 完成日期: 完成日期:2481 年 1 月

前言
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, 以电力电子功率变化装 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 成为直流拖动,采用交流电动机拖动的称为交流拖动。 直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正 反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和时间上都比较成 熟,而且从控制理论的角度看,它又是交流拖动系统的基础。所以直流拖动在现在的电气自 动化中占据了很重要的地位。 运动控制系统是自动化专业的主干专业课,具有很强的系统性、实践性和工程背景,运 动控制系统课程设计的目的在于培养学生综合运用运动控制系统的知识和理论分析和解决 运动控制系统设计问题,使学生建立正确的设计思想,掌握工程设计的一般程序、规范和方 法,提高学生调查研究、查阅文献及正确实用技术资料、标准、手册等工具书的能力,理解 分析、制定设计方案的能力,设计计算和绘图能力,实验研究及系统调试能力,编写设计说 明书的能力。 我在设计过程中虽然花了不少的精力, 但仍难免有错误和不足之处, 殷切期望老师批评 指正。

1





前言..................................................................................................................................................... 1 第一章 概论....................................................................................................................................... 3 1.1 本次课程设计的研究课题................................................................................................... 3 1.2 本次设计的基本要求........................................................................................................... 3 第二章 调速系统的方案选择...........................................................................................................4 2.1 龙门刨床简介....................................................................................................................... 4 2.2 龙门刨床的工艺特点及其对自动控制系统的要求.......................................................... 4 2.3 龙门刨床的动力来源的选择...............................................................................................5 2.4 调压调速的选择................................................................................................................... 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....................................................................................................... 7 2.7 触发电路的选择................................................................................................................... 8 2.8 调压调速控制系统主回路的选择.......................................................................................8 2.9 可控硅-电动机直流调速的介绍......................................................................................... 9 第三章 调速系统主回路的设计..................................................................................................... 11 3.1 主回路的电气原理图......................................................................................................... 11 3.2 主电路的过电压和过电流保护......................................................................................... 11 3.3 主回路的参数计算............................................................................................................. 12 第四章 调速系统各功能模块的电路选择.................................................................................... 15 4.1 逻辑无环流系统................................................................................................................. 15 4.2 逻辑装置的组成与分析:.................................................................................................18 4.3 各功能模块的实现............................................................................................................. 18 4.3.1 速度调节器...................................................................................................................... 18 第五章 双闭环调速系统的常规工程设计.................................................................................... 27 5.1 调速系统的静态计算......................................................................................................... 27 5.2 调速系统的动态计算......................................................................................................... 29 5.2.1 电流调节器的设计.................................................................................................. 29 5.2.2 转速调节器的设计.................................................................................................. 32 第六章 系统的调试......................................................................................................................... 36 6.1 系统的安装及检查............................................................................................................. 36 6.2 系统的调试......................................................................................................................... 36 6.3 小结..................................................................................................................................... 38 总结................................................................................................................................................... 39 参考文献........................................................................................................................................... 40 附一 逻辑无环流系统实验报告.................................................................................................... 41 附二 龙门刨床电气控制系统原理图............................................................................................ 48

2

第一章 概论
1.1 本次课程设计的研究课题
此次课程设计对象为龙门刨床电气控制系统。龙门刨床四一种要求调速范围很广的设 备, 本设计课题主要涉及的是研究如何正确合理的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理论的要求, 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。 此外, 还要选择主电路的主要设备, 计算其参数, 以及必要的保护电路。

1.2 本次设计的基本要求
1.2.1 刨床工作台直流调速系统设计要求: 刨床工作台直流调速系统设计要求: 1)电机正转时进行切削,反转时空载返回。 2)调速范围:额定转速 1500r / min ,最低转速 75r / min ,即 D = 20 。 4)静差度 s ≤ 1% . 5)稳态无静差,空载启动到额定转速时速度超调量 σ n = 10% ,电流超调量 σ i = 5% 。 6)启动、制动要快。 1.2.2 直流电动机参数: 直流电动机参数:

pnom = 60kw, U nom = 220v, I nom = 305 A, nnom = 1500r / min, Ra = 0.1? ,电 流 过 载 倍数

λ = 2 ,电枢回路总电阻 R = 0.2?, GD 2 = 97.5 N ? m 2 。

3

调速系统的方案选择 第二章 调速系统的方案选择
2.1 龙门刨床简介
龙门刨床具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于刨削大型工件, 也可在工作台上装夹多个零件同时加工。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架 作 直线往复运动,空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架,刀架

图 2-1 龙门刨床 滑座可在垂直面内回转一个角度,并可沿横梁作横向进给运动;刨刀可在刀架上作 垂 直或斜向进给运动;横梁可在两立柱上作上下调整。一般在两个立柱上还安装可沿 立 柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀,以免划伤工件表面。 机床工作台的驱动可用发电机-电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大, 在低速时也能获得较大的驱动力。

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:龙门刨床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,电机正传)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:龙门刨床的切削速度决定于下列三个因素:第一,切削条件(持 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, 龙门刨床要求调速范围广。 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。 4)工作台往返循环中的速度 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破裂,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

4

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。如图 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 。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。

龙门刨床的实际切削功率 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 算速度以下是横转矩负载,采用调压调速比较合理;在计算速度以上为恒功率负载。 其实功率与速度的关系如图 2-3 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启动与制动过程要快。而且 停车要迅速,约为不能超过允许值。 7)要有一定的连锁保护:为力保证龙门机床正常而可靠地工作,需要一定的连 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 龙门刨床的动力来源的选择
电机分为交流电机和直流电机两大类。在选择龙门刨床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,在启动、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。 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,它符合龙门刨床的工艺特点及其要求。

2.4 调压调速的选择
直流电动机的调速方程为:

5

n=
式中: U ——电枢电压

U R ? a I K eΦ K eΦ

I ——电枢电流

Ra ——电枢回路总电阻 Φ ——励磁磁通 K e ——由电机结构决定的电动势常数
在上式中, K e 是常数, I 电流是由负载决定的,因此调节电动的转度可以有三种方 式:1)调节电枢供电电压 U ; 2)减弱励磁磁通 Φ ; 3)改变电枢回路电阻 Ra 。 2.4.1 改变电枢回路电阻调速 当电枢电路串联附加电阻 R 时,其调速方程变为:

n=

U R + Ra ? I K eΦ K eΦ

式中: Ra ——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,长期运行时耗损也大,经济性差,因此在使用 是有一定的局限性。 2.4.2 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 时调速方程为:

n=

U' R R ? a I = n0 ? a I K eΦ K eΦ K eΦ

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,使电动机能平滑的启动和工作在四个象限,能实现回馈制
6

动,而且控制功率较小,效率较高,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。 2.4.3 2. 4.3 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 1 去磁作用增大,使转速特性的不稳定,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,本人认为选择改变电枢电压调速方法最为适合。

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。龙门刨床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,事项脉冲调压调速,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度额要求。但是,许多生产机械除需要无 极调速外,常还有对静差率的要求。例如本设计中的龙门刨床,由于毛坯表面粗错不 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较高。但开环系统如果要满足静 差率的要求时,龙门刨床的调速范围就很小了。显然开环系统不满足龙门刨床的 调速 要求。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、双闭环控制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,下面我们就地来进行讨论。 龙门刨床在生产实际中处于经常启动、制动、正转、反转的运行状态。在工作 行 程中其工作台往复运动, 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贤减速,然后停车。对于这类生产机械的拖 动系统而言,只用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 工作周期内的启动时间与制动时间,因此电动机必须以最大的启动电流起、制动。如 果采用单闭环调速控制系统,那么起、制动电流可到达额定电流的 3-5 倍,如果不限 启动、制动电流,无疑会缩短电机寿命,且当龙门刨床被卡住时,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启动电流、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启动和制动性能,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,从而延长了启、制动时间。同时 单闭环系统的动态 响应、启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 闭环调速系统满足不了本设计的要求。

7

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, 是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,环流准确。KCR-S3 没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空整流、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,毋需在接入同步信号、直流电源盒控制电压。触发脉冲调制频率达 10KHZ,最大触发电流达 500mA,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 ± Ο )。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 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。

2.8 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。

8

3)反并联的两组交流器,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
2.9.1 系统的组成 以可控硅整流装置作可调电源的直流电机调速系统叫可控硅 -点攻击系统,简称 KZ-D 系统。 系统有可控硅整流装置、滤波电控器和直流电动机组成。可控硅整流装置有可 控 硅整流电流、触发电路及移相控制单元组成。 可控硅整流装置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。除此之外,滤波电抗器还可以起到使主电 路 电流波形连续的作用。 2.9.2 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 2 CeφD Ce CmφD

式中: U d ——整流电压

Rn ——可控硅整流装置的等效内阻 Ra ——电动机的电枢电阻

φ D ——励磁磁通
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。 2.9.3 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 α 的函数,因此只需改变触发角电路的控制电压 u k ,使触发脉冲移相,就可以改变控 制 角 α 及 U d ,实现调压调速。

9

2)在基速 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 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,只用在基速 ne 以上才将励磁电压调小。以实现弱磁调速。 2.9.4 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)整流装置中的交流分量使电动机的损耗增加,换相条件恶化,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 电压波形放生变化(不是纯正正弦波),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。

10

第三章 调速系统主回路的设计
3.1 主回路的电气原理图
如图 3-1 所示,主回路形式: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限制电流的作用。 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图 下图 3-2。

D—变压器静电屏蔽 C—静电感应抑制电容 RC1—交流整流式抑制回路 RC2—交流阻容抑制回路 RC3—换相过电压抑制回路 RC4—直流阻容抑制回路 RV1、RV2—交、直流侧压敏电阻抑制回路 QM—交流侧断路器 QF—直流侧断路器 FU—快速熔断器

11

上图中接于交流装置交流侧的保护回路有: 1)交流侧阻容式保护电路。 2)整流保护回路。 3)交流侧压敏电阻保护回路。 4)静电感应过电压保护回路。 5)换相过电压阻容保护回路。 第 1、2、3 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电压。第 4 项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。 5 项接在 第 晶闸管阳极和阴极之间,用以抑制器件换相、晶闸管回复阻断时,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 主回路的参数计算 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。 的参数, 接法。
1)变压器副方的参数计算: 相电压:由 U d = 2.34U 2 cos β 得

U 2 = (1.2 ~ 1.5)U d / 2.34 = 1.5 × 220 / 2.34 ≈ 141v
相电流: I 2 =

2 I dN = 0.816 I dN = 0.816 × 305 ≈ 249 A 3

2)变压器的变比: K =

U1 380 = = 2.695 U 2 141
I2 K = 249 / 2.695 ≈ 92.4 A

3)变压器的原方参数相电压: U 1 = 380v ,相电流: I1 =

4)变压器的视在功率 副方视在功率: S 2 = 3U 2 I 2 = 3 × 141× 249 = 105.33KVA 原方视在功率: S1 = 3U1 I1 = 3 × 380 × 92.4 = 105.34 KVA 平均视在功率: S =

所以我们取 S = 105 KVA 3.3.2 可控硅元件参数的选择: 可控硅元件参数的选择: 额定电压:

S1 + S 2 105.33 + 105.34 = = 105.335 KVA 2 2

U Tn = (2 ~ 3)U TM U TM = 6U 2 = 6 × 141 ≈ 345.4v

,故 U Tn = 2.5U TM = 863.5V

额定电流: I T ( AV ) = (1.5 ~ 2) IVT = (1.5 ~ 2) × 0.368 × I dN = 224 A 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: 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

12

U dM L=

×U 2 U2 S i I dN

查表可得对于三相桥式电路: 波幅值 I dM =

U dM

U2

= 0.42 ,电流脉动系数 Si =
I dM

I dM

I dN

,又知交流基

2 I 2 = 2 × 249 = 351A, I dN = 305 A ,所以 S i =

I dN

= 351 / 305 = 1.15

带入上面的参数的 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

若使电流连续的最小负载电流 I d min = 0.5 A ,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 5A,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

UN 2 Pn I N

式中, Pn 为电动机的极对数,已知 Pn = 2, U N = 22V , I N = 305 A ,无补偿绕组的电动机系 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 变压器漏电感的计算

LB = K B

U dlU 2 mH I dN

式中, U dl 为变压器的阻抗电压百分值,1000KVA 以下的变压器 U dl = 0.055 ,对于三相 桥式电路 K B = 3.9 ,又知 U 2 = 141v, I dN = 305 A ,代入参数可得 LB = 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断路损坏。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:

13

U pn 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 U pn ≥ 1.1U un ,式中,

U un —交流变压器二次电压有效值。 I pn 应按有负载计算出一个工作周期内负载电流有效值选取,即 I pn ≥ 1.3K1 I DN , K1 —电流
计算系数,对于三相桥, K1 =

1 , I DN —负载电流的有效值。 3

14

+15V

电 源
N1

A相

GND

QF1 Y Y TB TM Y N1 LH K M1 J TC Y

4.1 逻辑无环流系统

-15V

Un

速度 反 馈

Un *

+15V
Ui0

Un

零 速封 锁 电流 反馈
正组桥
Ui B2

SL

及 保护

KM 1

KM 1
Ui* Ui

Un *

Ui *

脉 V 电流 调 节 触 发 M A
反组 脉冲
Uc

K1
B2 B1

K2

UG

给定 积分

UGJ

Un

速度 调 节 冲

正组 脉冲

反号

Ui*

逻 辑KZ 制 控
反组 桥

- 15V

转矩极性检测

B1

KF

Ui0

调速系统的控制电路采用两组晶闸管整流装置供电的可逆控制线路

零电平检测

A

第四章 调速系统各功能模块的电路选择

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知己完全没有环流 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。

负 载 V G

15

系统正确工作时,U i 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,另一路径 K11 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。 交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 U i 使极性为正, 或由于负荷力矩变化引起电动机转矩的变化, ASR 使 输出变负,并通过电流调节器使工作组工作在逆变状态。 2)逻辑装置 AC 接受转矩变化的命令。 3)工作组电流下降到零,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)经一段时间, 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,电流换相死区占主要 成分。一般死区时间在 10ms 以下,不会对调节器系统的品质其影响,在 20~30ms 内对调节 器系统的动态品质稍有影响,当反向死区超出 30ms 的数据很多时,将会对调节系统的动态 品质有很大的影响。 逻辑无环流系统在两组变流器工作状态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,还应注意一下几点: 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, 则会引起环流失败。 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环流失败,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 4-2(b) 所示,这段时间成为关断时间,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 4-2(c)所示,在最大控制角时,关断时间最大。因此,为了 可靠的关断,最好对应最大控制角来整定等待时间(一般为 3~5ms) ,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 α max (即 β min ) ,已能迅速实现关断。若只将电流 给定值保持为零,即在 α = 90° 附近切换时,如图 4-2(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。

16

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。为此逻辑装置从向工 作组发出封锁脉冲信号, 知道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 4-3(c)所示。

17

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,应使带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,待动 作组还未开放的一段时间内,向电流调节器输入一个“拉 β min ”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“ β min ”信号取消,在调节系统作用下, 触发脉冲以 β 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启动,直到 稳定在新的工作点。

4.2 逻辑装置的组成与分析: 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。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换条件时,才能进行逻辑切换。 速度调节放弃的输出 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,开放反组。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 t1 = 2 ~ 3ms ,封锁原导通组脉冲。 下面对系统的各个部分的组成与工作原理进行比较详细的分析。

4.3 各功能模块的实现
4.3.1 速度调节器 速度调节器由运算放大器、 输入与反馈环节及二极管限幅环节组成, 对给定和反馈两个 输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算。其原理如图 4-4 所示: 。

图 4-4 速度调节器

18

在图中“1、2、3”端为信号输入端,二极管VD1和VD2起运放输入限幅,保护运放的作 用。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反 馈校正环节,有助于抑制振荡,减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节。改变R7的阻值 改变了系统的放大倍数,改变C5的电容值改变了系统的响应时间。RP3为调零电位器。 4.3.2电流调节器 电流调节器 电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节 组成,工作原理基本上与速度调节器相同,其原理图如图 4-5 所示。

图 4-5 电流调节器

电流调节器与速度调节器相比,增加了几个输入端,其中“3”端接推β信号,当主电 路输出过流时,电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推β信号(高电平)信号,击穿稳 压管,正电压信号输入运放的反向输入端,使调节器的输出电压下降,使α角向 180 度方向 移动,使晶闸管从整流区移至逆变区,降低输出电压,保护主电路。“5、7”端接逻辑控制 器的相应输出端,当有高电平输入时,击穿稳压管,三极管 V4、V5 导通,将相应的输入信 号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端,其输入的值正好相反,如果两路 输入都有效的话,两个值正好抵消为零,这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在 同一时刻,只有一路信号输入起作用,另一路信号接地不起作用。

19

4.3.3 锯齿波同步移相触发电路

图 4-6 锯齿波同步移相触发电路

锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等 环节组成。由 V3、VD1、VD2、C1 等元件组成同步检测环节,其作用是利用同步电压 UT 来控 制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由 V1、V2 等元件组成的恒流源电路,当 V3 截止时, 恒流源对 C2 充电形成锯齿波;当 V3 导通时,电容 C2 通过 R4、V3 放电。调节电位器 RP1 可以调节恒流源的电流大小,从而改变了锯齿波的斜率。控制电压 Uct、偏移电压 Ub 和锯 齿波电压在 V5 基极综合叠加,从而构成移相控制环节,RP2、RP3 分别调节控制电压 Uct 和 偏移电压 Ub 的大小。V6、V7 构成脉冲形成放大环节,C5 为强触发电容改善脉冲的前沿,由 脉冲变压器输出触发脉冲。 4.3.4 电流反馈与过流保护

20

图 4-7 电流反馈与过流保护原理图

本单元有两个功能,一是检测主电源输出的电流反馈信号,二是当主电源输出电流超过 某一设定值时发出过流信号切断电源 TA1,TA2,TA3 为电流互感器的输出端,它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小, 面板上的三个园孔均为观测孔, 不需再外部进行接线, 只要将 DJK04 挂件的十芯电源线与插 座相连接,那么 TA1、TA2、TA3 就与屏内的电流互感器输出端相连,当打开挂件电源开关, 过流保护即处于工作状态。 (1)电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3,来自电流互感器的输出端,反映负载 电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7组成的3条支 路上,其中: ①R2与VD7并联后再与R1串联, 在其中点取零电流检测信号从1脚输出, 供零电平检测用。 当电流反馈的电压比较低的时候,“1”端的输出由R1、R2分压所得,VD7截止。当电流反馈 的电压升高的时候,“1”端的输出也随着升高,当输出电压接接近0.6V左右时,VD7导通, 使输出始终保持在0.6V左右。 ②将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号,从“2”端输出,电流反馈系数由RP1进 行调节。 ③RP2的滑动触头与过流保护电路相连,调节RP2可调节过流动作电流的大小。 (2)当电路开始工作时,由于电容C2的存在,V3先与V2导通,V3的集电极低电位,V4截 止,同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低,保证V2一直处于截止状态。

21

(3)当主电路电流超过某一数值后,RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值, 击穿稳压管,使三极管V2导通,从而V3截止,V4导通使继电器K动作,控制屏内的主继电器 掉电,切断主电源,挂件面板上的声光报警器发出告警信号,提醒操作者实验装置已过流跳 闸。调节RP2的抽头的位置,可得到不同的电流报警值。 (4)过流的同时,V3由导通变为截止,在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出,作 为推β信号供电流调节器使用。 (5)SB为解除过流记忆的复位按钮,当过流故障己经排除,则须按下SB以解除记忆,才 能恢复正常工作。当过流动作后,电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通,V3截止、V4导通、 继电器保持吸合,持续告警。只有当按下SB后,V2基极失电进入截止状态,V3导通、V4截止, 电路才恢复正常。 4.3.5转速变换 转速变换 转速变换用于有转速反馈的调速系统中, 它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号 变换成适用于控制单元的电压信号。

图 4-8 速度变换图

使用时,将电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经 R1 和 RP1 分 压,调节电位器 RP1 可改变转速反馈系数。 给定

22

图 4-9 电压给定原理图

电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关, 输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节,其输出电压范围为0~士l5V,S2为输出控 制开关,打到“运行”侧,允许电压输出,打到“停止”侧,则输出为零。 按以下步骤拨动S1、S2,可获得以下信号: (1)将S2打到“运行”侧,S1打到“正给定”侧,调节RP1使给定输出一定的正电压,拨 动S2到“停止”侧,此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此 时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。 (2)将S2打到“运行”侧,S1打到“负给定”侧,调节RP2使给定输出一定的负电压,拨 动S2到“停止”侧,此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此 时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。 (3)将S2打到“运行”侧,拨动S1,分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压,当S1从 “正给定”侧打到“负给定”侧,得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到 “正给定”侧,得到从负电压到正电压的跳变。 元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上,方便操作。此外由一只3位半的直流数 字电压表指示输出电压值。 要注意的是不允许长时间将输出端接地, 特别是输出电压比较高 的时候,可能会将RP1、RP2损坏。 4.3.6零速封锁器 零速封锁器 零速封锁器的原理图如下:

23

图 4-10 零速封锁器原理图 零速封锁器由两个具有“山”型继电器特性的电平检测器,逻辑门及延时环节组成,其 原理如图4-10。 零速封锁器的作用是: 当给定电压及速度反馈电压均为零时 (即调速系统在停车状态) , 封锁电压调节器的输出,保证电机不会低速爬行或者系统在零速时出现振荡。 两个“山”型电平检测器分别对给定和速度反馈信号进行检测,当输入信号为正值时, 通过二极管 VD1 和 VD3 分别进入运放的反向输入端,而当输入信号为负值时,则通过 VD2 和 VD4 进入运放的正相输入端。故当输入信号绝对值大于某值时(0.3V 左右)时,运放输 出始终为负值,通过二极管 VD9 和 VD10 钳位至-0.7V,作为“0” 信号,当输入信号的绝对 值小于某一整定值时(0.2V 左右),则运放输出正电压,作为“1”信号。因此可得到如图 4-11 所示的“山”型继电特性。

图 4-11 零速封锁器的“山”型继电特性 当电平检测到输入电压大于 0.3V 时,其输出为低电平“0”,当电平检测到输入电压 小于 0.2V 时,其输出为高电平“1”。两个电平检测器的输出经与门和非门后,V2 的基极 为低电平,V2 导通,零速封锁器输出约为-15V 的电压加到电压调节器反馈环节场效应管的 栅极,使其关断,从而使电压调节器开放工作,在出现故障时,电平检测器输出低电平“1” , V2 基极为低电平,则 V2 截止,零速封锁器输出 0V 电压加到电压调节器反馈环节场效应管 的栅极,使其导通,使调节器的反馈环节短路,输出为“0”。

24

电容 C3 和电阻 R25 起延时作用,当与门输出由低电平跳变到高电平时,该电电位由正 电源向 C3 和 R25 充电,其电位逐渐升高,从而避免在低速运行或换向过程中引起误封锁。 面板上装有 S1 开关,当开关拨到“封锁”时,零速封锁器处于工作状态;当 S1 开关 拨到“解除”时,零速封锁器处于关闭状态。 4.3.7 转矩极性鉴别 转矩极性鉴别(DPT) 转矩极性鉴别为一电平检测器, 用于检测控制系统中转矩极性的变化。 它是一个由比较 器组成的模数转换器,可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、 “1”电平信号。其原理图如图G所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图H所示,具有继 电特性。 调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环 宽度为: Uk = Usr2一Usr1 = K1(Uscm2一Uscm1) 式中,K1为正反馈系数,K1越大,则正反馈越强,回环宽度就越小;Usr2和Usr1分别为输 出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压; Uscm1 和Uscm2分别为反向和正向输出 电压。 逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2~0.6V, 环宽大时能提高系统抗干扰能力, 但环太宽时会使系统动作迟钝。

图 4-12

转矩极性鉴别原理图

图 4-13 转矩极性鉴别器的输入输出特性

零电平检测(DPZ) 零电平检测 零电平检测器也是一个电平检测器, 其工作原理与转矩极性鉴别器相同, 在控制系统中 进行零电流检测, 当输出主电路的电流接近零时, 电平检测器检测到电流反馈的电压值也接 近零,输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图 4-14 和图 4-15 所示。

图 4-14 零电平检测器原理

图 4-15 零电平检测器输入输出特性

逻辑控制(DLC) 逻辑控制(DLC) 逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统, 其作用是对转矩极性和主回路零电平信号 进

25

行逻辑运算, 切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲, 以实现系统的无环流运行。 其原理图如图 4-16 所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推 β 电路和 功放电路等环节组成。

图 4-16 逻辑控制器原理图

(1)逻辑判断环节 逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态, 正确地判断 晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换(由UM 是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由UI 是否从“0”变“1”决定)。即当UM变号后,零电平检测到主电路电流过零(UI =“1”)时, 逻辑判断电路立即翻转,同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。 (2)延时环节 要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作,必须在逻辑无环流系统中的逻辑判 断电路发出切换指令UZ或UF 后,经关断等待时间t1(约3ms)和触发等待时间t2(约lOms)之 后才能执行切换指令,故设置相应的延时电路,延时电路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延时 作用,VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用。 (3)逻辑保护环节 逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时,UZ、UF的输出同时为 “1”状态,逻辑控制器的两个输出端Ulf和Ulr全为“0”状态,造成两组整流装置同时开放, 引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当UZ、UF全为“1”状态时,使逻辑保护环节 输出A点电位变为“0”,使Ulf和Ulr 都为高电平,两组触发脉冲同时封锁,避免产生短路和 环流事故。 (4)推β环节 在正、反桥切换时,逻辑控制器中的G8输出“1”状态信号,将此信号送入调节器的输 入端作为脉冲后移推β信号,从而可避免切换时电流的冲击。 (5)功放电路 由于与非门输出功率有限, 为了可靠的推动Ulf、 lr,故增加了V3、 U V4组成的功率放大级。

26

第五章 双闭环调速系统的常规工程设计
5.1 调速系统的静态计算
5.1.1 系统的静态结构图 龙门刨床采用双闭环直流调速系统,其系统的静态结构图见下图。

1)电流反馈系数 β 的计算 设:①速度调节器的限幅值为 ± 10V ; ②电动机的启动、制动电流为 I dm = 2 I N ,即为 610A。 电流调节器的最大给定电压 U im 就是速度调节器的限幅值, 对应的最大电流为 I dm (即 电机运行时可能出现的最大电流) ,所以,电流反馈系数 β 为:
*

β=

? U im 10 = = 0.0164V / A I dm 610

2)速度反馈系数 α 的计算 设:①最大给定电压 U nm 为 15V,电动机运行于额定转速 nN = 1500r / min ;
*

②由于本系统采用调压调速,因此, nN 就是系统的最高转速,速度反馈系数 α 为:

α=

* U nm 15 = = 0.01V / rpm nN 1500

3)电动机的电势系数 Ce 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 Ce 为:

27

Ce =

U N ? I N Ra 220 ? 305 × 0.1 = = 0.1263V / rpm nN 1500
Id

式中: Ra 为电动机的电枢电阻,已知 Ra = 0.1? 。 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: 图中:E—电动机反电动势;

Ud0

id —整流电路瞬时值
L—主电路总电感; R—主电路等效电阻, R = Rrec + Ra + RL

Rrec —整流装置内阻,包括整流器内部的电阻、整流器件正向压降所对应的电阻、整
流变压器漏抗换相压降相应的电阻:

Ra —电动机电枢电阻; Ra —平波电抗器电阻。
已知 R = 0.2? 5)可控整流装置的放大系数 K s 的计算 由于三相桥式反并联系统采用 α = β = 90° 的工作制,而且为了防止逆变失败,最小

β 角限制在 β = 30° ,对应于 β min 时,电流调节器要处于限幅值,设 LT 的限幅值为
U c = 5V ,LT 为限幅值时,整流装置的输出电压 U d 0 = 220V 。所以整流装置的放大系数 K s 为: Ks = U d 0 220 = = 44 倍 Uc 5

6)速度调节器的放大系数 K n 与电流调节器的放大系数 K i 速度调节器与电流调节器均采用 PI 调节器,须在进行动态校正时,得到确定。 5.1.2 系统的静态特性 当速度调节器与电流调节器均采用纯比例调节器时, 由系统的静态结构图可得系统的静 态方程如下:

n=

* K n K i K sU n R + βK i K s ? Id Ce (1 + K ) Ce (1 + K )

28

式中, K =

K n K i K sα 。 Ce

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。

5.2 调速系统的动态计算
双闭环系统的一般设计方法是:从内环开始,逐步扩大到外环,一环一环的进行设计。 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。 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 5-3 所示,系统增加了滤波环节,包括电流滤 波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量,为了不使 它影响到调节器的输入, 需要低通滤波。 这样的滤波环节传递函数可用一节惯性环节来表示, 其滤波时间常数 Toi 按要求选定,以滤平电流检测信号为准。然而,在抑制交流分量的同时, 滤波环节也延迟了反馈信号的作用, 为了平衡这个延迟作用, 在给定信号通道上加入一个同 等时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节。其意义是,让给定信号和反馈信号经过相同的 延时,使二者在时间上得到恰当的配合,从而带来设计上的方便。
Ui (s)
Un (s)

E(s)

I dL (s)
1 R

1 Tons 1

1 Tois 1

Uc (s)

Ks Ks s 1

Ud 0 (s)

I d (s)

Tl s 1

R Tm s

1 n(s) Ce

Tois 1

Tons 1

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换相波纹,因此也需要滤波,滤波时间常数用

Ton 表示。 根据和电流环一样的道理, 在转速给定通道上也加入时间常数为 Ton 的给定滤波环
节。 5.2.1 电流调节器的设计 5.2.1.1 电流环的结构框图的简化 在图 5-3 点画线框内的电流环中,反电动势与电流反馈的作用相互交叉,这将给设计工 作带来麻烦。 实际上, 反电动势与转速成正比, 它代表转速对电流环的影响。 在一般情况下, 系统的电磁时间常数 Tl 远小于电机时间常数 Tm ,因此转速的变化往往比电流变化慢得多, 对电流环来说,反电动势是一个变化较慢的扰动,在电流的瞬变过程中,可以认为反电动势 基本不变,即 ?E ≈ 0 。这样,在按动态性能设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化的 影响,也就是说,可以暂且把反电动势的作用去掉。此外,由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小得多, 可以当做小惯性群而近似的看做是一个惯性环节,其时间常数为 TΣi = Ts + Toi 。

29

则电流环结构图化简为图 5-4

U i (s )

Ks R (Tl s 1)(T i 1)

I d (s )

上述结果的假定条件如下: 1)电力电子变换器纯滞后的近似处理: ωci ≤

1 3Ts
1 TmTl

2)忽略反电动势变化对电流环的动态影响: ωci ≤ 3

3)电流环小惯性群的近似处理: ωci ≤

1 1 3 TsToi

5.2.1.2 电流调节器结构的选择 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看,希望电流环无静差,以 得到理想的堵转特性,所以采用 I 系统即可。再从动态要求上看,实际系统不允许电枢电 流在突加控制作用时有太大的超调, 以保证电流在动态过程中不超过允许值, 而对电网电压 波动的及时抗干扰只是次要的因素。为此,电流环应以跟随性能为主,即应选用典型 I 型 系统。 由简化后的电流环动态结构图知,电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型 I 型系统,显然应采用 PI 型的电流调节器,其传递函数为

WACR ( s ) =

K i (τ i s + 1) τis

式中, K i —电流调节器的比例系数;

τ i —电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消, 选择 τ i = Tl , 则电流环的动态构 图变成图 5-5 所示的典型形式,其中 K I =

Ki K s β 。 τiR

30

5.2.1.3 电流调节器的参数计算 1)计算电流调节器参数 整流装置滞后时间常数 Ts ,查表,三相桥式电路的平均失控时间 Ts = 0.0017 s 电流滤波时间常数 Toi 。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤平波头, 应有 (1 ~ 2)Toi 3.33ms ,因此取 Toi = 2ms = 0.002 s 。 电流环小时间常数之和 TΣi 。按小时间常数近似处理,取 TΣi = Ts + Toi = 0.0037 s 。 电枢回路电磁时间常数 Tl =

L (20 + 1.8 + 0.1) × 10 ?3 = = 0.11s 。 R 0 .2

GD 2 R GD 2 R 电力拖动系统机电时间常数 Tm = = = 0.34 s 375Ce Cm 375C ? 30 C e e

π

电流调节器超前时间常数: τ i = Tl = 0.11s 。

根据系统的设计的要求,电流超调量 σ i ≤ 5% ,查表可选 ξ = 0.707, K I TΣi = 0.5 ,则

K I = ωci =

1 1 = = 135.1s ?1 , 2TΣi 2 × 0.0037 s K Iτ i R 135.1× 0.11× 0.2 = = 4.119 Ksβ 44 × 0.0164
?1

于是,ACR 的比例系数为 K i = 2)校验近似条件

电流环截止频率: ωci = K I = 135.1s

A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件 B、 忽 略 反 电 动 势 变 化

1 1 = = 196.1s ?1 > ωci ,条件满足。 3Ts 3 × 0.0017 s
对 电 流 环 动 态 影 响 的 条 件

3

1 1 = 3× = 15.5s ?1 < ωci ,条件满足。 TmTl 0.34 s × 0.11s

31

C、电流环小时间常数近似处理条件 件满足。 5.2.1.4 电流调节器的实现

1 1 1 1 = = 180.8s ?1 > ωci , 条 3 TsToi 3 0.0017 s × 0.002 s

含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 调节器原理图如图 5-6 所示, 图中 U i 为电流给定电 压, ? β I d 为电流负反馈电压,调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压 U c 。按所用 运算放大器取 R0 = 40k? ,各电阻和电容值为

?

Ki =

Ri → Ri = K i R0 = 4.119 × 40k? ≈ 165k? R0

τ i = Ri Ci → Ci =

τi
Ri

=

0.11 F ≈ 0.67 ?F 165 × 103 4Toi 4 × 0.002 = F ≈ 0.2 ?F R0 40 × 103

Toi = 0.25 R0Coi → Coi =

按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 σ i = 4.3% < 5% ,满足设计要求。 5.2.2 转速调节器的设计 5.2.2.1 转速环简化 电流环经简化后可视为转速环中的一个环节, 接入转速环内, 电流环等效环节的输入量

1
应 为 U i (s ) , 因 此 电 流 环 在 转 速 环 中 应 等 效 为
?

I d (s) β ≈ ,近似条件为 ? 1 U i ( s) s +1 KI

ωcn ≤

1 KI 。 3 TΣi

32

用电流环的等效环代替电流环后, 和电流环一样, 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到 环内,同时将给定信号改成
? Un

1 α ,再把时间常数为 K I 和 Ton 的两个惯性环节合并起来,

近四成一个时间常数为 TΣn 的惯性环节,其中 TΣn = 成图 5-7 所示。

1 + Ton ,最终转速环结构框图可化简 KI

为了实现转速无静差, 在负载扰动作用点前必须有一积分环节, 它应该包含在转速调节 器 ASR 中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节,因此转速环开环传递函数应共有 两个积分环节,所以应该设计成典型 II 型系统,这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好 的要求。至于其阶跃响应超调量较大,那是线性系统的计算数据,实际系统中转速调节器的 饱和非线性性质会使信号调量大大降低。由此可见,ASR 也应该采用 PI 调节器,其传递函 数为

WASR ( s ) =

K n (τ n s + 1) τ ns

式中, K n —转速调节器的比例系数;

τ n —转速调节器的超前时间常数。
这样,调速系统的开环传递函数为 Wn ( s ) =

K N (τ n s + 1) K nαR ,其中 K N = ,不考虑负 2 s (TΣn s + 1) τ n βCeTm

载扰动时,校正后的调速系统动态结构框图如图 5-8 所示。

上述结果所需服从的近似条件为:

ωcn ≤ ωcn ≤

1 KI 3 TΣi

1 KI 3 Ton

33

5.2.2.2 转速调节器的参数计算 转速滤波时间常数 Ton 。根据所用测速发电机波纹情况,取 Ton = 0.01s 。 转 速 环 小 时 间 常 数 TΣn 。 按 小 时 间 常 数 近 似 处 理 , 取

TΣn =

1 1 + Ton = s + 0.01s = 0.0174 s 。 KI 135.1

根据系统设计要求 σ n ≤ 10% ,跟随和抗干扰性能都较好的原则,取 h = 5 ,则 ASR 的 超前时间常数为 τ n = hTΣn = 5 × 0.0174 s = 0.087 s 。 转速开环增益 K N = 于 是 ,

h +1 6 = s ? 2 = 396.4 s ? 2 。 2 2 2 2 2h TΣn 2 × 5 × 0.0174
可 得 ASR 的 比 例 系 数 为

Kn =

(h + 1) β CeTm 6 × 0.0164 × 0.1264 × 0.34 = = 12.14 2hαRTΣn 2 × 5 × 0.01× 0.2 × 0.0174

5.2.2.3 检验近似条件 转速环截止频率为 ωcn =

KN

ω1

= K Nτ n = 393.4 × 0.087 s ?1 = 34.5s ?1

1)电流环传递函数简化条件为

1 K I 1 135.1 ?1 = s = 63.7 s ?1 > ωcn ,满足条件。 3 TΣi 3 0.0037 1 K I 1 135.1 ?1 = s = 38.7 s ?1 > ωcn ,满足条件。 3 Ton 3 0.01

2)转速环小时间常数近似处理条件为

3) 转 速 得 超 调 量

σ n = 2(

?Cmax ?n T )(λ ? z ) ?N Σn , 其 中 当 h = 5 时 , 查 表 得 Cb n Tm
305×0.2 0.1263

?Cmax / Cb = 81.2% , 代入上式可得 σ n = 2 × 81.2% × 2 ×
满足要求。 5.2.2.4 转速调节器的实现

1500

×

0.0174 = 5.35% < 10% , 0.34

34

含给定滤波和反馈滤波的 PI 型转速调节器原理图如图 5-9 所示, 图中 U n 为转速给定电 压,? αn 为转速负反馈电压,调节器的输出时电流调节器的给定电压 U i 。按所用运算放大
?

?

器取 R0 = 40k? ,各电阻和电容值为

Kn =

Rn → Rn = K n R0 = 12.14 × 40k? ≈ 486k? R0

τ n = RnCn → Cn =

τn
Rn

=

0.087 F ≈ 0.18?F 486 × 103 4Ton 4 × 0.01 = F ≈ 1?F R0 40 × 103

Ton = 0.25 R0Con → Con =

35

第六章 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。先把 本设 计的调速系统的基本调速方法介绍如下:

6.1 系统的安装及检查
系统的调试必须在电控设备安装合格, 单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)安装前消息检查电器柜内所有的电器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,情节柜内灰尘、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,柜内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 必须要有接地点。 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。

6.2 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。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: 6.2.1 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

36

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。 6.2.2 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己振荡。如有,可调整放大器外接的消振电路参 数来消除自己振荡。 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、电源电压结此案是否正确。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 uc 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 uc 为零,调偏置电压 u p 确定脉冲相位。 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 60 。 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。 6.2.3 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 uc 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 uc ,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 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。
°

37

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。 6.2.4 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。 6.2.5 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,用长余辉满扫描示波器观察转速反馈端的信号波形,即电动机 启动的转速过渡过程。调整转速器的参数使转速的国度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启动,系 统带负载进行调试。用示波器同时观察启动过程电流、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得抗扰调节过程,调整有关参数使其满足性能指标。 6.2.6 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,作系统的反向启动、方向停车实验。 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 由于电压、电流。根据可逆系统类型,观察有无环流及环流大小。 3)突加给定作正向启动运行,观察启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、电流及转速得过渡波形。注意主电路的整流与逆变两种状态的转换过程。反复由正 向至正向、反向至反向切换运行状态,观察系统过渡过程是否符合理论分析情况。

6.3 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。

38

总结
调压调速技术作为目前直流电动机的主要调速方法,已经在对启动、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, 具有较好的启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床拖动的调压调速系统。 但据本人所翻阅的资料和从目前国内外的情况来看, 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。 经过两个星期的设计,过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过,也曾一度热情高 涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。同时我 认为不论任何工作都是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结 协作的精神。 某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。 实习中只有一个人知道原理是 远远不够的,必须让每个人都知道,否则一个人的错误,就有可能导致整个工作失败。团结 协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。 而这次实习也正好锻炼我们这一点, 这也是非 常宝贵的。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的, 只有理论知识是远远不够 的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务, 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 在设计的过程中遇到问题, 可以说得是困 难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自 己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。 我认为,在这学期的实验中,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,在此过 程中,我们通过查找大量资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考、动手操 作的能力,在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是,在实验课上,我学会了很多学习 的方法。而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。要面对社会的挑战,只有不断的学习、实 践,再学习、再实践。 这次课程设计终于顺利完成了, 在设计中遇到了很多专业知识问题, 最后在老师的辛勤 指导和同学的努力合作下,终于迎刃而解。同时,在老师的身上我学也到很多实用的知识, 在次我表示感谢!同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!

39

由于本人设计经验不足以及水平有限,同时时间比较仓促,难免有错误和不足之处,恳 请老师多多指正。

参考文献
机械工业出版社 [1] 《电力电子技术(第 4 版)》 王兆安,黄俊 [2] 《电力控制自动控制系统——运动控制系统(第 3 版)》 陈伯时 机械工业出版社 [3] 《DZSZ-1 型电机及自动控制系统实验装置(运动控制系统课程设计)实验指导》 黎群 辉 中南大学信息科学与工程学院 [4] 《电机原理与拖动》 彭鸿才 机械工业出版社 胡寿松 科学出版社 [5] 《自动控制原理》 [6] 《电气传动自动化技术手册》 天津电气传动设计研究所 机械工业出版社 [7] 《电力拖动基础》 杨长能 重庆大学出版社 [8] 《自动控制系统实验指导书》 欧阳昌华,刘建良 中南大学信息科学与工程学院

40

附一 逻辑无环流系统实验报告
一、实验目的: 实验目的:
1) 熟悉和掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试方法和步骤; 2) 通过实验,分析和研究系统的动、静态特性,并研究调节的参数对动态品质的影响; 3) 通过实验,提高自身实际操作技能,培养分析和解决问题的能力。

二、实验内容: 实验内容:
(2)各控制单元调试; (3)整定电流反馈系数β,转速反馈系数α,整定电流保护动作值; (4)测定开环机械特性及高、低时速的静特性 n = f ( I d ) ; (5)闭环控制特性 n = f ( I d ) 的测定; (6)改变调节器参数,观察、记录电流和速度走动、制动时的动态波形。

三、实验调节步骤: 实验调节步骤:
双闭环可逆调速系统调试原则: ① 先单元,后系统; ② 先开环,后闭环; ③ 先内环,后外环 ④ 先单向(不可逆) ,后双向(可逆) 。 2 系统开环调试 (1) 系统开环调试整定: 定相分析:定相目的是根据各相晶闸管在各自的导电范围,触发器能给出触发 脉冲,也就是确定触发器的同步电压与其对应的主回路电压之间的正确相位关 系,因此必须根据触发器结构原理,主变压器的接线组别来确定同步变压器的 接线组别。 (2) Α=90°的整定 (3) 制定移相特性 (4) 带动电机整定α和β 3 系统的单元调试 (1) ASR、ACR 和反相器的调零、限幅等 1

41

(2) 逻辑单元(DLC)的转矩特性和零电流检测的调试 4 5 电流闭环调试( Ri , Ci , C oi 等相关参数的整定) 转速闭环调试( Rn , C n , C on 等相关参数的整定)

四、触发器的整定
(1) 先将 DJK02 的触发脉冲指示开关拨至窄脉冲位置,合 DJK02 中的电源开关,用 示波器观察 A 相、B 相、C 相的三相锯齿波,分别调节所对应的斜率调节器,使三相锯 齿波的斜率一致。 (2) 观察 DJK02 中 VT1~VT6 孔的六个双窄脉冲,使间隔均匀,相位间隔 60 度。 (3) 触发器移相控制特性的整定; 如图 6-1 所示,系统要求当 U ct = 0V 时, α = 90° ,电机应停止不动。因此要调 整偏移电阻 U p ,使 α = 90° 。

图 6-2-1 触发器移相控制特性 测得当 α = α min = 30° 时所对应的值 + U ctm = +4.02V , 该值将作为整定 ACR 输 出 最大正限幅值的依据;测得当 α = 150°( β =

β min = 30°) 时所对应的值 ? U ctm = ?3.17V ,

该值将作为整定 ACR 输出最大负限幅值的依据。

五、系统的开环运行及特性测试
(1) 高速特性的测试: 逐步增加给定电压,使电动机启动、升速。调节 Ug (Uct) 和滑动变阻器的阻值, 使电机电流 I d = I ed = 1.2 A ,转速 n = ned = 1600rpm 。给定 Uct 保持不变,做得高速特

42

性如表 6-1 所示。 改变滑动变阻器, 使负载电流 I d 由 1.2A 下降, 并记录所对应的转速和整流电压 U d , 即可测出高速时的开环机械特性 n = f ( I d ) 。 表 6-3-1 电机高速特性

Id Ud n(r/min)

1.2 266 1617

1 267 1653

0.8 269 1696

0.6 271 1736

(2) 低速特性的测试: 调节 Ug (Uct) 和滑动变阻器的阻值,使电机电流 I d = I N = 0.2 A ,电机仍然旋转, 转速 n = 100rpm 左右。测得低速特性如表 6-3-2 所示。

表 6-3-2 电机低速特性

Id Ud n(r/min)

1.2 77 336

1 78 379

0.8 80 418

0.6 82 460

0.4 83 505

0.2 88 565

电机高低速开环特性如图所示:

图 6-3-3 电机高低速开环特性图

速度反馈特性的测试:
43

改变 uct, 使电动机的转速分别为下列表中所示, 读出所对应的反馈电压 ufn 的大小, 作出u=f (n)特性,并检查其反馈的线性度 表 6-3-4 电动机的转速反馈特性 n(转/分) Ufn(V) 1600 -6.0 1400 -5.3 1200 -4.5 1000 -3.8 800 -3.0 600 -2.3 400 -1.5 200 -0.8

图 6-3-5 电机转速反馈的线性度 六、系统单元调试
1、 电流调节器 ACR 的调试 先切断主电路和励磁电源开关,切断 DJK02 中的电源开关;合电源总开关和 DJK04 中的电源控制开关,DJK04 中的电源控制开关,DJK04 中的给定电位器逆时针调至零位, 使给定 Uct 为 0V。 将 ACR 接成比例调节器,给定 Uct 为 0V,调节放大器调零电位器 RP4,使其输出为 0V。给定 Ug 为正信号,其输出应为负,调节负限幅电位器 RP2,使给定 Ug 继续增大, 其值不变。给定 Ug 为负信号,其输出应为正,调节负限幅值=3V。当给定 Ug 继续增大, 其值不变。 2、 速度调节器 ASR 的调试 调试方法同 ACR 的调试方法,但输出的正负限幅值为 ± 5V 。 3、 反相器 AR 的调试 将输出给定单元输出直接输入 AR 的输入端,用万用表测量输入与输出,特性就满足 式(6-1) 。

U out = ?U in

(6-1)

4、 逻辑控制单元的调试 ①电平检测器的调试 a) 转矩极性鉴别器 DPT 的调试 将输入给定单元输出直接接到 DPT 的输入端, 用万用表或示波器观察其输出。 先检 测回环宽度(为 0.5V 左右) ,调节电位器 RP1,使回环宽度对称纵坐标,如特性图。
44

图 6-4-1 入—回环特性图 b) 零电平监测器 DPZ 的调试 将输入给定单元输出直接接到 DPZ 的输入端,用万用表或示波器观察其输出。 先检测回环宽度(为 0.4V 左右) ;调节电位器 RP3,使回环如图(6-4-2)所示。

图 6-4-2 DPZ 特性 ②逻辑控制器 DLC 的调试 DLC 有两个输入端: v r 和 v z ,若要求两个输入端同时为“1”态或“0”态,其信号 可以直接从输入给定单元输出端获得;若一个为“1”态可从输入给定单元测试其逻辑 功能,逻辑功真值表应如表 6-4-3 所示。 表 6-4-3 逻辑功能真值表

输 入 输 出

Um Ui Uz Uf

1 1 0 1

1 0 0 1

0 0 0 1

0 1 1 0

0 0 1 0

1 0 1 0
45

5、 系统整体调试 1)合保护电路开关 K 1 →电动机励磁开关→控制电源开关→合直流高速主电源开关

K2 。
2)系统动态波形的观察与性能指标分析。 ① 闭环机械特性的测定 n = f ( I d ) :先将系统停下来,将发电机输出接滑动变阻器, 调节调动变阻器和速度给定,使 n = ned = 1600rpm , I d = I ed = 1.2 A ,给定不变,调 节滑动变阻器使 I d 下降,从而测出其高速机械特性。 低速机械特性仿照开环系统 n = f ( I d ) 方法进行。 ② 调节活动变阻器,使 I d = 1A 左右,观察系统从原始突加正向起动→正向运行→ 突给正向停车的转速和电流的波形。 3)测试系统对扰动信号的抵抗能力。 电机起动后在稳态情况下,先使主回路电流 I d = 0.5 A 左右。 ① ② 突加负载(使 I d = 1A ) ,用示波器观察电动机转速变化情况; 突降负载(使 I d = 0.5 A 左右) ,同样用示波器观察电动机转速变化情况。

七、小结
在实验室模拟条件下, 所设计的直流双闭环调速系统可以满足四辊冷轧机的卷取机所要 求的性能指标: (1) σ i % ≤ 5% , σ i % ≤ 10% ; (2)稳态时,转速无静差; (3)能够快速起动、制动; 经过实验室的调试,系统最终能较好的运行,从灵素开始速度给定,以及突加速度给定 信号,系统都能够正常地启动,升速至给定的速度值。 电动机在零速时出现蠕动,现象是左右转,这种现象有两种可能性,一是系统的晶闸管 的触发的偏置电压未调整好, 另外一种就是系统的回环比较整定不理想, 但偏置电压已确认 调整好,只有回环比较环节,因给定单元的旋钮有故障,无法比较为准确的调整回环比较参 数,所以不是偏置电压的问题,而应该是回环比较的问题。而且调试中发现回环参数调整得 电位器出现了误差较大,难以整定的。 系统突加给定时,开始这个速度给定难以调到很高,否则也同样出现过流跳闸报警,速 度也只能在 800 左右突加速度给定,可能是系统的电流超调量过大,PI 参数中,增大比较 有利于系统的快速性, 但与此同时也增加了系统的超调量, 从而必须加大反馈的作用或者增 加 I 的作用,稍微减少 P 的强度,按照这样,经过调试果然效果不一样,突加给定的信号可 以给到很大,基本上是零至额定速度的给定范围,说明系统的参数经过整定后比较好,而且

46

系统在正反转情况下都可以突加给定,正常运行。 在试验中还出现了缺相的故障, 导致系统转速无法升高以及出现较为明显的电流波动现 象, 并使电流调节器一直出去饱和输出限幅状态, 使系统工作于开环状态, 电流环不起作用, 修股缺相故障后,系统可以正常运行。 通过本次实验, 使自己加深了对电力电子技术中的三相整流、 运动控制中的系统分析和 验证的理解,并通过实际动手,将理论与实际相结合,提高了自己的设计和动手能力。

47

附二 龙门刨床电气控制系统原理图

48


相关文档

更多相关文档

龙门刨床电气控制系统设计
龙门刨床电气控制系统的改造设计
基于PLC的龙门刨床电气控制系统设计
B2010A龙门刨床电气控制系统设计
龙门刨床电气系统设计
B2010A龙门刨床电气控制系统
5_龙门刨床速度控制系统设计
龙门刨床电气控制系统教案040425
龙门刨床控制系统设计研究
B2012A龙门刨床的结构及电气控制系统组成
龙门刨床电气控制系统设计
龙门刨床电气控制系统教案040425
基于PLC的龙门刨床电气控制系统设计
B2012A刨床电气控制系统的检修
龙门刨床电气控制系统的改造设计
电脑版