四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)論文

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1、四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)論文 第一章、設(shè)計(jì)概述 1.1、設(shè)計(jì)目的 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化專業(yè)的主干專業(yè)課,具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、實(shí)踐性和工程背景,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)和理論分析和解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,使學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想,掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序、規(guī)范和方法,提高學(xué)生調(diào)查研究,查閱文獻(xiàn)及正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等工具書的能力,理解分析、制定設(shè)計(jì)方案的能力,設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力,實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)調(diào)試能力,編寫設(shè)計(jì)說明書的能力。 1.2、設(shè)計(jì)內(nèi)容 根據(jù)工藝要求,論證、分析、設(shè)計(jì)主電路和控制

2、電路方案,繪出該系統(tǒng)的原理圖。 (2)設(shè)計(jì)組成該系統(tǒng)的各單元,分析說明。 (3)選擇主電路的主要設(shè)備,計(jì)算其參數(shù)(含整流變壓器的容量S,電抗器的電感量L,晶閘管的電流、電壓定額,快熔的容量等),并說明保護(hù)元件的作用(必須有電流和電壓保護(hù))。 (4)設(shè)計(jì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)(或張力環(huán)),確定ASR和ACR(或張力調(diào)節(jié)器ZL)的結(jié)構(gòu),并計(jì)算其參數(shù)。 (5)結(jié)合實(shí)驗(yàn),論述該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。 1.3、課題設(shè)計(jì)要求 四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 生產(chǎn)工藝和機(jī)械性能 四輥冷軋機(jī)是供冷軋紫銅及其合金成卷帶材之用。為提高生產(chǎn)效率,要求往返均要軋制,其軋機(jī)工藝參數(shù)如下: 工作輥的最大和最小直徑

3、:156/136毫米; 支持輥的最大和最小直徑:500/470毫米; 輥身長(zhǎng):400毫米; 軋制時(shí)軋件對(duì)軋輥的最大壓力:60噸; 壓下時(shí)軋件對(duì)軋輥的最大壓力:120噸; 軋制速度:0.5~10米/秒; 基速:7米/秒; 帶材寬度:300毫米; 帶材坯料厚度:1毫米; 帶卷內(nèi)徑(卷筒直徑):500毫米; 軋制成成品:8道次以上; 傳動(dòng)比:i1; 下附軋機(jī)原理簡(jiǎn)圖: 輥機(jī)原理簡(jiǎn)圖 設(shè)計(jì)要求: 穩(wěn)態(tài)無靜差,電流超調(diào)量≤5%;空載啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤10%,能實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù): 120Kw,230v,780A,1000r /min, 0.05Ω,電樞

4、回路總電阻R0.12Ω,電流過載倍數(shù)λ2.25,87.5 、調(diào)速方案選擇 在進(jìn)行調(diào)速方案選擇之前,先來簡(jiǎn)要介紹一下直流調(diào)速的一般原理。 2.1 直流調(diào)速的一般原理 理想化直流電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程可表示為: 式中n??轉(zhuǎn)速(r/min); U??電樞電壓(V); I??電樞電流(A); R??電樞回路總電阻(); ??勵(lì)磁磁通(Wb); ??由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù); 在上式中,是常數(shù),電流I是由負(fù)載決定的,因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法: 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U; 減弱勵(lì)磁磁通; 改變電樞回路電阻R

5、。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說,以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速;減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速,但是調(diào)速范圍不大,往往只是配合調(diào)壓方案,在基速(額定轉(zhuǎn)速)以上小范圍的弱磁升速。因此,自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。以下介紹在直流調(diào)速系統(tǒng)中比較常用的開環(huán)控制、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制等控制方法。 2.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下圖2-2-1: 圖2-2-1晶閘管??電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)V??M系統(tǒng)原理圖 圖2-2-1中VT是晶閘管可控整流器,通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位,即

6、可改變整流電壓Ud,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 這里對(duì)晶閘管可控整流器的移相控制是關(guān)鍵。鋸齒波同步移相觸發(fā)電路將在第三章介紹。其整流原理為三相橋式全控整流,基本原理見下圖2-2-2。通過改變觸發(fā)角從而改變Ud以進(jìn)行調(diào)速。 圖2-2-2三相橋式全控整流電路 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路簡(jiǎn)單,有利于在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn),并且能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高,這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是可以滿住要求的。 然而,開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)沒有控制結(jié)果的反饋,控制精度不高,在需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率有一定的要求的場(chǎng)合往往不能滿住要求。例如龍門刨床,由于毛坯表面粗糙不平,加工時(shí)

7、負(fù)載大小常有波動(dòng),但是為了保證工件的加工精度和加工后的表面潔凈度,加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定,也就是說,靜差率不能太大。這時(shí)就不能使用開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)了。 2.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo),通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合,采用單閉環(huán)系統(tǒng),而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋,電流反饋,電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖如下圖2-3-1: 圖2-3-1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 圖2-3-2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 可見轉(zhuǎn)速單閉環(huán)

8、系統(tǒng)實(shí)際上是開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的“閉環(huán)化”。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào),經(jīng)檢測(cè)轉(zhuǎn)化與給定信號(hào)相比較并經(jīng)放大后,得到移相控制電壓UCt,用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”,觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間,以改變“三相全控整流”的輸出電壓,這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定,速度調(diào)節(jié)器采用P(比例)調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差,要想消除上述誤差,則需將調(diào)節(jié)器換成PI比例積分調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度變化起到了抑制作用,當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。 與開換

9、系統(tǒng)相比,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)性能更為穩(wěn)定。根據(jù)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖作如下分析: 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 nKp*Ks*U1/Ce1+K-Id*R/Ce1+K 式中:Kp?放大器的電壓放大系數(shù); Ks?電力電子變換器的電壓放大系數(shù); α?轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) U1?給定電壓 設(shè)K Kp* Ks*α/ Ce 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降 ΔNclR*Id/Ce1+K 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率 SclΔNcl/Nn 調(diào)速范圍 DclNn*s/ ΔNcl*1-s

10、 可見經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)Kp、Ks,可以使系統(tǒng)的特性更硬,調(diào)速范圍更寬。 2.4 帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí),如果沒有限流措施,會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流,這不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)換向不利,對(duì)過載能力低的電力電子器件來說,更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí),由于慣性,轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來,反饋電壓仍為零,相當(dāng)于偏差電壓△Un Un*,差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時(shí),由于放大器和變換器的慣性都很小,電樞電壓Ud一下子就達(dá)到它的最高值,對(duì)電動(dòng)機(jī)來說,相當(dāng)于全壓起動(dòng),當(dāng)然是不允許的。 另外,有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況,例如,由

11、于故障使機(jī)械軸被卡住,或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬,若無限流環(huán)節(jié),硬干下去,電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù),一過載就跳閘,也會(huì)給正常工作帶來不便。 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題,引入電流截止負(fù)反饋,簡(jiǎn)稱截流反饋,保持電流基本不變,使它不超過允許值。 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-4-1所示。 圖2-4-1 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 這種電流負(fù)反饋?zhàn)饔弥粦?yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在,在正常運(yùn)行時(shí)又得取消,讓電流自由地隨著負(fù)載增減。它的靜特性分為兩段,當(dāng)時(shí),電流

12、截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起作用,靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的相同。當(dāng)后,引入了電流截止負(fù)反饋,靜特性變?yōu)? 2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是,如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高,例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等要求快速起制動(dòng),突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小的場(chǎng)合,盡量縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。這時(shí)單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)閱伍]環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。于是產(chǎn)生了通過轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)來控制電流和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中,電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專

13、門用來控制電流的,但它只能在超過臨界電流值以后,靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊,并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-5-1所示 圖2-5-1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形圖 起動(dòng)電流突破Idcr以后,受電流負(fù)反饋的作用,電流只能再升高一點(diǎn),經(jīng)過某一最大值Idm后,就降低下來,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小,因而加速過程必然拖長(zhǎng)。 為此,在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下,應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)

14、,立即讓電流降下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過程波形示如圖2-5-2: 圖2-5-2系統(tǒng)理想起動(dòng)過程波形 這時(shí),起動(dòng)電流呈方形波,轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套(或稱串級(jí)聯(lián)接,如圖所示2-5-3。 圖2-5-3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ASR??轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR??電流調(diào)節(jié)器 TG??測(cè)速發(fā)電機(jī) TA??電流互感器 UPE??電力電

15、子變換器 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊,稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。以下分別對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及抗擾性能進(jìn)行分析。 為分析靜特性我們參考如下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖: 圖2-5-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ??轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)??電流反饋系數(shù) 在正常運(yùn)行時(shí),電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和的。因此,對(duì)于靜特性來說,只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和:CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的0一直延續(xù)到,而一般都

16、是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段。②轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和:這時(shí)ASR輸出達(dá)到限幅值,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài),轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其靜特性如下圖2-5-5: 圖2-5-5 單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性圖 為分析動(dòng)態(tài)特性以及抗擾性能參考雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖: 圖2-5-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn): (1)飽和非線性控制:根據(jù)ASR的飽和與不飽和,整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài):當(dāng)ASR飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng);

17、當(dāng)ASR不飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán),整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng),而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速超調(diào):由于ASR采用了飽和非線性控制,起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速超調(diào), ASR 的輸入偏差電壓 △Un 為負(fù)值,才能使ASR退出飽和。這樣,采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制:起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的恒流升速,它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流,以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力,使起動(dòng)過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此,整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng),

18、最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能,主要是負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。對(duì)于負(fù)載擾動(dòng),由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出,負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后,因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí),應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于電網(wǎng)電壓擾動(dòng),雙閉環(huán)系統(tǒng)中,由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán),電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié),不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來,抗擾性能大有改善。 由以上分析可以得出,要使該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)特性,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是最佳選擇。 、雙閉環(huán)調(diào)速

19、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各功能模塊概述 3.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 主電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能,為了保證可逆冷軋機(jī)的卷取機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的正反運(yùn)行特性,則需要設(shè)計(jì)可逆的調(diào)速系統(tǒng),采用六個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)的問題。其實(shí)現(xiàn)方式如圖3-1-1所示。圖3-1-1主電路框圖 對(duì)于系統(tǒng)的供電,可將無窮大電網(wǎng)電壓經(jīng)三相變壓器變?yōu)?20V,再通過一系列熔斷器等保護(hù)措施,輸入給橋式整流電路,進(jìn)而給直流電機(jī)和其他裝置供電。變壓器繞組采用 △/Y接法?,具體方法見主電路變壓器的參數(shù)計(jì)算。主電路的保護(hù)措施尤為重要,設(shè)計(jì)多重保護(hù)電路成為必要。

20、 在起動(dòng)開關(guān)電路里面設(shè)置自鎖回路和,在控制電路中發(fā)現(xiàn)電流過大,這可使主電路常閉開關(guān)KM跳開而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng),當(dāng)KM跳開失敗后,由于電流過大,一段時(shí)間后快速熔斷器受熱而熔化使電路跳開,從而避免燒壞電機(jī)等設(shè)備。上框圖中起動(dòng)開關(guān)KM部分電路圖如圖3-1-2所示。圖3-1-2起動(dòng)開關(guān)電路圖 3.2速度調(diào)節(jié)器 速度調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器、輸入與反饋環(huán)節(jié)及二極管限幅環(huán)節(jié)組成,對(duì)給定和反饋兩個(gè)輸入量進(jìn)行加法、減法、比例、積分和微分等運(yùn)算。其原理如圖3-2-1所示: 。 圖3-2-1速度調(diào)節(jié)器 在圖中“1、2、3”端為信號(hào)輸入端,二極管VD1和VD2起運(yùn)放輸入限幅,保護(hù)運(yùn)放的作用。二極管VD3

21、、VD4和電位器RP1、RP2組成正負(fù)限幅可調(diào)的限幅電路。由C1、R3組成微分反饋校正環(huán)節(jié),有助于抑制振蕩,減少超調(diào)。R7、C5組成速度環(huán)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。改變R7的阻值改變了系統(tǒng)的放大倍數(shù),改變C5的電容值改變了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。RP3為調(diào)零電位器。 3.3電流調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器、限幅電路、互補(bǔ)輸出、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)及反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)等環(huán)節(jié)組成,工作原理基本上與速度調(diào)節(jié)器相同,其原理圖如圖3-2-2所示。 圖3-3-1電流調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器相比,增加了幾個(gè)輸入端,其中“3”端接推β信號(hào),當(dāng)主電路輸出過流時(shí),電流反饋與過流保護(hù)的“3

22、”端輸出一個(gè)推β信號(hào)(高電平)信號(hào),擊穿穩(wěn)壓管,正電壓信號(hào)輸入運(yùn)放的反向輸入端,使調(diào)節(jié)器的輸出電壓下降,使α角向180度方向移動(dòng),使晶閘管從整流區(qū)移至逆變區(qū),降低輸出電壓,保護(hù)主電路?！?、7”端接邏輯控制器的相應(yīng)輸出端,當(dāng)有高電平輸入時(shí),擊穿穩(wěn)壓管,三極管V4、V5導(dǎo)通,將相應(yīng)的輸入信號(hào)對(duì)地短接。在邏輯無環(huán)流實(shí)驗(yàn)中“4、6”端同為輸入端,其輸入的值正好相反,如果兩路輸入都有效的話,兩個(gè)值正好抵消為零,這時(shí)就需要通過“5、7”端的電壓輸入來控制。在同一時(shí)刻,只有一路信號(hào)輸入起作用,另一路信號(hào)接地不起作用。 3.4鋸齒波同步移相觸發(fā)電路 圖3

23、-4-1鋸齒波同步移相觸發(fā)電路 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路由同步檢測(cè)、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成、脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。由V3、VD1、VD2、C1等元件組成同步檢測(cè)環(huán)節(jié),其作用是利用同步電壓UT來控制鋸齒波產(chǎn)生的時(shí)刻及鋸齒波的寬度。由V1、V2等元件組成的恒流源電路,當(dāng)V3截止時(shí),恒流源對(duì)C2充電形成鋸齒波;當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí),電容C2通過R4、V3放電。調(diào)節(jié)電位器RP1可以調(diào)節(jié)恒流源的電流大小,從而改變了鋸齒波的斜率?？刂齐妷篣ct、偏移電壓Ub和鋸齒波電壓在V5基極綜合疊加,從而構(gòu)成移相控制環(huán)節(jié),RP2、RP3分別調(diào)節(jié)控制電壓Uct和偏移電壓Ub的大小。V6、V7構(gòu)成脈沖形成放大環(huán)節(jié),C

24、5為強(qiáng)觸發(fā)電容改善脈沖的前沿,由脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖。 3.5電流反饋與過流保護(hù) 圖3-5-1電流反饋與過流保護(hù)原理圖 本單元有兩個(gè)功能,一是檢測(cè)主電源輸出的電流反饋信號(hào),二是當(dāng)主電源輸出電流超過某一設(shè)定值時(shí)發(fā)出過流信號(hào)切斷電源 TA1,TA2,TA3為電流互感器的輸出端,它的電壓高低反映三相主電路輸出的電流大小,面板上的三個(gè)園孔均為觀測(cè)孔,不需再外部進(jìn)行接線,只要將DJK04掛件的十芯電源線與插座相連接,那么TA1、TA2、TA3就與屏內(nèi)的電流互感器輸出端相連,當(dāng)打開掛件電源開關(guān),過流保護(hù)即處于工作狀態(tài)。

25、 1電流反饋與過流保護(hù)的輸入端TA1、TA2、TA3,來自電流互感器的輸出端,反映負(fù)載電流大小的電壓信號(hào)經(jīng)三相橋式整流電路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7組成的3條支路上,其中: ①R2與VD7并聯(lián)后再與R1串聯(lián),在其中點(diǎn)取零電流檢測(cè)信號(hào)從1腳輸出,供零電平檢測(cè)用。當(dāng)電流反饋的電壓比較低的時(shí)候,“1”端的輸出由R1、R2分壓所得,VD7截止。當(dāng)電流反饋的電壓升高的時(shí)候,“1”端的輸出也隨著升高,當(dāng)輸出電壓接接近0.6V左右時(shí),VD7導(dǎo)通,使輸出始終保持在0.6V左右。 ②將RP1的滑動(dòng)抽頭端輸出作為電流反饋信號(hào),從“2”端輸出,電流反饋系數(shù)由RP1進(jìn)行調(diào)節(jié)。

26、 ③RP2的滑動(dòng)觸頭與過流保護(hù)電路相連,調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)過流動(dòng)作電流的大小。 2當(dāng)電路開始工作時(shí),由于電容C2的存在,V3先與V2導(dǎo)通,V3的集電極低電位,V4截止,同時(shí)通過R4、VD8將V2基極電位拉低,保證V2一直處于截止?fàn)顟B(tài)。 3當(dāng)主電路電流超過某一數(shù)值后,RP2上取得的過流電壓信號(hào)超過穩(wěn)壓管V1的穩(wěn)壓值,擊穿穩(wěn)壓管,使三極管V2導(dǎo)通,從而V3截止,V4導(dǎo)通使繼電器K動(dòng)作,控制屏內(nèi)的主繼電器掉電,切斷主電源,掛件面板上的聲光報(bào)警器發(fā)出告警信號(hào),提醒操作者實(shí)驗(yàn)裝置已過流跳閘。調(diào)節(jié)RP2的抽頭的位置,可得到不同的電流報(bào)警值。 4過流的同時(shí),V3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?

27、在集電極產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)從“3”端輸出,作為推β信號(hào)供電流調(diào)節(jié)器使用。 5SB為解除過流記憶的復(fù)位按鈕,當(dāng)過流故障己經(jīng)排除,則須按下SB以解除記憶,才能恢復(fù)正常工作。當(dāng)過流動(dòng)作后,電源通過SB、R4、VD8及C2維持V2導(dǎo)通,V3截止、V4導(dǎo)通、繼電器保持吸合,持續(xù)告警。只有當(dāng)按下SB后,V2基極失電進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),V3導(dǎo)通、V4截止,電路才恢復(fù)正常。 3.6轉(zhuǎn)速變換 轉(zhuǎn)速變換用于有轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)中,它將反映轉(zhuǎn)速變化并與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)變換成適用于控制單元的電壓信號(hào)。 圖3-6-1速度變換圖 使用時(shí),將電壓輸出端接至轉(zhuǎn)速變換的輸入端“1”和“2”。輸入電壓經(jīng)R

28、1和RP1分壓,調(diào)節(jié)電位器RP1可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 圖3-6-2電壓給定原理圖 電壓給定由兩個(gè)電位器RP1、RP2及兩個(gè)鈕子開關(guān)S1、S2組成。S1為正、負(fù)極性切換開關(guān),輸出的正、負(fù)電壓的大小分別由RP1、RP2來調(diào)節(jié),其輸出電壓范圍為0~士l5V,S2為輸出控制開關(guān),打到“運(yùn)行”側(cè),允許電壓輸出,打到“停止”側(cè),則輸出為零。 按以下步驟撥動(dòng)S1、S2,可獲得以下信號(hào): 1將S2打到“運(yùn)行”側(cè),S1打到“正給定”側(cè),調(diào)節(jié)RP1使給定輸出一定的正電壓,撥動(dòng)S2到“停止”側(cè),此時(shí)可獲得從正電壓突跳到0V的階躍信號(hào),再撥動(dòng)S2到“運(yùn)行”側(cè),此時(shí)可獲得從0V突跳到正電壓

29、的階躍信號(hào)。 2將S2打到“運(yùn)行”側(cè),S1打到“負(fù)給定”側(cè),調(diào)節(jié)RP2使給定輸出一定的負(fù)電壓,撥動(dòng)S2到“停止”側(cè),此時(shí)可獲得從負(fù)電壓突跳到0V的階躍信號(hào),再撥動(dòng)S2到“運(yùn)行”側(cè),此時(shí)可獲得從0V突跳到負(fù)電壓的階躍信號(hào)。 3將S2打到“運(yùn)行”側(cè),撥動(dòng)S1,分別調(diào)節(jié)RP1和RP2使輸出一定的正負(fù)電壓,當(dāng)S1從“正給定”側(cè)打到“負(fù)給定”側(cè),得到從正電壓到負(fù)電壓的跳變。當(dāng)S1從“負(fù)給定”側(cè)打到“正給定”側(cè),得到從負(fù)電壓到正電壓的跳變。 元件RP1、RP2、S1及S2均安裝在掛件的面板上,方便操作。此外由一只3位半的直流數(shù)字電壓表指示輸出電壓值。要注意的是不允許長(zhǎng)時(shí)間將輸出端接

30、地,特別是輸出電壓比較高的時(shí)候,可能會(huì)將RP1、RP2損壞。 3.7零速封鎖器 零速封鎖器的原理圖如下: 圖3-7-1零速封鎖器原理圖 零速封鎖器由兩個(gè)具有“山”型繼電器特性的電平檢測(cè)器,邏輯門及延時(shí)環(huán)節(jié)組成,其原理如圖3-2-7。 零速封鎖器的作用是:當(dāng)給定電壓及速度反饋電壓均為零時(shí)(即調(diào)速系統(tǒng)在停車狀態(tài)),封鎖電壓調(diào)節(jié)器的輸出,保證電機(jī)不會(huì)低速爬行或者系統(tǒng)在零速時(shí)出現(xiàn)振蕩。 兩個(gè)“山”型電平檢測(cè)器分別對(duì)給定和速度反饋信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)輸入信號(hào)為正值時(shí),通過二極管VD1和VD3分別進(jìn)入運(yùn)放的反向輸入端,而當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)值時(shí),則通過VD2和VD4進(jìn)入

31、運(yùn)放的正相輸入端。故當(dāng)輸入信號(hào)絕對(duì)值大于某值時(shí)(0.3V左右)時(shí),運(yùn)放輸出始終為負(fù)值,通過二極管VD9和VD10鉗位至-0.7V,作為“0” 信號(hào),當(dāng)輸入信號(hào)的絕對(duì)值小于某一整定值時(shí)(0.2V左右),則運(yùn)放輸出正電壓,作為“1”信號(hào)。因此可得到如圖3-2-8所示的“山”型繼電特性。 圖3-7-2零速封鎖器的“山”型繼電特性 當(dāng)電平檢測(cè)到輸入電壓大于0.3V時(shí),其輸出為低電平“0”,當(dāng)電平檢測(cè)到輸入電壓小于0.2V時(shí),其輸出為高電平“1”。兩個(gè)電平檢測(cè)器的輸出經(jīng)與門和非門后,V2的基極為低電平,V2導(dǎo)通,零速封鎖器輸出約為-15V的電壓加到電壓調(diào)節(jié)器反饋環(huán)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極,使

32、其關(guān)斷,從而使電壓調(diào)節(jié)器開放工作,在出現(xiàn)故障時(shí),電平檢測(cè)器輸出低電平“1”,V2基極為低電平,則V2截止,零速封鎖器輸出0V電壓加到電壓調(diào)節(jié)器反饋環(huán)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極,使其導(dǎo)通,使調(diào)節(jié)器的反饋環(huán)節(jié)短路,輸出為“0”。 電容C3和電阻R25起延時(shí)作用,當(dāng)與門輸出由低電平跳變到高電平時(shí),該電電位由正電源向C3和R25充電,其電位逐漸升高,從而避免在低速運(yùn)行或換向過程中引起誤封鎖。 面板上裝有S1開關(guān),當(dāng)開關(guān)撥到“封鎖”時(shí),零速封鎖器處于工作狀態(tài);當(dāng)S1開關(guān)撥到“解除”時(shí),零速封鎖器處于關(guān)閉狀態(tài)。 3.8轉(zhuǎn)矩極性鑒別DPT 轉(zhuǎn)矩極性鑒別為一電平檢測(cè)器,用于檢測(cè)控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩極

33、性的變化。它是一個(gè)由比較器組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可將控制系統(tǒng)中連續(xù)變化的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯運(yùn)算所需的“0”、“1”電平信號(hào)。其原理圖如圖G所示。轉(zhuǎn)矩極性鑒別器的輸入輸出特性如圖H所示,具有繼電特性。 調(diào)節(jié)運(yùn)放同相輸入端電位器RP1可以改變繼電特性相對(duì)于零點(diǎn)的位置。繼電特性的回環(huán)寬度為:Uk Usr2一Usr1 K1Uscm2一Uscm1 式中,K1為正反饋系數(shù),K1越大,則正反饋越強(qiáng),回環(huán)寬度就越小;Usr2和Usr1分別為輸出由正翻轉(zhuǎn)到負(fù)及由負(fù)翻轉(zhuǎn)到正所需的最小輸入電壓; Uscm1和Uscm2分別為反向和正向輸出電壓。邏輯控制系統(tǒng)中的電平檢測(cè)環(huán)寬一般取0.2~0.6V,環(huán)寬

34、大時(shí)能提高系統(tǒng)抗干擾能力,但環(huán)太寬時(shí)會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作遲鈍。 圖3-8-1 轉(zhuǎn)矩極性鑒別原理圖 圖3-8-2轉(zhuǎn)矩極性鑒別器的輸入輸出特性 3.9零電平檢測(cè)DPZ 零電平檢測(cè)器也是一個(gè)電平檢測(cè)器,其工作原理與轉(zhuǎn)矩極性鑒別器相同,在控制系統(tǒng)中進(jìn)行零電流檢測(cè),當(dāng)輸出主電路的電流接近零時(shí),電平檢測(cè)器檢測(cè)到電流反饋的電壓值也接近零,輸出高電平。其原理圖和輸入輸出特性分別如圖3-2-10和圖3-2-11所示。 圖3-9-1零電平檢測(cè)器原理圖3-9-2零電平檢測(cè)器輸入輸出特性 3.10邏輯控制DLC 邏輯控制用于邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng),其作用是對(duì)轉(zhuǎn)矩極性和

35、主回路零電平信號(hào)進(jìn) 行邏輯運(yùn)算,切換加于正橋或反橋晶閘管整流裝置上的觸發(fā)脈沖,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流運(yùn)行。其原理圖如圖3-2-12所示。其主要由邏輯判斷電路、延時(shí)電路、邏輯保護(hù)電路、推電路和功放電路等環(huán)節(jié)組成。 圖3-10-1邏輯控制器原理圖 1邏輯判斷環(huán)節(jié) 邏輯判斷環(huán)節(jié)的任務(wù)是根據(jù)轉(zhuǎn)矩極性鑒別和零電平檢測(cè)的輸出UM和UI狀態(tài),正確地判斷晶閘管的觸發(fā)脈沖是否需要進(jìn)行切換由UM是否變換狀態(tài)決定及切換條件是否具備由UI 是否從“0”變“1”決定。即當(dāng)UM變號(hào)后,零電平檢測(cè)到主電路電流過零UI “1”時(shí),邏輯判斷電路立即翻轉(zhuǎn),同時(shí)應(yīng)保證在任何時(shí)刻邏輯判斷電路的輸出UZ和UF狀態(tài)必須相反。

36、 2延時(shí)環(huán)節(jié) 要使正、反兩組整流裝置安全、可靠地切換工作,必須在邏輯無環(huán)流系統(tǒng)中的邏輯判斷電路發(fā)出切換指令UZ或UF 后,經(jīng)關(guān)斷等待時(shí)間t1(約3ms)和觸發(fā)等待時(shí)間t2約lOms之后才能執(zhí)行切換指令,故設(shè)置相應(yīng)的延時(shí)電路,延時(shí)電路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延時(shí)作用,VD3、VD4、C3、C4起t2的延時(shí)作用。 3邏輯保護(hù)環(huán)節(jié) 邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)也稱為“多一”保護(hù)環(huán)節(jié)。當(dāng)邏輯電路發(fā)生故障時(shí),UZ、UF的輸出同時(shí)為“1”狀態(tài),邏輯控制器的兩個(gè)輸出端Ulf和Ulr全為“0”狀態(tài),造成兩組整流裝置同時(shí)開放,引起短路和環(huán)流事故。加入邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)后。當(dāng)UZ、UF全為“1”狀

37、態(tài)時(shí),使邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)輸出A點(diǎn)電位變?yōu)椤?”,使Ulf和Ulr 都為高電平,兩組觸發(fā)脈沖同時(shí)封鎖,避免產(chǎn)生短路和環(huán)流事故。 4推β環(huán)節(jié) 在正、反橋切換時(shí),邏輯控制器中的G8輸出“1”狀態(tài)信號(hào),將此信號(hào)送入調(diào)節(jié)器的輸入端作為脈沖后移推β信號(hào),從而可避免切換時(shí)電流的沖擊。 5功放電路 由于與非門輸出功率有限,為了可靠的推動(dòng)Ulf、Ulr,故增加了V3、V4組成的功率放大級(jí)。

38、 第四章、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 4.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備圖4-1-1 直流電動(dòng)機(jī)變流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)直流電動(dòng)機(jī)的規(guī)格如下:PN120KW,IN780A,nN1000r/min,Ra0.05Ω,R0.12Ω。折算到直流電動(dòng)機(jī)軸的飛輪力矩慣量GD287.5N?m2。 變流裝置采用三相橋式整流電路,晶閘管觸發(fā)整流裝置放大倍數(shù)Ks40平均延遲時(shí)間τD0.0017s。 平波電抗器電阻電感 Ls0.639*230/(

39、0.05*IN)3.77mH。 給定電壓Usn、速度調(diào)節(jié)器限幅電壓Usim、電流調(diào)節(jié)器限幅電壓Ucm取UsnUsimUcm10V。 系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計(jì)算 (1)電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù) 0.032s (2)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常量 0.191Vmin/r (3)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常量 0.1911.8241Nm/A (4)轉(zhuǎn)速慣量 0.2333Nmsmin/r (5)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 0.0804s 2.預(yù)先選定的參數(shù) (1)調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0 為簡(jiǎn)化起見,調(diào)節(jié)器的輸入電阻一般均取相同數(shù)值,通常選用10~60KΩ,本實(shí)例取R010 KΩ+10 KΩ

40、20KΩ (2)電流反饋系數(shù)β 設(shè)最大允許電流Idm2.5IdN,有Idm2.57801950A 0.005V/A (3)速度反饋系數(shù)α 0.01Vmin/r (4)電流濾波時(shí)間常數(shù)Tfi及轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Tfn 由于電流檢測(cè)信號(hào)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)中含有諧波分量,而這些諧波分量會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。所以需加反饋濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的諧波分量,但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來慣性的影響,為了平衡這一慣性的影響,在調(diào)節(jié)器給定輸入端也加入一個(gè)同樣參數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。電流濾波時(shí)間常數(shù)Tfi一般取1~3ms,轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Tfn一般取5~20ms。對(duì)濾波時(shí)間常數(shù),若取得過小,則濾不掉

41、信號(hào)中的諧波,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但若取得過大,將會(huì)使過渡過程增加,降低系統(tǒng)的快速性。 本例中取 Toi2ms0.002s Ton10ms0.01s 4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流環(huán)框圖的建立及化簡(jiǎn) 電流環(huán)框圖如圖所示,由于轉(zhuǎn)速對(duì)給定信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間較電流對(duì)給定信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)得多,因此在計(jì)算電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí),可以把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速看成恒量。而恒量對(duì)動(dòng)態(tài)分量是不起作用的,因此,為簡(jiǎn)化起見,可把反電勢(shì)略去。 將非單位負(fù)反饋?zhàn)儞Q成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 由于Tfi(0.002)和τD(0.0017)較Ta(0.032s)小得多,所以可把前兩者構(gòu)成的小慣性

42、環(huán)節(jié)合并。T∑i0.002+0.00170.0037s 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 確定系統(tǒng)的類型 對(duì)電流環(huán),可以校正成典I系統(tǒng),也可以校正成典II系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而定,一般對(duì)抗擾性能要求不是特別嚴(yán)格時(shí)均采用典I系統(tǒng)設(shè)計(jì)即可?，F(xiàn)將電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。 電流調(diào)節(jié)器的選擇 顯然,欲校正成典I系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為 而 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選取 按二階最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì),取TiTa0.032s 根據(jù)要求,穩(wěn)態(tài)無靜差:σi≤5%,選擇ξ0.707,得 電流開環(huán)增益:KI0.5/ T∑i0.5/0.0037135 ACR比例系數(shù):2.595

43、 設(shè)取調(diào)節(jié)器的輸入電阻R060 KΩ,則 RiKiR02.59560 155.7KΩ 0.21μF 0.051μF 4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的建立及化簡(jiǎn) 圖4-3-1轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)) 圖4-3-2轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性環(huán)節(jié)近似處理) 圖4-3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖(校正后成為典型II型系統(tǒng)) 電流環(huán)簡(jiǎn)化后可視為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié),為此需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由4-3-3可得,忽略高次項(xiàng),可以降階近似成。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)該為,因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 。這樣,原

44、來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象,經(jīng)閉環(huán)控制后,可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié),如圖4-3-1。這就表明,電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象,加快了電流的跟隨作用,這是局部閉環(huán)(內(nèi)環(huán))控制的一個(gè)重要功能。速度環(huán)框圖如圖4-3-2所示,將非單位負(fù)反饋?zhàn)儞Q成單位負(fù)反饋系統(tǒng),并把兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并。 2速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 和電流環(huán)中一樣,把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),同時(shí)將給定信號(hào)改成,再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來,近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié),其中,則速度換結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化為圖4-3-2。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)

45、,它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中,見圖4-3-2,現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。顯然,欲校正成典II系統(tǒng),速度調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為: 式中,表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 這樣調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選取 由圖4-3-3與上兩式比較可得: 按三階最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì),跟隨和抗擾動(dòng)性能都較好的原則,取,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:。 可求得

46、轉(zhuǎn)速開環(huán)增益: 比較式4-22與式4-23進(jìn)而可得ASR的比例系數(shù): 2.21 3檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為: 1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為: ,滿足簡(jiǎn)化條件。 2轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為: ,滿足簡(jiǎn)化條件。 3驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量: ,滿足設(shè)計(jì)要求。 4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 已知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入電阻,則 2.212044.2取40。 2.2μF ,取 至此,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)初步完成,但還需

47、實(shí)際調(diào)試和修正。 4.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)小結(jié) 在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下,所設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以滿足四輥冷軋機(jī)所要求的性能指標(biāo): (1),; (2)穩(wěn)態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)速無靜差; (3)能夠快速起動(dòng)、制動(dòng);由于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試的實(shí)際系統(tǒng)有很大差別,并且目前我們所學(xué)有限,能力有限,所以設(shè)計(jì)中對(duì)實(shí)際問題的一些方面考慮不多,主要放在了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。 第五章、小結(jié) 三周的課程設(shè)計(jì),讓我進(jìn)一步鞏固了這一學(xué)期來的所學(xué),也回顧了一下電力電子及電機(jī)拖動(dòng)等方面的相關(guān)知識(shí),鍛煉了自己對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用的能力,也加強(qiáng)了

48、自己發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中,從一開始的整定相位到后面的綜合調(diào)試,我們碰到了許許多多的問題,也曾經(jīng)積極的思考,再結(jié)合同學(xué)、研究生師兄以及老師的幫助,我們最終成功地完成了實(shí)驗(yàn)任務(wù)。 課程設(shè)計(jì)過程中,我們遇到了許多的難題,比如觸發(fā)電路的設(shè)計(jì),在老師的指導(dǎo)下,我們才知道在調(diào)節(jié)器中必須加入零速封鎖器才能讓系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。一度覺得想要在三周里完成有點(diǎn)不可能,幸好我們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)的時(shí)候,無意中發(fā)現(xiàn)了一幅雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖,令我們茅塞頓開,許多問題迎刃而解,這才能較好完成此次課設(shè)任務(wù)。 通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的,只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的

49、,只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來,才能真正掌握技術(shù),從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在課程設(shè)計(jì)伊始,申教授就告訴我們這次課程設(shè)計(jì)是跟實(shí)際工廠控制系統(tǒng)調(diào)試差不多的,對(duì)我們幫助非常大。我們也非常努力認(rèn)真地完成了這次課程設(shè)計(jì)。 總而言之,此次課程設(shè)計(jì)讓我受益良多,讓我知道了知識(shí)結(jié)合運(yùn)用的重要性,又一次體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性,當(dāng)然也少不了向老師和同學(xué)請(qǐng)教的重要性。 參考文獻(xiàn) 《電力電子技術(shù)(第4版)》 王兆安,黃俊 機(jī)械工業(yè)出版社 《電力控制自動(dòng)控制系統(tǒng)??運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)》 陳伯時(shí) 機(jī)械工業(yè)出版社 《電機(jī)原理與拖動(dòng)》 彭鴻才 機(jī)械工業(yè)出版社 《自動(dòng)控制原理

50、》 胡壽松 科學(xué)出版社 《自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》 歐陽昌華、劉建良中南大學(xué)教材科 附錄:邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)試 6.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試概述 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟悉和掌握邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試方法和步驟; 通過實(shí)驗(yàn),分析和研究系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性,并研究調(diào)節(jié)的參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的影響; 通過實(shí)驗(yàn),提高自身實(shí)際操作技能,培養(yǎng)分析和解決問題的能力。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容: 各控制單元調(diào)試; 整定電流反饋系數(shù)β,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α,整定電流保護(hù)動(dòng)作值; 測(cè)定開環(huán)機(jī)械特性及高、低時(shí)速的靜特性; 閉環(huán)控制特性的測(cè)定; 改變調(diào)節(jié)器參數(shù),觀察、記錄電流和速度走動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)波形。 技術(shù)指標(biāo): 電流超調(diào)量

51、,并記錄有關(guān)參數(shù)對(duì)的影響; 轉(zhuǎn)速超調(diào)量,并記錄有關(guān)參數(shù)對(duì)的影響; 用示波器測(cè)定:系統(tǒng)走動(dòng)、制動(dòng)、由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過渡時(shí)間; 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無靜差。 實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)步驟: 雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試原則: ① 先單元,后系統(tǒng); ② 先開環(huán),后閉環(huán); ③ 先內(nèi)環(huán),后外環(huán) ④ 先單向(不可逆),后雙向(可逆)。 系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試 系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試整定: 定相分析:定相目的是根據(jù)各相晶閘管在各自的導(dǎo)電范圍,觸發(fā)器能給出觸發(fā)脈沖,也就是確定觸發(fā)器的同步電壓與其對(duì)應(yīng)的主回路電壓之間的正確相位關(guān)系,因此必須根據(jù)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)原理,主變壓器的接線組別來確定同步變壓器的接線組別。 Α90的整定 制定移相特性 帶

52、動(dòng)電機(jī)整定α和β 系統(tǒng)的單元調(diào)試 ASR、ACR和反相器的調(diào)零、限幅等 邏輯單元(DLC)的轉(zhuǎn)矩特性和零電流檢測(cè)的調(diào)試 電流閉環(huán)調(diào)試(,,等相關(guān)參數(shù)的整定) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)試(,,等相關(guān)參數(shù)的整定) 6.2觸發(fā)器的整定 先將DJK02的觸發(fā)脈沖指示開關(guān)撥至窄脈沖位置,合DJK02中的電源開關(guān),用 示波器觀察A相、B相、C相的三相鋸齒波,分別調(diào)節(jié)所對(duì)應(yīng)的斜率調(diào)節(jié)器,使三相鋸齒波的斜率一致。 觀察DJK02中VT1~VT6孔的六個(gè)雙窄脈沖,使間隔均勻,相位間隔60度。 觸發(fā)器移相控制特性的整定; 如圖6-1所示,系統(tǒng)要求當(dāng)時(shí),,電機(jī)應(yīng)停止不動(dòng)。因此要調(diào) 整偏移電阻,使

53、。 圖6-2-1觸發(fā)器移相控制特性 測(cè)得當(dāng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的值,該值將作為整定ACR輸出 最大正限幅值的依據(jù);測(cè)得當(dāng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的值,該值將作為整定ACR輸出最大負(fù)限幅值的依據(jù)。 6.3系統(tǒng)的開環(huán)運(yùn)行及特性測(cè)試 高速特性的測(cè)試: 逐步增加給定電壓,使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、升速。調(diào)節(jié)和滑動(dòng)變阻器的阻值, 使電機(jī)電流,轉(zhuǎn)速。給定保持不變,做得高速特性如表6-1所示。 改變滑動(dòng)變阻器,使負(fù)載電流由1.2A下降,并記錄所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和整流電壓,即可測(cè)出高速時(shí)的開環(huán)機(jī)械特性。表6-3-1 電機(jī)高速特性 Id 1.2 1 0.8 0.6 Ud 266 267 269 271 nr/min 16

54、17 1653 1696 1736 低速特性的測(cè)試: 調(diào)節(jié)和滑動(dòng)變阻器的阻值,使電機(jī)電流,電機(jī)仍然旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速左右。測(cè)得低速特性如表6-3-2所示。 表6-3-2 電機(jī)低速特性 Id 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Ud 77 78 80 82 83 88 nr/min 336 379 418 460 505 565 電機(jī)高低速開環(huán)特性如圖所示:圖6-3-3 電機(jī)高低速開環(huán)特性圖 速度反饋特性的測(cè)試: 改變uct,使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為下列表中所示,讀出所對(duì)應(yīng)的反饋電壓ufn的大小,作出uf(n)特性,并檢查其反饋的線性度表6-3-4 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋特性 n(轉(zhuǎn)/分

55、) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Ufn(V -6.0 -5.3 -4.5 -3.8 -3.0 -2.3 -1.5 -0.8 圖6-3-5 電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋的線性度 6.4系統(tǒng)單元調(diào)試 電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)試 先切斷主電路和勵(lì)磁電源開關(guān),切斷DJK02中的電源開關(guān);合電源總開關(guān)和DJK04 中的電源控制開關(guān),DJK04中的電源控制開關(guān),DJK04中的給定電位器逆時(shí)針調(diào)至零位,使給定為0V。 將ACR接成比例調(diào)節(jié)器,給定為0V,調(diào)節(jié)放大器調(diào)零電位器RP4,使其輸出為 0V。給定 為正信號(hào),其輸出應(yīng)為負(fù),調(diào)節(jié)負(fù)限幅電位器RP2,使給定繼續(xù)增大,其

56、值不變。給定為負(fù)信號(hào),其輸出應(yīng)為正,調(diào)節(jié)負(fù)限幅值3V。當(dāng)給定繼續(xù)增大,其值不變。 速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)試 調(diào)試方法同ACR的調(diào)試方法,但輸出的正負(fù)限幅值為。 反相器AR的調(diào)試 將輸出給定單元輸出直接輸入AR的輸入端,用萬用表測(cè)量輸入與輸出,特性就滿足式(6-1)。 4、 系統(tǒng)整體調(diào)試 合保護(hù)電路開關(guān)→電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁開關(guān)→控制電源開關(guān)→合直流高速主電源開關(guān)。 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波形的觀察與性能指標(biāo)分析。 ① 閉環(huán)機(jī)械特性的測(cè)定:先將系統(tǒng)停下來,將發(fā)電機(jī)輸出接滑動(dòng)變阻器,調(diào)節(jié)調(diào)動(dòng)變阻器和速度給定,使,,給定不變,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使下降,從而測(cè)出其高速機(jī)械特性。 低速機(jī)械特性仿照開環(huán)系統(tǒng)

57、方法進(jìn)行。 ② 調(diào)節(jié)活動(dòng)變阻器,使左右,觀察系統(tǒng)從原始突加正向起動(dòng)→正向運(yùn)行→突給正向停車的轉(zhuǎn)速和電流的波形。 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抵抗能力。 電機(jī)起動(dòng)后在穩(wěn)態(tài)情況下,先使主回路電流左右。 ① 突加負(fù)載(使),用示波器觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況; ② 突降負(fù)載(使左右),同樣用示波器觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況。 目 錄 第一章 、設(shè)計(jì)概述 1 1.1、設(shè)計(jì)目的 1 1.2、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 1.3、課題設(shè)計(jì)要求 1 第二章 、調(diào)速方案選擇 3 2.1 直流調(diào)速的一般原理 3 2.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 3 2.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 5

58、 2.4 帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng) 6 2.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 7 第三章 、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各功能模塊概述 11 3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 11 3.2速度調(diào)節(jié)器 12 3.3電流調(diào)節(jié)器 13 3.4鋸齒波同步移相觸發(fā)電路 14 3.5電流反饋與過流保護(hù) 15 3.6轉(zhuǎn)速變換 16 3.7零速封鎖器 17 3.8轉(zhuǎn)矩極性鑒別DPT 19 3.9零電平檢測(cè)DPZ 19 3.10邏輯控制DLC 20 第四章、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 22 4.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 22 4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 23 4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 24 4.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)小結(jié) 27 第五章、小結(jié) 28 參考文獻(xiàn) 29 附錄:邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)試 30 6.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試概述 30 6.2觸發(fā)器的整定 31 6.3系統(tǒng)的開環(huán)運(yùn)行及特性測(cè)試 32 6.4系統(tǒng)單元調(diào)試 33