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运动控制课程设计与综合实验报告运动控制课程设计与综合实验报告 设计课题：龙门刨床电气控制系统的设计 设计课题：龙门刨床电气控制系统的设计学 院：学 院：专业班级：专业班级：学 号：学 号：姓 名：+姓 名：+指导教师：指导教师：完成日期：完成日期：1前言前言 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。2目目 录录前言前言.1第一章第一章 概论概论.31.1 本次课程设计的研究课题.31.2 本次设计的基本要求.3第二章第二章 调速系统的方案选择调速系统的方案选择.42.1 龙门刨床简介.42.2 龙门刨床的工艺特点及其对自动控制系统的要求.42.3 龙门刨床的动力来源的选择.52.4 调压调速的选择.52.5 主拖动电动机供电方式的选择.72.6 双闭环控制系统的选择.72.7 触发电路的选择.82.8 调压调速控制系统主回路的选择.82.9 可控硅-电动机直流调速的介绍.9第三章第三章 调速系统主回路的设计调速系统主回路的设计.113.1 主回路的电气原理图.113.2 主电路的过电压和过电流保护.113.3 主回路的参数计算.12第四章第四章 调速系统各功能模块的电路选择调速系统各功能模块的电路选择.154.1 逻辑无环流系统.154.2 逻辑装置的组成与分析：.184.3 各功能模块的实现.184.3.1 速度调节器.18第五章第五章 双闭环调速系统的常规工程设计双闭环调速系统的常规工程设计.275.1 调速系统的静态计算.275.2 调速系统的动态计算.295.2.1 电流调节器的设计.295.2.2 转速调节器的设计.32第六章第六章 系统的调试系统的调试.366.1 系统的安装及检查.366.2 系统的调试.366.3 小结.38总结总结.39参考文献参考文献.40附一附一 逻辑无环流系统实验报告逻辑无环流系统实验报告.41附二附二 龙门刨床电气控制系统原理图龙门刨床电气控制系统原理图.483第一章第一章 概论概论1.1 本次课程设计的研究课题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min/1500r，最低转速min/75r，即20D。4）静差度%1s.5）稳态无静差，空载启动到额定转速时速度超调量%10n，电流超调量%5i。6）启动、制动要快。1.2.2 直流电动机参数：直流电动机参数：1.0min,/1500,305,220,60anomnomnomnomRrnAIvUkwp，电流过载倍数2，电枢回路总电阻225.97,2.0mNGDR。4V VL L返回行程返回行程图2-2 工作台的速度图图2-2 工作台的速度图第二章 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；由于返回速度高，5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maxF。对最大切削力时的速度称为计算速度JBV。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VFP。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JBVFPmaxmax。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2.4 调压调速的选择直流电动机的调速方程为：P PF FV VVjbVjbFmaxFmax1 12 23 3图2-3 龙门刨床的F-V图与P-V图图2-3 龙门刨床的F-V图与P-V图6 IKRKUneae式中：U电枢电压 I电枢电流 aR电枢回路总电阻 励磁磁通 eK由电机结构决定的电动势常数在上式中，eK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；3）改变电枢回路电阻aR。2.4.1 改变电枢回路电阻调速 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：IKRRKUneae式中：aR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 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0n也将改变，而机械特性的斜率不变，此时调速方程为：IKRnIKRKUneaeae0 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7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 改变磁通调速 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。8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）。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。93）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 可控硅-电动机直流调速的介绍 2.9.1 系统的组成 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 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:MCCRRCUnDmeanDed2式中：dU整流电压 nR 可控硅整流装置的等效内阻 aR电动机的电枢电阻 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 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en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dU是控制角的函数，因此只需改变触发角电路的控制电压ku，使触发脉冲移相，就可以改变控制角及dU，实现调压调速。10 2）在基速en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en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 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。11第三章第三章 调速系统主回路的设计调速系统主回路的设计3.1 主回路的电气原理图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M M正向锁正向锁反向锁反向锁图3-1 三相桥式反并联连接图3-1 三相桥式反并联连接RC4FUVT1RC3M MLQFRV2RC2RV1RC1QMCD图3-2 过电压保护形式图3-2 过电压保护形式12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。第 5 项接在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 主回路的参数计算主回路的参数计算 3.3.1 确定变压器确定变压器T的参数，变压器为了消除三次谐波而采用的参数，变压器为了消除三次谐波而采用Y/接法。接法。1）变压器副方的参数计算：相电压：由cos34.22UUd得 vUUd14134.2/2205.134.2/)5.12.1(2相电流：AIIIdNdN249305816.0816.0322 2）变压器的变比：695.214138021UUK 3）变压器的原方参数相电压：vU3801，相电流：AKII4.92695.2/24921 4）变压器的视在功率 副方视在功率：KVAIUS33.10524914133222 原方视在功率：KVAIUS34.1054.9238033111 平均视在功率：KVASSS335.105234.10533.105221所以我们取KVAS105 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：vUUUUTMTMTn4.34514166)32(2，故VUUTMTn5.8635.2额定电流：AIIIdNVTAVT224368.0)25.1()25.1()(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13 dNidMISUUUL22 查表可得对于三相桥式电路：42.02UUdM，电流脉动系数dNdMiIIS，又知交流基波幅值AIAIIdNdM305,351249222，所以15.1305/351dNdMiIIS带入上面的参数的mHL169.02）从维持输出电流连续的角度来设计电抗器的电感值 min21dIUKL 若使电流连续的最小负载电流AId5.0min，对于三相桥式电路的临界电感计算系数693.01K，所以 mHIUKLd4.1955.0/)141693.0(min21若使电流连续的最小负载电流为 5A，则mHL54.19，取mHL20。3.3.4 电动机电枢电感的计算电动机电枢电感的计算直流电动机电枢电感 NnNDDIPUKL2式中，nP为电动机的极对数，已知AIVUPNNn305,22,2，无补偿绕组的电动机系数128DK，在此我们选10DK，代入上式可得mHLD8.1。3.3.5 变压器漏电感的计算变压器漏电感的计算 mHIUUKLdNdlBB2 式中，dlU为变压器的阻抗电压百分值，1000KVA 以下的变压器055.0dlU，对于三相桥式电路9.3BK，又知AIvUdN305,1412，代入参数可得mHLB1.0。3.3.6 快速熔断器的选择快速熔断器的选择 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pnU和额定电流pnI按以下方法选取：pnU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unpnUU1.1，式中，14unU交流变压器二次电压有效值。pnI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DNpnIKI13.1，1K电流计算系数，对于三相桥，311K，DNI负载电流的有效值。15给定积分速度调节零速封锁逻辑控制KZKFB1Ui*UGJUnUnUn*Un*速度反馈Un脉冲触发N1TC电源+15V-15VGNDA相SLYTBUcUcUi*Ui0反号负载AVG正组脉冲反组脉冲JKM1KM1N1KM1LHTMVAM正组桥反组桥YQF1电流调节电流反馈及保护B1B2Ui*UiB2UiUi0转矩极性检测零电平检测UGK1K2+15V-15VYY第四章第四章 调速系统各功能模块的电路选择调速系统各功能模块的电路选择 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4.1 逻辑无环流系统逻辑无环流系统 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。16系统正确工作时，iU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11K和12K闭合，另一路径11K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iU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）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11K、12K触点。4）正向脉冲被封锁。5）经一段时间，21K、22K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 2030ms 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 35ms），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），已能迅速实现关断。若只将电流给定值保持为零，即在 90附近切换时，如图 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。17 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。183）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“min”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giU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mst321，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 各功能模块的实现各功能模块的实现 4.3.1 速度调节器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19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。204.3.3 锯齿波同步移相触发电路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电流反馈与过流保护21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:R2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。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。RP2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。22(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，