四輥壓延機前輥直流調速系統(tǒng)

1、前言運動控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的必修課。電力拖動自動控制系統(tǒng)課程的內容包括閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)、多環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)、可逆調速系統(tǒng)、直流脈寬調速系統(tǒng)和位置隨動系統(tǒng)。要掌握經(jīng)典直流調速系統(tǒng)的基本概念、基本原理和基本規(guī)律；了解電力拖動自動控制系統(tǒng)的基本形式及其控制規(guī)律；了解經(jīng)典直流調速系統(tǒng)的基本體系；能應用已有的數(shù)學知識對電力拖動自動控制系統(tǒng)進行定量計算和定性分析，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力；本次設計以雙閉環(huán)無靜差直流調速系統(tǒng)為主。在直流調速系統(tǒng)中，轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是應用最廣的直流調速系統(tǒng)，傳統(tǒng)的設計方法為工程設計方法，它對被控對象的模型做了理想化和近似處理，故工程設計方法是一種近

2、似的設計，而對一些高性能系統(tǒng)要求起制動超調小、動態(tài)速降小、恢復時間短，則需采用更為先進的控制策略。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，電壓、轉速和電流調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，文中設計了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓均標出實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。還有調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，限制電壓決定了它們的輸出最大值。 目錄第一章 設計要求及控制對象11.1 生產(chǎn)工藝流程11.2控制要求11.3 設計要求及電機參數(shù)21.4控制對象四輥壓延機2第二章 設計方案選擇32.1開環(huán)直流調速系統(tǒng)32.2轉速負反饋直流調速系統(tǒng)32.3 帶電流截止負反饋

3、的直流調速系統(tǒng)52.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)6第三章 直流調速系統(tǒng)主電路設計83.1勵磁電流的設計83.2電機主電路的設計83.3電力電子變換電路的設計93.4其他電路的設計10第四章 系統(tǒng)結構及子模塊114.1速度調節(jié)單元114.2電流調節(jié)器124.3 電流反饋與過流保護134.4 速度反饋與系數(shù)整定144.5 邏輯控制單元154.6零速封鎖單元174.7 給定積分單元18第五章：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的常規(guī)工程設計195.1設計準備195.2電流調節(jié)器的設計205.3轉速調節(jié)器的設計22第六章 主電路元件選擇與參數(shù)計算266.1變壓器266.2晶閘管266.3晶閘管保護措施26第七章 雙閉環(huán)直流調速系

4、統(tǒng)的建模與仿真27第八章 總結30第1章 設計要求及控制對象1.1 生產(chǎn)工藝流程簾布放布機-接頭硫化機-前三輥電機-貯步架-前四輥電機-干燥機-輥輥壓延主機-（主機1和主機2）-后四輥電機-2臺卷取機-倉庫1.2控制要求（1）在壓延前，必須給干燥輥加熱60°80°（使簾布烘干水分），給主輥加熱至70°左右（不至于橡膠冷卻硬化）。（2）所有的直流電機可單動也可聯(lián)動，并均要求電樞可逆。（3）聯(lián)動時，前四主機和后四主機不允許單動，而前三機可單獨停（便于簾布的硫化接頭，因有貯布架，也不影響后面的正常工作），卷取機也可單獨停（便于2臺卷取機換卷）。（4）兩臺延壓主機必須同時

5、起、?；蚣訙p速，且控制要求和技術指標完全相同。（5）前張力區(qū)的張力（最大為1000kg)通過前四電機來控制，后張力區(qū)的張力（1500kg）由后四電機來控制。（6）在給定壓延張力情況下，其壓延速度由操作人員通過改變主機速度來達到。壓延速度前張力通過控制器使前四電機升速使前張力維持不變；同理后張力使后四電機升速后張力維持不變。從而在聯(lián)動時使主機前后電機的速度達到協(xié)調。（7）前四輥（開卷機）電動機工作情況：當給定張力小于ZL1所檢測的實際張力時，電動機做電動運行，當給定張力大于實際張力時，電動機做發(fā)電運行，當實際張力小于150kg時，系統(tǒng)為電流、速度環(huán)結構，當給定張力不小于150kg時，系統(tǒng)自動轉入

6、電流、張力環(huán)結構；斷帶時，實際張力為0，則自動轉到電流、速度環(huán)雙閉環(huán)結構。1.3 設計要求及電機參數(shù)設計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差：i5%，空載起動至額定轉速的超調量n%10%，張力超調量10%。電機參數(shù)：Pnom=17kw，Unom=220v，Inom=92A，nnom=1500r /min,Ra=0.15,GD2=10.5N.M2,R=0.28,允許電流過載倍數(shù)=1.21.4控制對象四輥壓延機壓延機(calender)是由兩個或兩個以上的輥筒，按一定形式排列，在一定溫度下，將橡膠或塑料壓制展延成一定厚度和表面形狀的膠片，并可對纖維簾帆布或鋼絲簾布進行掛膠的機械。壓延機按照輥筒數(shù)目可分為兩輥、三輥、四

7、輥和五輥壓延機等；按照輥筒的排列方式又可分為“L”型、“T”型、“F”型、“Z”型和“S”型等。普通壓延機主要由輥筒、機架、輥距調節(jié)裝置、輥溫調節(jié)裝置、傳動裝置、潤滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。精密壓延機除了具有普通壓延機主要零部件和裝置外，增加了保證壓延精度的裝置。壓延機第2章 設計方案選擇2.1開環(huán)直流調速系統(tǒng)圖2-1-1 開環(huán)控制直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）圖2-1-1中VT是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調速。這里對晶閘管可控整流器的移相控制是關鍵。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，

8、屬于電力電子技術的范疇，應用較為廣泛，由于原理也較為簡單，就不贅述了。但是由于調速系統(tǒng)開環(huán)，調節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉速，由于各種干擾和元器件的參數(shù)變化，使得系統(tǒng)的靜差率太大，而且不能保證穩(wěn)態(tài)無靜差，所以不符合本課程設計的要求，故不選用此方案。2.2轉速負反饋直流調速系統(tǒng)為了提高直流調速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，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))。對調速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調速指標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速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉速單閉環(huán)使用較多。圖2-2-1轉速負反饋直流調速系統(tǒng)原理圖圖2-2-2轉速負反饋直

9、流調速系統(tǒng)結構框圖圖由上述系統(tǒng)結構框圖可以得到轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜差率特性方程：n=KpKsUn*/(Ce(1+K)-RId/(Ce(1+K); K=Kp*Ks*a/Ce；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);轉速反饋系數(shù)Un*給定電壓如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性方程為： n=KpKsUn*/Ce-RId/Ce；則：開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉速降落分別設為nop，ncl nop=RId/Ce; ncl=RId/(Ce(1+K)由此可以得出閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率之比為：scl=sop/(1+K); 即閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)小的多，當K趨于無窮

10、大時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率接近于0，但不為0。調速范圍：Dcl=Nn*s/( Ncl*(1-s)；Nn為電動機的額定轉速即最大轉速；可見經(jīng)過適當調節(jié)Kp、Ks，可以使系統(tǒng)的特性更硬，調速范圍更寬。 上述控制速度的控制器單一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系統(tǒng)的響應速率，減小系統(tǒng)的靜差率，與開環(huán)系統(tǒng)相比，要比開環(huán)系統(tǒng)的靜差率小的多。但是由于采用了P控制器，不能滿足無靜差的要求，所以應該選用PI控制器以消除靜差。但是轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)還存在一個問題，在起、制動過程和堵轉狀態(tài)時，必須限制電樞電流。2.3 帶電流截止負反饋的直流調速系統(tǒng)直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊

11、電流，這不僅對電動機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓Un= Un*，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓Ud一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。 另外，有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉的情況，例如，由于故障使機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。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，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正

12、常工作帶來不便。 為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)起動和堵轉時電流過大的問題，引入電流截止負反饋，保持電流基本不變，使它不超過允許值。圖2-3-1 環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖這種電流負反饋作用只應在起動和堵轉時存在，在正常運行時又得取消，讓電流自由地隨著負載增減。它的靜特性分為兩段，當時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)不起作用，靜特性與只有轉速負反饋系統(tǒng)的相同。當后，引入了電流截止負反饋，靜特性變?yōu)椋?.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如龍門刨床、可逆軋鋼機等要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小的場合，

13、盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。這時單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。于是產(chǎn)生了通過轉速、電流雙閉環(huán)來控制電流和轉矩的雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。圖2-4-1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。轉速調節(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，而一般都是大于額定電流

14、的。這就是靜特性的運行段。轉速調節(jié)器ASR飽和：這時ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。圖2-4-2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線性控制：根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。（2） 轉速超調：由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必須使轉速超調， ASR 的輸入偏差

15、電壓 Un 為負值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應必然有超調。（3） 準時間最優(yōu)控制：起動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。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能，主要是負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。對于負載擾動，由動態(tài)結構圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。對

16、于電網(wǎng)電壓擾動，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。第三章 直流調速系統(tǒng)主電路設計主電路的穩(wěn)定安全運行直接影響整個系統(tǒng)的性能，為了保證冷連軋機的卷取機系統(tǒng)具有穩(wěn)定的正反運行特性，則需要設計可逆的調速系統(tǒng)，采用六個晶閘管構成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動機的正反轉運行和回饋制動的問題。3.1勵磁電流的設計直流調速系統(tǒng)主電路由三相Y變壓器接電網(wǎng)供電。變壓器分別給電動機和勵磁回路供電，勵磁回路采用不可控的二級管整流器產(chǎn)生，并采用大電容 C濾波，以獲得恒定的直流電壓。如圖 31所示，直流調速調速系

17、統(tǒng)勵磁回路電路圖。圖 3-1直流調速系統(tǒng)勵磁回路三相變壓器主回路的接法能夠消除電網(wǎng)中主要存在的三次諧波，防止三次諧波流到副邊。勵磁回路輸出電壓為 220V而三相不可控整流輸出電壓與輸入電壓的關系為:Ud=2.34U23.2電機主電路的設計電動機回路也由三相Y變壓器接電網(wǎng)供電，經(jīng)三相晶閘管整流得到直流電流向電動機供電。如圖 3-2所示，直流電動機回路電路圖。圖 3-2直流電動機回路電路圖圖中主回路中都連接了熔斷器對電路進行過流保護，當回路中電流過大時熔斷器熔斷主電路斷開設備得到保護。當起動按鈕按下時接觸器 KM得電，起動自鎖開關合上防止起動按鈕誤動作造成電路斷電。同時主回路中接觸器 KM合上，主

18、電路接通。圖中 TA1和TA2為電流互感器，用于檢測電流的大小，實現(xiàn)對電路的過流保護及電流反饋環(huán)節(jié)的電流檢測。電流互感器均采用星形接線方式，對各種短路故障均起作用。電流互感器的選取由主回路中的電流值決定。而變壓器副邊連接的三相阻容負載用于平衡負載濾除副邊電網(wǎng)中的諧波的作用。其參數(shù)的選擇可根據(jù)所要濾除的諧波決定。3.3電力電子變換電路的設計電力電子變換器 UPE采用三相橋式晶閘管連接方式，分為正組和反組兩套整流橋。其具體結構如圖 3-3所示圖 3-3電力電子變換器晶閘管三相橋式可控電路的輸出電壓與輸入電壓的關系為Ud=2.34U2cos其中Ud為可控電路輸出電壓,U2為三相電源的電壓平均值。3.

19、4其他電路的設計與電動機串聯(lián)的電感 Ld為平波電控器，用于抑制電路中電流的突變，防止電流脈動而損壞電機。電機測速可以采用旋轉編碼器或測速電機，本設計中采用測速電機 Tg對電動機的速度進行測量。轉速變換用于有轉速反饋的調速系統(tǒng)中，它將反映轉速變化并與轉速成正比的電壓信號變換成適用于控制單元的電壓信號。下圖為速度轉換為電壓信號的原理圖。圖 3-4速度變換圖使用時，將電壓輸出端接至轉速變換的輸入端“1”和“2”。輸入電壓經(jīng)R1和RP1分壓，調節(jié)電位器RP1可改變轉速反饋系數(shù)。為了對變壓器原邊和副邊的電路進行保護，分別在原副兩邊的各相回路中并聯(lián)了電流互感器，TA1中設置了兩個控制開關，TA2中也設置了

20、兩個控制開關。當電流互感器檢測到回路中電流過大時，開關接觸器得電致使接觸開關閉合，此時 KT得電，開關 KT閉合，YR得電使得 YR開關斷開，使電機控制開關處于斷電狀態(tài)而電機處于停止工作狀態(tài)。其過流保護電路的具體結構如圖 3-5所示。 圖 3-5過流保護電流第四章 系統(tǒng)結構及子模塊本設計采用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，其結構圖見圖2.4.14.1速度調節(jié)單元速度調節(jié)器主要用運算放大器，輸入輸出反饋環(huán)節(jié)，限幅電路以及反號器組成，用于對輸入反饋信號進行放大，積分，微分，取反運算從而實現(xiàn)對信號的分析與處理。其原理如圖3-2-1所示： 圖3-1-1 速度調節(jié)單元原理圖 上述圖中Un*為速度給定輸入量，Un為速

21、度反饋輸入量，C7，R12為反饋微分0環(huán)節(jié)，D4,D5用于保護放大器，即限定放大器的最大輸入，D1,D2,R9,R10起到限幅的作用。SL零速封鎖信號控制晶閘管VT1的關閉。4.2電流調節(jié)器電流調節(jié)器由運算放大器、限幅電路、互補輸出、輸入阻抗網(wǎng)絡及反饋阻抗網(wǎng)絡等環(huán)節(jié)組成，工作原理基本上與速度調節(jié)器相同，其原理圖如圖3-2-1所示。 圖3-2-2電流調節(jié)器單元原理圖電流調節(jié)器與速度調節(jié)器相比，增加了幾個輸入端，其中“U-1,U-2”端接推信號，當主電路輸出過流時，電流反饋與過流保護的“”端輸出一個推信號（高電平）信號，擊穿穩(wěn)壓管，正電壓信號輸入運放的反向輸入端，使調節(jié)器的輸出電壓下降，使角向18

22、0度方向移動，使晶閘管從整流區(qū)移至逆變區(qū)，降低輸出電壓，保護主電路?！癦K,ZL”端接邏輯控制器的相應輸出端，當有高電平輸入時，擊穿穩(wěn)壓管，三極管V1、V2導通，將相應的輸入信號對地短接。在邏輯無環(huán)流實驗中“Ui*，Ui*n”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，兩個值正好抵消為零，這時就需要通過“ZK,ZL”端的電壓輸入來控制。在同一時刻，只有一路信號輸入起作用，另一路信號接地不起作用。4.3 電流反饋與過流保護根據(jù)實驗原理，畫出電流反饋及其過電流保護單元原理圖如下所示： 圖3-2-3 電流反饋及其過電流保護單元電路本單元有兩個功能，一是檢測主電源輸出的電流反饋信號，二是

23、當主電源輸出電流超過某一設定值時發(fā)出過流信號切斷電源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，面板上的三個園孔均為觀測孔，不需再外部進行接線，只要將DJK04掛件的十芯電源線與插座相連接，那么TA1、TA2、TA3就與屏內的電流互感器輸出端相連，當打開掛件電源開關，過流保護即處于工作狀態(tài)。(1)電流反饋與過流保護的輸入端TA1、TA2、TA3，來自電流互感器的輸出端，反映負載電流大小的電壓信號經(jīng)三相橋式整流電路整流后加至R18，R4，R5,R6及R11，R12，D7組成的3條支路上，其中:R12與D7并聯(lián)后再與R11串聯(lián)，在其中點取零電流檢測信號從1

24、腳輸出，供零電平檢測用。當電流反饋的電壓比較低的時候，“I0”端的輸出由R11、R12分壓所得，D7截止。當電流反饋的電壓升高的時候，“I0”端的輸出也隨著升高，當輸出電壓接接近0.6V左右時，D7導通，使輸出始終保持在0.6V左右。將R18的滑動抽頭端輸出作為電流反饋信號，從“Ui”端輸出，電流反饋系數(shù)由R18進行調節(jié)。R5,R6串聯(lián)后與過流保護電路相連，實驗前先調試R5,R6阻值大小來調節(jié)過流動作電流的大小，調試好后可以不用再次更改，以便實驗操作。(2)當電路開始工作時，由于電容C4的存在，V2比V1先導通，V2的集電極低電位，V3截止，同時通過R10、D8將V1基極電位拉低，保證V1一直

25、處于截止狀態(tài)。(3)當主電路電流超過某一數(shù)值后，R5,R6分壓的的過流電壓信號超過穩(wěn)壓管Z2的穩(wěn)壓值，擊穿穩(wěn)壓管，使三極管V1導通，從而V2截止，V3導通使繼電器K動作，控制屏內的主繼電器掉電，切斷主電源，掛件面板上的聲光報警器發(fā)出告警信號，提醒操作者實驗裝置已過流跳閘。(4)過流的同時，V2由導通變?yōu)榻刂梗诩姌O產(chǎn)生一個高電平信號從“U-1”端輸出，作為推信號供電流調節(jié)器使用。(5)SB為解除過流記憶的復位按鈕，當過流故障己經(jīng)排除，則須按下SB以解除記憶，才能恢復正常工作。當過流動作后，電源通過SB、R10、D8及C2維持V1導通，V1截止、V3導通、繼電器保持吸合，持續(xù)告警。只有當按下S

26、B后，V1基極失電進入截止狀態(tài)，V2導通、V3截止，電路才恢復正常。4.4 速度反饋與系數(shù)整定 轉速變換用于有轉速反饋的調速系統(tǒng)中，它將反映轉速變化并與轉速成正比的電壓信號變換成適用于控制單元的電壓信號。 圖3-2-4速度變換圖使用時，將電壓輸出端接至轉速變換的輸入端“1”和“2”。輸入電壓經(jīng)R1和RP1分壓，調節(jié)電位器RP1可改變轉速反饋系數(shù)。給定 圖3-2-6電壓給定原理圖電壓給定由兩個電位器RP1、RP2及兩個鈕子開關S1、S2組成。S1為正、負極性切換開關，輸出的正、負電壓的大小分別由RP1、RP2來調節(jié)，其輸出電壓范圍為0士l5V，S2為輸出控制開關，打到“運行”側，允許電壓輸出，打

27、到“停止”側，則輸出為零。按以下步驟撥動S1、S2，可獲得以下信號：(1)將S2打到“運行”側，S1打到“正給定”側，調節(jié)RP1使給定輸出一定的正電壓，撥動S2到“停止”側，此時可獲得從正電壓突跳到0V的階躍信號，再撥動S2到“運行”側，此時可獲得從0V突跳到正電壓的階躍信號。(2)將S2打到“運行”側，S1打到“負給定”側，調節(jié)RP2使給定輸出一定的負電壓，撥動S2到“停止”側，此時可獲得從負電壓突跳到0V的階躍信號，再撥動S2到“運行”側，此時可獲得從0V突跳到負電壓的階躍信號。(3)將S2打到“運行”側，撥動S1，分別調節(jié)RP1和RP2使輸出一定的正負電壓，當S1從“正給定”側打到“負給

28、定”側，得到從正電壓到負電壓的跳變。當S1從“負給定”側打到“正給定”側，得到從負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時間將輸出端接地，特別是輸出電壓比較高的時候，可能會將RP1、RP2損壞。4.5 邏輯控制單元進行邏輯控制時，首先進行DPT,DPZ的檢測，即轉矩極性檢測和零電流檢測。轉矩極性鑒別為一電平檢測器，用于檢測控制系統(tǒng)中轉矩極性的變化。它是一個由比較器組成的模數(shù)轉換器，可將控制系統(tǒng)中連續(xù)變化的電平信號轉換成邏輯運算所需的“0”、“1”電平信號。其原理圖如圖圖3-2-5-1所

29、示。 圖3-2-5-1 轉矩極性檢測轉矩極性鑒別器的輸入輸出特性如下圖3-2-5-2所示，具有繼電特性。 圖3-2-5-2 轉矩極性輸入輸出特性調節(jié)運放同相輸入端電位器RP1可以改變繼電特性相對于零點的位置。繼電特性的回環(huán)寬度為: Uk = Usr2一Usr1 = K1(Uscm2一Uscm1)式中，K1為正反饋系數(shù)，K1越大，則正反饋越強，回環(huán)寬度就越??；Usr2和Usr1分別為輸出由正翻轉到負及由負翻轉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)中的電平檢測環(huán)寬一般取0.20.6V，環(huán)寬大時能提高系統(tǒng)抗干擾能力，但環(huán)太寬時會使系統(tǒng)動作遲鈍。零電平檢

30、測器也是一個電平檢測器，其工作原理與轉矩極性鑒別器相同，在控制系統(tǒng)中進行零電流檢測，當輸出主電路的電流接近零時，電平檢測器檢測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3-2-5-3和圖3-2-5-4所示。 圖3-2-5-3 零電平檢測器 圖3-2-5-4零電平檢測器輸入輸出特性邏輯控制用于邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)，其作用是對轉矩極性和主回路零電平信號進行邏輯運算，切換加于正橋或反橋晶閘管整流裝置上的觸發(fā)脈沖，以實現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流運行。其原理圖如圖3-2-5-5所示。其主要由邏輯判斷電路、延時電路、邏輯保護電路、推b電路和功放電路等環(huán)節(jié)組成。 圖3-2-5-5 邏輯

31、控制單元邏輯控制環(huán)節(jié)由以下幾個部分組成：邏輯判斷環(huán)節(jié)，延時環(huán)節(jié)，邏輯保護環(huán)節(jié)，推環(huán)節(jié)，功放電路。4.6零速封鎖單元零速封鎖器原理圖如圖3-2-6-1所示： 圖3-2-6-1 零速封鎖器零速封鎖器的作用是：當給定電壓及速度反饋電壓均為零時（即調速系統(tǒng)在停車狀態(tài)），封鎖電壓調節(jié)器的輸出，保證電機不會低速爬行或者系統(tǒng)在零速時出現(xiàn)振蕩。4.7 給定積分單元積分單元原理圖如下圖3-2-7所示： 圖3-2-7 積分給定單元積分給定單元作用：突加給定將產(chǎn)生振蕩，對系統(tǒng)造成較大的沖擊，經(jīng)積分環(huán)節(jié)輸出的積分信號上升平緩，能減小系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。由來自面板上的給地1輸入，經(jīng)比例積分環(huán)節(jié)，跟隨器

32、后，輸出積分Un*。第五章：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的常規(guī)工程設計5.1設計準備 圖4-1-1 直流電動機變流裝置系統(tǒng)結構框圖設直流電動機的規(guī)格如下：PN=17KW，IN=92A，nN=1500r/min，Ra=0.15，R=0.28，允許的電流過載倍數(shù)=1.2，折算到直流電動機軸的飛輪力矩慣量GD2=10.5N·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)Ks=40平均延遲時間D=0.0017s。平波電抗器電阻電感Ls=0.639*220/（0.05*IN）=30.5mH。給定電壓Usn、速度調節(jié)器限幅電壓Usim、電流調節(jié)器限幅電壓Ucm取Usn=Usim=Ucm=15V

33、。1、 系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計算（1）電動機的電磁時間常數(shù)（2）電動機的電動勢常量（3）電動機的轉矩常量（4）轉速慣量（5）機電時間常數(shù)2預先選定的參數(shù)（1）調節(jié)器輸入回路電阻R0為簡化起見，調節(jié)器的輸入電阻一般均取相同數(shù)值，通常選用1060K，本實例取 R0=(10 K+10 K) =20K（2）電流反饋系數(shù)設最大允許電流Idm=1.2IdN，有Idm=1.2×92=110.4A（3）速度反饋系數(shù)（4）電流濾波時間常數(shù)Tfi及轉速濾波時間常數(shù)Tfn由于電流檢測信號和轉速檢測信號中含有諧波分量，而這些諧波分量會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。所以需加反饋濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的諧波分

34、量，但同時也給反饋信號帶來慣性的影響，為了平衡這一慣性的影響，在調節(jié)器給定輸入端也加入一個同樣參數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。電流濾波時間常數(shù)Tfi一般取13ms，轉速濾波時間常數(shù)Tfn一般取520ms。對濾波時間常數(shù)，若取得過小，則濾不掉信號中的諧波，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但若取得過大，將會使過渡過程增加，降低系統(tǒng)的快速性。本例中取 Toi=2ms=0.002s Ton=10ms=0.01s5.2電流調節(jié)器的設計1. 電流環(huán)框圖的建立及化簡電流環(huán)框圖如圖所示，由于轉速對給定信號的響應時間較電流對給定信號的響應時間長得多，因此在計算電流的動態(tài)響應時，可以把電動機的轉速看成恒量。而恒量對動態(tài)分量是不起作用的，因

35、此，為簡化起見，可把反電勢略去。將非單位負反饋變換成單位負反饋系統(tǒng)。由于Tfi（0.002）和D（0.0017）較Ta（0.125）小得多，所以可把前兩者構成的小慣性環(huán)節(jié)合并。Ti=0.002+0.0017=0.0037s2. 電流調節(jié)器的設計a) 確定系統(tǒng)的類型對電流環(huán)，可以校正成典I系統(tǒng)，也可以校正成典II系統(tǒng)應根據(jù)生產(chǎn)機械的要求而定，一般對抗擾性能要求不是特別嚴格時均采用典I系統(tǒng)設計即可?，F(xiàn)將電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。電流調節(jié)器的選擇顯然，欲校正成典I系統(tǒng)，電流調節(jié)器應選用PI調節(jié)器。其傳遞函數(shù)為而電流調節(jié)器參數(shù)的選取按二階最佳系統(tǒng)設計，取Ti=Ta=0.125s根據(jù)要求，穩(wěn)態(tài)無靜差：i5%

36、，選擇=0.707，得電流開環(huán)增益：KI=0.5/ Ti=0.5/0.0037=135ACR比例系數(shù)：設取調節(jié)器的輸入電阻R0=60 K，則Ri=KiR0=0.8701×60= 52.2060 K速度調節(jié)器的設計速度環(huán)框圖的建立及化簡電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)的求取速度環(huán)框圖如圖7-9a所示，將非單位負反饋變換成單位負反饋系統(tǒng)。同理，可把兩個小慣性環(huán)節(jié)合并。如圖7-9b所示。速度調節(jié)器的設計（1）確定系統(tǒng)的類型對速度環(huán)，可以校正成典I系統(tǒng)，也可以校正成典II系統(tǒng)，應根據(jù)生產(chǎn)機械的要求而定，大多數(shù)調速系統(tǒng)的速度環(huán)都按典II系統(tǒng)進行設計?，F(xiàn)將速度環(huán)校正成典II系統(tǒng)。（2）速度調節(jié)器的選擇顯然

37、，欲校正成典II系統(tǒng)，速度調節(jié)器應選用PI調節(jié)器。其傳遞函數(shù)為而 （3）速度調節(jié)器參數(shù)的選取按三階最佳系統(tǒng)設計，依要求空載起動至額定轉速的超調量n%10%設取調節(jié)器的輸入電阻R0=60 K，則Rn=KnR0=8.7×60=524K至此，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的理論設計初步完成，但還需實際調試和修正。5.3轉速調節(jié)器的設計1)轉速環(huán)結構框圖的建立及化簡圖4-3-1轉速環(huán)的動態(tài)結構圖（用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)）圖4-3-2轉速環(huán)的動態(tài)結構圖（等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性環(huán)節(jié)近似處理）圖4-3-3 轉速環(huán)的動態(tài)結構簡化圖（校正后成為典型II型系統(tǒng)）電流環(huán)簡化后可視為轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需求出它

38、的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由4-3-3可得，忽略高次項，可以降階近似成。接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應該為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為 。這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(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)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內環(huán)）控制的一個重要功能。速度環(huán)框圖如圖4-3-2所示，將非單位負反饋變換成單位負反饋系統(tǒng)，并把兩個小慣性環(huán)節(jié)合并。(2)速度調節(jié)器的設計和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間

39、常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中，則速度換結構框圖可簡化為圖4-3-2。為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器ASR中，見圖4-3-2，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。顯然，欲校正成典II系統(tǒng)，速度調節(jié)器應選用PI調節(jié)器。其傳遞函數(shù)為： (4-31)式中，表示轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；表示轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。這樣調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： (4-32)(2)轉速調節(jié)器參數(shù)的選取由圖4-3-3與式(4-21)比較可得： (4-33)按三階最

40、佳系統(tǒng)設計，跟隨和抗擾動性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為：?？汕蟮棉D速開環(huán)增益： (4-34)比較式(4-22)與式(4-23)進而可得ASR的比例系數(shù)： (4-35)(3)檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為：1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：，滿足簡化條件。2)轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足簡化條件。3)驗證調速系統(tǒng)空載起動到額定轉速時的轉速超調量：，滿足設計要求。(4)計算調節(jié)器電阻和電容已知轉速調節(jié)器的輸入電阻，則，取。，取。 ，取至此，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的理論設計初步完成，但還需實際調試和修正。第六章 主電路元件選擇與參數(shù)計算6.1變壓器整流變壓器采用三相橋整流，對這樣的可逆系統(tǒng)有： Uv= 1.051.10UMN/3=1.05×220/3=133V又整流電流 Iv=0.816×IdN =0.816×92=75A所以，副方變壓器容量為: S2=3UvXIv=3×133×75=30KVA因為交流變壓器二次側為交流不存在直流磁化的問題，則原邊變壓器容量為: S1=S2=30 KVA變壓器總容量為S1=30 KVA，取 50 KVA，低壓側電壓為0.4KV。6.2晶閘管選擇晶閘管元件的正向反向峰值電壓：當電動機額定電壓大于 220V時，則取1200V晶閘管額定電流： 取160A6.3晶閘管保護措