【正文】 .................................................. 32 系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算和調(diào)試 .............................................. 33 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 III 頁 共 III 頁 電流閉環(huán)參數(shù)計算 34 速度環(huán)參數(shù)計算 ................................................... 37 電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的作用 .............................................. 41 7 結(jié)論 ................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ................................................................ 44 致謝 .................................................................... 45 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 1 頁 共 45 頁 1 引言 近二三十年來，自動化電力拖動技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，它跨越電機學(xué)，電力電子及微電子技術(shù)，自動控制理論和電子計算 機應(yīng)用，并融合了生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程。 畢業(yè)設(shè)計說明書 龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 班 級： 學(xué)號： 姓 名： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2021年 6 月 軟件工程 袁文武 祝錫晶 軟件學(xué)院 龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 文章介紹 了以直流電動機為核心的龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)采用電流、速度雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)用反并聯(lián)可控硅整流裝置為系統(tǒng)電機供電，主電路和控制電路的增加了過電流和過電壓保護(hù)，消除了負(fù)載 ,電網(wǎng)等外界干擾信息最終獲得較好的控制效果，對傳動中各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了理論分析，并對動態(tài)參數(shù)進(jìn)行了計算，給出了硬件結(jié)構(gòu)和工作情況，實現(xiàn)了刨床的無級調(diào)速，大大提高了控制精度和電能利用率，減少了電能損耗和過度時間，降低了控制部件數(shù)量，且無噪音，提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。該系統(tǒng)的特點是動態(tài)響應(yīng)快、工作可靠、操作簡單、精度高。在這其中，分為交、直流兩大電力拖動系統(tǒng)，在電力拖動的發(fā)展史上，一直是二者互為補充，相輔相成，交替發(fā)展。 直流電動機具有良好的起動，制動性能，具有良好的調(diào)速性能和良好的控制性能，正因為這個優(yōu)點使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)在需要調(diào)速的高性能電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)在加入反饋環(huán)后，可以改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)品質(zhì)。 本設(shè)計中龍門刨床的的驅(qū)動系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng) 應(yīng)用了可逆無環(huán)流的速度、電流雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)，在滿足控制要求的同時，克服了其他的直流控制系統(tǒng)體積大、重量重，而且不經(jīng)濟的缺點 [1]。直流電機拖動，無級調(diào)速、運動平穩(wěn)。 龍門刨床對電氣傳動系統(tǒng)的要求 1) 由于反復(fù)多道次刨制，要求傳動系統(tǒng)可逆運轉(zhuǎn)并實現(xiàn)無級調(diào)速（ ~4m/min 2) 刨制過程要保持刨制速度恒定，在加減速過程中要求加減速恒定，能實現(xiàn)快速反向。 3) 電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)有較高的靜態(tài)精度，動態(tài)品質(zhì)和抗擾能力。 2） 減少投資，提高效益。 拖動方案的選擇 主傳動電動機已經(jīng) 給定，是直流他勵電動機，所以我們要圍繞著直流他勵電動機展開設(shè)計。因為它便于實現(xiàn)電氣無極調(diào)速和對調(diào)速精度的要求 [3]。在系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化不大、外界擾動規(guī)律預(yù)知、調(diào)速性能要求不高的前提下，采用開環(huán)控制也能實現(xiàn)一定范圍的無級調(diào)速。但是生產(chǎn)實踐中有許多生產(chǎn)機械常常對靜差率 和調(diào)速范圍有一定的要求，而且擾動也是多樣和隨機的，所以并不能實現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)速，因此開環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用受到一定的限制。根據(jù)反饋控制的原理，要想控制哪個量，就必須引入這個量的負(fù)反饋。 3) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 采用 PI 調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可以保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差。例如，快速起、制動和正反向運行的系統(tǒng)。 通過以上的介紹可知開環(huán)控制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、成本低廉，但其靜差中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 4 頁 共 45 頁 率和調(diào)速范圍有限；單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差，但其動態(tài)性能不好；雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以應(yīng)用于快速起、制動和正反向運行的系統(tǒng)，應(yīng)用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能。速度閉環(huán)和電流閉環(huán)同時存在的優(yōu)點在于：由于可控硅的快速性能，借助 PI 調(diào)節(jié)器能使電流小閉環(huán)獲得幾個毫秒的快速調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)電流小閉環(huán)的最佳化。該系統(tǒng)能以非?？斓捻憫?yīng)速度和非常高的精度穩(wěn)定運行于給定值，而幾乎與負(fù)載及電網(wǎng)的變化無關(guān) [4]。圖示為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)的邏輯無環(huán) 流系統(tǒng)。 單相可控硅整流電路 單相橋式半控整流電路如圖 所示。在應(yīng)用中會影響三相電網(wǎng)平衡運行，一般多用在 10KW 以下的拖動系統(tǒng)。 三相半波整流電路用的可控硅數(shù)量比三相橋式整流電路少，可控硅控制柜少，投資比三相橋式少。此外，整流變壓器有直流分量磁勢，利用率低。 圖 三相半波整流電路及電壓輸出波形 三相橋式整流電路 三相橋式整流電路如圖 所示。整流變壓器沒有直流分量磁勢，利用率高，這種整流電路的滯后時間為 毫秒，中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 6 頁 共 45 頁 為三相半波整流電路的一半。這種整流電路用的可控硅數(shù)量為三相半波電路的兩倍，控制柜也比三相半波電路多。 此外還有六相整流電路，十二相整流電路等等，它們的技術(shù)性能比三相橋式整流電路好，但它們用的可控硅數(shù)量多，投資也多，經(jīng)濟性差。所以本設(shè)計確定采用三相橋式反并聯(lián)可逆整流電路，如圖 所示。當(dāng)正組工作時，電動機正轉(zhuǎn)，同理反組工作時，帶動電機反轉(zhuǎn) [6]。 整流變 壓器的計算 整流變壓器的作用是給可控硅整流裝置提供所需電源電壓，如圖 所示，同時將整流裝置和交流電源隔離，增加安全性。 整流變壓器接線方式 整流變壓器接線，變壓器采用 △ / oY 11 接線方式。這個電勢有時將超過正常值的 50%，對變壓器絕緣不利。 整流變壓器副級電壓 2u 的計算 采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，為了保證調(diào)節(jié)器的正常工作，計算變壓器副級電壓時必須考慮到負(fù)載電流波動所附加的電壓降、電網(wǎng)電壓波動和移相角的變化等等的影響。 取 D? =； P? =； ? =； %kU =5； maxdedII =2； 2? =30176。 將上述數(shù)據(jù)代入公式得出： 222 0 [ 1 2 ( 0. 08 0. 04 ) 0. 08 ] 2 152. 34 ( 0. 95 c os 30 0. 5 2)100141uV? ? ? ? ? ??? ? ?? 整流變壓器副級電流計算 三相全控橋式整流電路整流變壓器副級電壓 2I 與整流電流 dI 之間的關(guān)系式為 : 2 255 208dI I A? ? ? ? 式中 dI 為電動機額定電流。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號， BG2便有基流 ib2流過，經(jīng) BG2放大，其集電極電流 ic2=β2ib2。此時，電流 ic2 再經(jīng) BG1放大，于是 BG1 的集電極電流 ic1=β1ib1=β1β2ib2。由于 BG1 和 BG2 所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(dǎo)通后，即使控制極 G 的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的 [8]。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接著 J3 結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖 的反向特性開始彎曲，如特性中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 11 頁 共 45 頁 OR 段所示，彎曲處的電壓 URO 叫 “反向轉(zhuǎn)折電壓 ”。 圖 陽極加反向電壓 正向特性 ： 當(dāng)控制極開路，陽極上加上正向電壓時（如圖 所示）， J J3 結(jié)正偏，但 J2 結(jié)反偏，這與普通 PN 結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電 壓增加，圖 的特性發(fā)生了彎曲，如特性 OA 段所示，彎曲處的是 UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓。進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與由 P1 區(qū)通過J1 結(jié)注入 N1 區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴與由 N2 區(qū)通過 J3 結(jié)注入 P2 區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在 N1 區(qū)就有電子積累，在 P2 區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使 P2 區(qū)的電位升高， N1 區(qū)的電位下降， J2 結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見圖 的虛線 AB 段。 c) 觸發(fā)導(dǎo)通 在控制極 G 上加入正向電壓時 ,如圖 所示，因 J3 正偏， P2 區(qū)的空穴時入 N2 區(qū)，N2 區(qū)的電子進(jìn)入 P2 區(qū)，形成觸發(fā)電流 IGT。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 12 頁 共 45 頁 圖 陽極和控制極均加正向電壓 選擇可控硅元件的正向、反向峰值電壓： 2( 5 ~ 8 ) ( 5 ~ 8 ) 14 1 70 5 ~ 11 28U U V? ? ? ? 選擇可控硅元件的額定電 流： ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 8 ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 8 25 5 14 1 ~ 18 8TNI I A? ? ? ? ? ? 實選可控硅耐壓： 1200V，額定電流： 200A 平波電抗器計算 平波電抗器在回路中的作用： 1) 主回路電流連續(xù)； 2) 限制直流電流脈動率； 3) 限制直流側(cè)短路電流的上升率 [10]。其計算過程如下： 電動機電樞電感計算： 3310 ( )222021 102 2 430 255NDDN N NuL K m HPnImH??? ? ?? ? ?? 式中 DK 系數(shù)，無補償繞組電機 DK =10。 發(fā)生過電流的原因有：生產(chǎn)機械的過載、整流裝置的直流側(cè)短路、某一元件擊穿引起相鄰元件過流、不正確的啟動和過大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 等 。在上述情況工作的三相異步電動機應(yīng)加入過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，才能保證電動機的運行安全 [11]。因此必須采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。當(dāng)可控硅整流裝置失去控制作用，其電流達(dá)到 NI 時，且多電流時間大于 ～ 1mS 時，自動開關(guān)自動斷開交流電源 [12]。由于可控硅元件的熱容量小，在過流故障狀態(tài)下必須要有快速保護(hù)。由于此種保護(hù)方式會限制發(fā)電機的出力，很少采用。另一種是采用快速熔斷器保護(hù)， 這是通常采用的方式。由于快速熔斷器保護(hù)分?jǐn)嗪笠话銉H有一個元件退出運行，整流橋仍能在缺一波頭的情況下運行，因此，比以前采用的空氣斷路器保護(hù)更有實用價值。電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 15 頁 共 45 頁 外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作等外部原因。 保護(hù)措施：由于操作過電壓都是短時的尖峰電壓，所以通常在變壓器次級并聯(lián)電容，利用電容量短的電壓不能突變的原理，來吸收尖峰過電壓。這種保護(hù)電路稱為阻熔吸收電路，如圖 所示 [13]。我選用的非線性電阻（壓敏電阻）吸收電路。他對浪涌電壓反應(yīng)快，體積小，是一種理想的保護(hù)元件。保護(hù)電路連接方法（交流側(cè)）如圖 所示。 保護(hù)措施：在晶閘管兩端并聯(lián) RC 吸收回路，如圖 所示。而緩沖電路（ Shubber Circuit）又稱為吸收電路。 保護(hù)措施：緩沖電路的作 用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、 du /dt 或者過電流和 di /dt ，減小器件開關(guān)損耗。本設(shè)計采用關(guān)斷緩沖電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓；又能抑制換向過電壓，抑制 du /dt ，減小關(guān)斷損耗。如圖 所示。 電流閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 ①②R9R3RfRfR0R0R0R0R7R6CfC?C A PCfC1R5R8R 1 0R 1 1R1R2B G 2B G 1D2D1D3D4R4W+ 1 5 VU s c 1 5 V 圖 電流調(diào)節(jié)器 由 8FC2 組件構(gòu)成的調(diào)節(jié)器的接線圖，如圖 所示。由于 8FC2 的輸入阻抗 ≥150 千歐，故選擇調(diào)節(jié)器的輸入電阻 20oRK? ，圖中 1D 、 2D 為輸入保護(hù)二極管。為提