运动控制课程设计电力拖动自动控制系统.doc

前 言本次的课程设计为时两周，是对本学期所学的电力拖动自动控制系统运动控制系统进行一次全面的总结，是从理论到实际的升华，也是毕业设计前的一次重要练兵。课程设计的内容是三机架冷连轧机直流调速系统的设计，此说明书是根据三机架冷连轧机可逆调速系统编写的。冷连轧机是供冷轧铝板带、铜板带等带材之用，在工业现代化进程中，钢铁工业一直是基础产业，地位重要，而冷板带的生产又是钢铁工业发展中的重要方向之一。冷连轧机即生产板带的生产设备，其性能的好坏直接决定板带的质量，进而影响我国工业化 ，所以冷连轧机的发展十分重要。冷连轧机控制系统的核心就是电机的控制，可将其视为一个复杂的电力拖动系统。目前在许多需要调速或快速正反转的电力拖动领域中广泛应用的是直流调速设计方法，直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围内平滑调速，其优点是简单方便，但设计的系统性能指标是相同的，实际系统所要求的指标往往是不同的，所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上，再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化趋势，那么在实际系统的设计和调速时就可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动系统包括调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。随着科技的发展，直流调速系统的控制方法不断创新，控制性能不断提高。直流双闭环调速系统可谓直流调速经典方法，具有很好的控制性能，其实现方式也扩展到了全数字式。本次设计采用的是全模拟器件搭建的电路，设计较为复杂，但物理意义较强，有利于我们对运动控制系统的深入理解。由于本人学识有限，有错误或不当之处，请指出并批评。 设计者：任甜 2010年1月第一章 绪论1.1 课程设计的背景、目的和要求 1.1.1设计的背景三机架冷连轧机是供冷轧紫铜及其合金条材之用，为了提高其生产效率，冷连轧机将带材原料经过一个次轧制过程轧成所需厚度、平整度和表面光洁度的冷轧带卷。在冷轧铜板带的控制系统中，为了保证产品质量和工艺过程的稳定，冷连轧机的轧制速度需要进行严格的控制，冷连轧机的轧制速度一般指轧件出口处的速度，三机架冷连轧机布置图如图1.1，在本设计中指3#主工作架工作辊出口处的速度，轧制速度作为轧机的一项重要工艺指标，与连轧机本身的结构、生产能力、轧件的工艺特性以及轧制时的操作条件都有很大的关系。为了控制连轧机的轧制速度，要求冷连轧机左边的开卷机工作在发电状态，最右边的卷取机工作在电动状态。 图1.1 三机架冷连轧机布置图 1.1.2 设计目的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以及解决运动控制系统设计问题，使学生建立正确的设计思路，掌握工程设计的一般程序、规范和方法，提高学生调查研究、查阅文献及正确使用技术资料、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。 1.1.3 设计要求 1)三台主工作机架的主电动机参数要求均一样，只设计一台控制系统就行。 2)设计指标：稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的速度超调量。 1.1.4 直流电动机参数： ，允许电流过载倍数。1.2 冷连轧机简介及其工艺流程 1.2.1 冷连轧机的简介轧制方式主要有可逆式轧制方式和连续式轧制方式，小规模的冷轧厂，应首先选择可逆式轧制方式。如果可逆式轧制方式不能覆盖设计产量的话，那就应该考虑选择连续式轧制方式。特别是对于年生产规模大于80万吨，产品品种和规格并不是很复杂时，则优先考虑多机架的连轧方式。连续式轧制的主体设备是连轧机，由多个机架组成，三个到六个机架不等，视带钢最终厚度、带钢总压下量要求而定（在本次设计中机架数已规定为3个）。冷连轧机一般选用4辊或6辊机型。对于那些难轧制的金属，如果选用直径较大的4辊轧机，由于所需的轧制力大，轧制将变得十分困难，甚至不可能获得最终厚度。减小工作辊直径，也就是减小了轧辊与带钢的接触弧长度，降低单位宽度轧制力，是解决这个问题的有效途径，因此，带钢的材料特性决定了选用何种机型。一般说来，在普通4辊轧机或6辊轧机中，考虑到轧辊允许的挤压应力以及工作辊水平稳定问题，4辊轧机支撑辊与工作辊直径比在2.52.8范围内，6辊轧机支撑辊直径与工作辊直径比可大些，在3.33.7范围。在本次设计中我们采用4辊轧机机型。连续式轧制最大的特点是产量高，年轧制量一般在80250万吨，甚至还可以更高。连续式轧制是一种高效率的生产方式，轧制速度比可逆式要高，目前最高轧制速度已达到2500m/min水平，可逆式轧制速度一般在1400m/min以下。成材率高是连续轧制的另一特点。由于连续轧制避免了一卷带钢反复开卷和卷取，大大地降低了带钢表面被擦伤划伤的可能性。如果带钢最终表面要求有一定粗糙度时，在可逆式轧制时最后道次必须更换上经毛化的工作辊，而连续轧制就很容易实现，只要在最末机架使用毛化工作辊即可。大多数的宽带钢冷连轧机的设计最薄可轧厚度都在0.25mm以上，但出于提高机组生产效率的考虑，实际上生产的厚度往往在0.3mm以上，因为带钢厚度越薄，可轧的宽度就越窄。在本设计中，来料厚度为2.56.0mm，成品厚度为1.02.5mm，根据上述的经验值，完全是可实现的。 1.2.2 工艺流程 钢卷由吊车放至步进梁，步进梁传送，将钢卷送至钢卷小车，由钢卷小车将其运至开卷机，开卷后经矫头机矫直带头，送至双切剪（用于切头、切尾），经过焊机将之与前一卷带钢的带尾焊接，进入入口活套，然后经过拉伸矫直（使表面的氧化皮易于剥落），进入酸洗槽，去除钢材表面的氧化铁皮，进入中间活套，进入中间活套，经开槽机，圆盘剪进行切边，然后进入出口活套及三机架冷轧机，经飞剪，去卷取机。在出口步进梁上进行称重、打捆、入库堆放。 综上，可将上述的工艺流程简要概括为以下所示： 板材加热 酸洗 三机架冷连轧机 退火 平整机 成卷。1.3 三机架冷连轧机生产工艺对电力拖动的要求及其控制原理 1.3.1 生产工艺对电力拖动的要求 1)起动到给料速度 到规定速度 制动到给料速度 停止。 2)机架速度自动保持不变，机架间张力自动保持不变。 3)各机架可单独起、制动和联合起制动。 4)可以用任何轧制速度，知道电动机的极限值。 5)连轧机除正常停机外，还应有快速停车。 6)在连轧过程中或在过渡过程中，卷取机和第三机架的条材的张力应自动保持不变。 7)当断带时，能自动限制卷取机的速度。 8)轧机因事故停止时，卷取机也应停止。 1.3.2 三机架冷连轧机的控制三机架轧机主要由以下几个部分构成：开卷箱、1-3#冷轧机和卷取机等主要机械设备。三机架的工作过程为：1-3#冷轧机的主驱动电机牵引带钢从辊缝中穿过，通过下压电机或液压系统对辊系产生压力，从而使带钢产生形变，使出口的带钢变薄，左边开卷机的放卷电机和右边卷取机的收卷电机产生足够的延伸应力（张力）以绷紧钢带。系统启动后，收放卷电机以设定的张力在主驱动电机的带动下运动，为了不使钢带“松弛”或“拉断”，必须确保系统每一点钢带的线速度（秒流量）都相等，即张力恒定。由上述可知，要对冷轧机进行控制，除了要对其各电机进行调速外，还要在冷轧带钢控制系统中，为保证产品质量和工艺过程稳定，无论是冷连轧机还是可逆轧机均需恒张力轧制。在可逆轧机张力控制系统中，开卷机、卷取机张力控制精度直接影响成品的板形及厚度公差。因此，生产线最突出的问题是轧制过程中要求开卷、卷取控制系统不仅在稳速轧制过程中维持张力恒定，而且在加速度动态过程中也要保持张力恒定，要求系统能准确地补偿加、减速等因素引起的动态力矩。按照不同的工艺要求，较典型的张力控制方法有间接张力控制和直接张力控制。本次设计中采用间接张力控制这种方法。1.4 说明书的构成考虑到说明书的完整性和工程应用价值，整个说明书分为七大部分，分别是:绪论，对三机架冷连轧机进行一个全面的概述；调速方案的选择，对比多种直流电机的调速系统，以选择最佳方案；系统是对原理的设计；参数的整定，主要是电流环和转速环的设计；恒张力控制；系统的调试，针对逻辑无环流调速系统进行完整的调试；结束语，总结设计的收获。 说明书所写内容都是理论与实际紧密结合的，并通过了实验的论证，写说明书的目的在于通过报告的内容便可设计出实际的直流可逆的调速系统。第二章 调速方案的选择 冷连轧机是冶金行业控制系统中最复杂、自动化程度最高、精度要求最严 的装备之一。而直流传动系统是高水平现代化连轧机的核心，是保证连轧机可靠运行、高效优质生产的关键，因此，对直流调速系统的选择显得尤为重要。2.1 概述直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：式中：n转速（r/min）； U电枢电压（V）； I电枢电流（A）； R电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； Ke由电机结构决定的电动势常数；在上式中，Ke是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法： 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R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。2.2 可控直流电源选择 调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有： 1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还需要一台励磁发电机，因此设备多、体积大、费用高、效率低。 2)静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。如晶闸管电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的WardLeonard系统），克服了旋转变流机组的许多缺点还大大缩短了响应时间。但由于晶闸管的单向导电性，在可逆系统中须采用两组晶闸管，且晶闸管整流造成的谐波和无功功率造成“电力公害”。 3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。方案选择： 由第一章分析可看出，系统的功率较大，对于较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管电动机系统，因而以下中采用VM系统进行设计。2.3 直流电机调速方法 从调速方案来说，主要分开环调速系统，带转速负反馈的闭环调速系统和转速电流双闭环调速系统三大类。以下进行这三大类调速控制方案比较。 2.3.1 开环直流调速系统 图2.1 开环直流调速系统原理图 如图2.1所示是开环直流调速系统，调节给定电压从而调节出发脉冲的相位，即可改变平均直流整流电压，从而实现平滑调速。它的稳态机构框图如图2.2所示，系统的机械特性：图2.2 开环直流调速系统稳态结构框图如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件的加工精度和加工后的表面洁净度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大。对于连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等才不至于造成钢材拱起或拉断。在这种情况下，开环调速系统往往不能满足要求。 2.3.2 带转速负反馈的闭环直流调速系统与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压，用以控制电动机的转速。这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统，其原理框图如图2.3所示。图2.3 转速负反馈直流调速系统原理图 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统会大大减少闭环转速降落。其稳态结构框图如2.4所示：图2.4 转速负反馈直流调速系统稳态结构图 转速负反馈闭环直流调速系统的机械特性方程式为： ，其中 相比于开环直流调速系统，转速负反馈闭环直流调速系统：1)闭环系统静特性比开环系统硬得多；2)闭环系统的静差率要比开环系统小得多；3)如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围；4)若采用PI调节器可以实现无静差。 闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它大的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。 直流电动机启动时，如果没有限制措施，会产生很大的冲击电流，另外电动机在发生堵转时也会产生很大的堵转电流。为了解决反馈闭环系统启动和堵转时电流过大的问题，系统中必须增设自动限制电枢电流环节，因此引入电流截止负反馈。 图2.5 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构框图如图2-5所示。它的静特性分为两段，当时，电流截止负反馈环节不起作用，静特性与只有转速负反馈系统的相同。当后，引入了电流截止负反馈，静特性变为：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个电阻，因而稳态速降极大。当时，电机堵转。 2.3.3 转速、电流双闭环直流调速系统如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求，这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。虽然引入电流截止负反馈，但它只能在超过临界值，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能获得理想地控制电流的动态波形。其启动电流和转速波形如图2.6（a）所示。理想的快速启动启动过程电流和转速波形如图2.6（b）所示。有此可见，系统中必须要同时控制电流和转速，且在启动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速负反馈。 （a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程 （b）理想地快速启动过程 图2-6 直流调速系统启动过程的电流和转速波形为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者采用串级控制，其原理图如图2-7所示。图2-7 转速、电流双闭环直流调速系统 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器为了获得良好的动静态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，成为内环；转速环在外面，成为外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。根据原理图可画出系统的稳态结构框图如2-8所示。 图2-8 双闭环调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 ASR和ACR均采用PI调节器，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI的作用是使输入偏差电压在稳态时总为零。 静特性： 其静特性如见2-9。 在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。转速调节器不饱和：CA段静特性从理想空载状态的=0一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。转速调节器ASR饱和：这时ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调节系统。图2-9 双闭环直流调速系统的静特性 、双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用；、当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，得到过电流保护。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。 图2-10 双闭环直流调速系统的动态结构图动态特性： 、双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制：根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2） 转速超调：由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3） 准时间最优控制：起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。、动态抗扰性能 对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。对于电网电压扰动，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。方案选择：综合以上静态性能、动态起动过程和动态抗扰性能分析，结合设计目标中对转速和电流及起动过程的要求，要实现高性能，须采用转速、电流双闭环直流调速系统。 2.4 可逆运行控制方式选择由于晶闸管为不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。结合连轧机应能快速停车的设计要求，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。 VM系统，需要可逆运行时，经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。如图2-11所示。图2-11 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路、有环流控制的可逆VM系统 采用两组晶闸管反并联的可逆VM系统解决了电机的正、反转运行问题，但是如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。因此采用控制消除直流平均环流，串入电抗器来抑制瞬时脉动环流。、无环流控制的可逆VM系统 有逻辑无环流系统和错位无环流系统，既无直流平均环流又没有瞬时脉动环流。当一组晶闸管工作时，用逻辑电路去封锁另一组晶闸管的出发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑无环流系统。方案选择： 有环流控制系统优点：正向制动和反转启动的过程完全衔接，没有间断或死区，适用于要求快速正、反转的系统。缺点：需要添置环流电抗器（4个），且晶闸管灯器件都要负担负载电流加上环流。无环流系统优点：无环流（包括直流平均环流和瞬时脉动环流），适用于大容量系统。缺点：存在死区，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求高时不适用。 综合设计要求，采用逻辑无环流方式。2.5 系统实现方式选择 双闭环直流调速系统实现方式可分为三种：模拟式、数字式、模数混合式。2.5.1 模拟式双闭环直流调速系统 图2-12 模拟式双闭环直流调速系统电路图特点：所有的调节器均用运算放大器实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，但其控制规律体现在硬件电路和所用器件上，因而线路复杂、通用性差、控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。 2.5.2 数字式双闭环直流调速系统以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。总之，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。图2-13 数字式双闭环直流调速系统在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能 ，即为计算机控制系统。系统的特点：、双闭环系统结构，采用微机控制；、全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；、采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。2.5.3 模数混合控制系统图2-14 模数混合控制系统 数模混合控制系统特点：、转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；、电流调节器采用数字调节器；、脉冲触发装置则采用模拟电路。方案选择：采用模拟式实现方式物理概念清晰，因而在此次设计中选用此方式。第三章 调速系统结构的设计3.1 系统总体概述根据三机架冷连轧机直流调速系统设计的要求，采用如下设计方案。系统原理图如图3.1.1所示。采用晶闸管电动机调速系统，即V-M系统本设计中采用V-M系统，V是晶闸管可控整流器，它可以是单相、三相或多相的，半波、全波，及半控、全控等类型，通过调节器触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。即采用调压调速的方式，以实现无极基速以下调速。晶闸管电动机调速系统是在控制作用时间毫秒级的，完全满足系统动态性能要求；而且其技术较成熟，成套设备多，成本较低，设计使用相对容易。详细设计如下。3.2 主电路设计主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证连轧机的快速停车功能，必须将整个系统设计成可逆的调速系统，常常采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。其实现方式如图3.2.1所示。图3.2.1 主电路框图对于系统的供电，可将无穷大电网电压经三相变压器变为220V，再通过一系列熔断器等保护措施，输入给桥式整流电路，进而给直流电机和其他装置供电。变压器绕组采用/Y接发，具体方法见主电路变压器的参数计算。主电路的保护措施尤为重要，设计多重保护电路成为必要。电路如图3.2.2所示。图3.2.2 系统供电框图在起动开关电路里面设置自锁回路和快速熔断器，在控制电路中发现电流过大，这可使主电路常闭开关KM跳开而保护整个系统，当KM跳开失败后，由于电流过大，一段时间后快速熔断器受热而熔断使得电路跳开，从而避免烧坏电机等设备。上面框图中起动开关KM部分电路图如图3.2.3所示。图3.2.3 起动开关电路图3.2.1 整流变压器的选择1、 阀侧相电压变流变压器是直流调速系统中一种关键设备，其阀侧相电压选择的是否适合又是一个影响系统性能的重要因素。电压选的过高，将会使变压器的容量不必要的加大而造成浪费，还会增加运行中的无功功率，增加电网负担。但若电压选的过低，将影响系统的工作性能或使电动机的最高转速达不到设计的要求。通常在计算时主要考虑以下三个因素：（1） 电网电压的波动。一般要按规定允许的最低电网电压来考虑；（2） 电流变化时产生的压降。一般，要按最大工作电流来考虑；（3） 为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须合理选择最小逆变角，形成最小逆变角保护；与此同时，对角也实施保护，以免出现<而产生直流平均环流（在后面的逻辑无环流将详细介绍）。通常取=30°，其值视晶闸管器件的阻断时间而定。当采用三相桥式整流电路并将系统设计为可逆调速系统时，一般可按下述公式来估算：不可逆调速系统： （3-1）可逆调速系统： （3-2）式中，为电动机额定电压则取=480V2、 阀侧相电流交流变压器阀侧相电流可按下式计算其中=0.816（三相桥式）则=0.816×780=636.48A 由于是三相桥式整流，电路中二次侧没有直流分量，所以一次侧与二次侧的功率可认为相同，不需要对变压器的容量进行扩大，变压器的利用率在此种情况下比较的高。变压器容量：取S=1000KV·A3.2.2 整流电路晶闸管的选择1、重复峰值电压和反向重复峰值电压断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压，国际规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态峰值电压是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值作为该器件的额定电压，选用时，额定电压要有一定裕量。一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。 由于采用三相桥式整流电路，所以晶闸管承受的最大反向电压： 晶闸管承受的最大正向电压： 则考虑安全裕量，电压定额为：（23）=1357.62036.4V取晶闸管的电压为2000V。2、额定通态平均电流国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40摄氏度和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这个参数是按照正向电流造成的器件本身的通态 的发热效应来定义的，因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并留有一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。对于三相桥式整流电路，流过晶闸管的电流有效值为：当整流电路的电感足够大，整流电流连续时，对三相桥式整流电路，晶闸管额定电路为： 再考虑安全裕量，其定额为：取550A。3.2.3 整流晶闸管的保护一、 过电压保护过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要分为操作过电压和雷击过电压；对于晶闸管的而言，内因过电压主要指换相过电压。抑制过电压的措施主要有1、在电网侧安装避雷器；2、变压器上增加静电屏蔽层；3、装设抑制阀侧浪涌过电压的RC电路；4、装设压敏电阻过电压抑制器；5、装设阀器件换相过电压抑制用的RC电路；6、装设阀器件关断过电压抑制用的RCD电路等。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称为阀侧），或电力电子电路的直流侧。对大容量的电力电子装置，可采用反向阻断式RC电路。二、过电流保护过电流分为过载和短路两种情况，采用快速熔断器和过电流继电器是较常用的措施。快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑“1、 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定；2、 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连结形式确定。3、 快熔的值应小于被保护器件的允许值。4、 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。根据上述的规则，计算桥臂快熔的额定电流为：同时 所以选择的桥臂快熔的型号为：RT0-600（熔体的额定电流是500A）.一、 缓冲电路缓冲电路又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、或者过电流和，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制，减小关断损耗。开通缓冲电路又称为抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称其为复合缓冲电路。还可以用另外的分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则称其为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则称其为馈能式缓冲电路，或成为无损吸收电路。3.2.4 电流互感器的选择由于交流变压器电流为636.48A，所选LQJ-10-0.5型，额定电流选择800A，做计量保护用。3.2.5 电流互感器的选择平波电抗器的选择由于本次设计中采用的是三相桥式电路所以要求电流连续时电感最小为：其中为电动机额定电流的5%10%则：取。平波电抗器电阻为=。3.3 系统其他功能单元分析3.3.1 整流变压器的选择给定单元GJGJ给定单元由模拟电路组成，包含三级放大器，第一级为高倍放大器，第二级为积分器，经过RC积分输出电压变为斜坡信号，且为负相，与给定方向相反。积分变化率通过调节电位器RP来改变，积分快慢通过调节RC来控制，最后一级为反相器。3.3.2 无环流逻辑控制环节DLC 无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，它的任务是：当需要切换到正组晶闸管VF工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组VR工作时，封锁正组而开放反组。1、 输入信号的选择转矩鉴别信号选择ASR的输出信号作为转矩鉴别信号，反转运行和正传制动都需要电机产生负的转矩；反之，正转运行和反转制动都需要电机产生的正的转矩，的极性恰好反映了电机电磁转矩方向的变化。零电流检测信号极性的变化知识逻辑切换的必要条件，还不是充分的条件。从有环流可逆系统制动过程的分析中可以看出这个问题，例如当正向制动开始时，的极性由负变正，但当实际电流方向未变以前，仍须保持正组开放，以便进行本组逆变，只有在实际电流降到零的时候，才应该给DLC发出命令，封锁正组，开放反组，转入反组制动。因此，在改变极性以后，还需要等到电流正真到零时，再发出“零电流检测”信号，才能发出正、反组切换的指令，这就是逻辑控制环节的第二个输入信号。2、 输出信号无环流逻辑控制环节DLC的输出信号用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。在任何情况下，两个信号必须是相反的，均不允许两组晶闸管同时开放脉冲，以确保主电路没有出现环流的可能。3.3.3 零电流检测单元DPT和转矩极性单元DPZ转矩极性检测单元的零电流检测单元在结构和实现电路方面完全相同，都是一个滞回比较器，但由于其功能不同：零转矩检测单元是检测转矩正负极性，零电流检测单元检测电流是否为零，所以具体的参数不同，特性曲线也就不同。3.3.4 零速封锁单元DZS当给定信号为零时，电动机应不动，然而，由于各调节器存在零点漂移将导致电动机爬行。为确保零位时电动机不会爬行，一定要将调节器严格锁零，即通过控制场效应管使调节器的输出和输入之间短接。3.3.5 反号器AR由于电流反馈信号的极性总是为“+”，而且，本系统只采用了一个电流调节器，为保证电流环为电流负反馈环，实现负反馈控制，必须采用一个反号器AR。为此，由无环流逻辑控制单元DLC的两个相反端的和信号分别控制电流的给定信号，以使电流反馈永远是负反馈。3.3.6 电流变化及电流反馈BC由三个同型号（5A/0.3A）的交流电流互感器LH接成星形接法，经三相桥式整流后变成极性不可变的直流电压，并分路送出：1、 过流推信号和过流跳闸控制信号；2、DPZ的零电流输入信号；3、电流反馈信号（或）；其中电磁开关J1为主回路的一级保护开关，当出现过电流时，常闭开关J1得电而跳开主回路，起到保护整个电路的作用。3.3.7 晶闸管触发单元CT和脉冲放大电路MT三相移相触发器 本次设计中采用了TC787A型芯片，它是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能、移相范围宽、外接元件少等优点，而且安装调试简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042）（或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能，然后经脉冲放大和脉冲门MT，去触发三相全控桥晶闸管。三相移相触发器有两路输入信号，一路是三相交流电源，以保主电路的交流电压和触发脉冲保持同步，去正确触发各相晶闸管。另一路是脉冲移动的控制信号，用它来控制触发器脉冲发出的时刻，从而达到控制晶闸管触发角的目的。为了从根本上消除系统的静态环流和动态环流，则必须在任何时刻只允许开放一组晶闸管脉冲，另一组晶闸管脉冲被严格封锁，为达到此目的，电路上设计了两个模拟电子开关脉冲门MT1、MT2。逻辑控制器根据系统的工作情况正确发出指令（或）来接通一脉冲门而同时切断另一脉冲门。第四章 双闭环调速系统的常规工程设计通过第二章的分析可知，直流电机的调速系统选择为双闭环调速系统，由转速环和电流环组成，其中电流环为内环，转速环为外环，结构框图如下：