二十四寸圆盘拉伸机直流调速系统的设计课程设计(编辑修改稿)

二十四寸圆盘拉伸机直流调速系统的设计课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

主要用来加工各种型号的铜、铝毛细管的专用生产机械，它由放线机、模具、拉伸机、夹钳臂、剪线钳、靠轮及收线机等组成。 拉伸机机械系统的大体轮廓，其中放线机、拉伸机及收线机分别用三台直流电机来驱动，而靠轮。 夹钳臂及剪线钳由气动阀来控制。 课程设计说明书 11 (一 ) 生产过程及对电气控制系统的要求 生产过程： 收、放线筐复位 拉伸机定位 夹钳臂打开至对准模具口 夹钳臂夹紧 拉 、收、放机合闸 低速拉伸 模座上升到位 靠轮拉紧 延时剪断管头 高速拉伸 完毕、靠轮松 停机、准备下一个生循环，拉伸毛细管内径 ~ 对电气控制的系统要求 （ 1）拉伸机定位要准确，系统的制动性能好； （ 2）拉、收、放电机的线速度要严格保持协调，自动跟踪拉伸机速度，系统快速性好。 （ 3）靠轮靠紧的拉伸机圆盘后、剪线钳才剪断线头，以保证顺利拉伸； （ 4）具有完善的连锁及保护功能； （ 5）有自动 /手动切换功能 设计要求 设计要求 :只设计圆盘拉伸机控制系统。 技术指标：稳态无静差，电流超调量 ，空载启动至额定转速时的转速超调量 直 流 电 动 机 参 数 ： ， ，, , ，电枢回路总电阻 R= ，电流过载倍数 λ= ， 课程设计说明书 12 2. 调速的方案选择 直流电机调速的基本方法 直流电机电枢回路的平衡方程为： 电枢反电动势为： 由此可得转速特性方程为： 有转速特性方程可以看出，调节直流电动机的转速有如下三种方法： [1] 1. 调节电枢电压调速 2. 改变电动机励磁调速 3. 改变电枢回路电阻调速 对于要求在一定速度范围内实现无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。 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， 为满足设计要求，采用 变 电压调速。 可控直流电源的选择 实现直流调压调速，首先要有一个平滑可调的直流电源。 常用的可调直流电源有一下三种： [2] 1) 旋转变流机组。 用交流电动机和直流发电机构成机组，以获得可调的直流电源。 2) 相控整流器。 用静止的相控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。 课程设计说明书 13 3) 直流斩波或脉宽调制变换器。 用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。 旋转变流机组由于至少包含两台与调速电机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因而设备多，体积庞大，日常运行和维护的费用高，至今只在少数尚未进行设备更新的工厂采用；脉宽调制变换器虽然可以得到脉动很小的直流电流，减少电机的损耗和发热，但由于受到整流 器件容量的限制目前只用于较小功率的调速系统。 在电力拖动系统中，主要用晶闸管整流元件组成整流电源，而晶闸管直流电机系统是在各种工业场合应用极为广泛的一种电力拖动系统。 晶闸管三相全控桥式整流电路原理图如下： [3] 图 三相全控桥式整流电路原理图 三相可控整流电路的类型有很多，包括三相半波、三相半控桥式、三相全控桥式等。 其中三相全控桥式整流电路输出电压波形的脉动最小，并且可用于容量较大的直流电机。 因此，为满足性能要求，采用三相全桥整流电路供电。 系统结构的选择 开环 VM 系统 由晶闸管相控整流器直接给直流电机供电的调速为开环 VM系统，系统原理框图如下： 课程设计说明书 14 图 开环 VM系统原理框图 电动机 M 是被控对象，转速 n是被调量，晶闸管相控整流器采用三相全桥整流电路，通过调节触发器 GT 的移相电压，便可改变整流电压 Ud，实现平滑调速。 电流连续时，开环系统机械特性为 :[2] 当电动机加负载时，电枢回路就产生相应的电流 Id，此时即产生的转速降。 越小，机械特性的硬度越大。 系统开环运行时， 完全取决于电枢回路总电阻 R 及所加负载的大小。 因此，从整体来看，开环 VM系统的机械特性是很软的，满足不了设计要求，需要设置反馈环节，以改善系统的机械特性。 单闭环转速负反馈直流调速系统 单闭环 转速负反馈直流 调速系统是一种最基本的反馈控制系统，其系统框图如下： 课程设计说明书 15 图 单闭环转速负反馈直流调速系统原理框图 该系统的控制对象为直流电机 M，被调量是转速 n。 测速发电机 TG 引出与转速成正比的负反馈电压 Un， Un与转速给定电压 Un*比较后送给转速调节器 ASR， ASR输出移相控制电压 Uct送给晶闸管触发器 GT，用以调节晶闸管整流输出电压 Ud,从而控制电动机的转速。 单闭环 转速负反馈直流 调速系统 的静特性方程为： [2] 通过比较闭环系统静特性与开环系统机械特性，可以得出以下结论： 1) 闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多 2) 闭环系统静差率比开环系统小得多 3) 当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高 因此， 单闭环 转速负反馈直流 调速系统 可以达到较好的稳态性能指标，但其跟随性能和抗扰性能一般难以达到设计要求。 转速电流双闭环直流调速系统 为了能够获得更好的跟随性能 ， 提高生产率，充分利用晶闸管器件及电动机的过载能力，要求设计实现近似于理想的起动。 理想启动的过程如下图： 课程设计说明书 16 图 调速系统理想启动的电流和转速波形 理想起动就是在整个过程中，起动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩起动，转速迅速以直线规律上升，以缩短起动时间；起动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。 为了实现近似于理想的起动，我们 考虑在转速单闭环的基础上引入电流负反馈。 转速电流双闭环直流调速系统 原理框图如下： 图 转速电流双闭环直流调速系统原理框图 该系统为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统中设置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR。 ACR 和电流检测 反馈回路构成了电流环， ASR 和转速检测 反馈环节构成了转速环。 在电路中， ASR 和 ACR 串联，即把 ASR 的输出作为 ACR 的输入，再由 ACR 的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。 ASR 和 ACR 均为 PI 调节器，以实现快速的响应和稳态时的无静差。 其输入 /输出设有限幅电路。 ACR 输出限幅值限制了晶闸管整流器输出电压 Udm， ASR 输出限幅值决定了主电路中的最大允许电流 Idm。 课程设计说明书 17 图 实际起动转速和电流的波形 从图 起动转速和电流的波形可以看出，在启动时，突加阶跃给定信号 Un*，由于机械惯性，转速很小，转速偏差电压 很大， ASR 饱和，输出为限幅值 Uim*且不变，转速环相当于开环。 在此情况下，电流负反馈环起恒流调节作用，使转速线性上升。 当转速达到给定值且略有超调时，转速环的输入信号变极性， ASR 退饱和，转速负反馈环起调节作用，使转速保持恒定。 图 转速电流双闭环直流调速系统动态结构框图 除了跟随性能以外，双闭环调速系统的抗扰性能得到了很大的提高。 从图 双闭环调速系统动态结构框图可以看出，负载扰动是在电流环之后， 因此只能靠课程设计说明书 18 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。 [1] 综上所述，双闭环系统 具有良好的动态性能和静态特性 ，因此，为了满足设计要求，最终选用 转速电流双闭环直流调速系统。 3 主电路的设计与计算 主电路的设计 图 主电路 原理图 如图 所示，来自系统母线的三相交流电经空气开关通过整流变压器向晶闸管供电，为了减少高次谐波对电网的不良影响，变压器采用 Δ /Y 接法，整流主回路采用两组三相全控桥式整流器反并联组成的可逆电路。 快速熔断器可以对交流侧和直流侧进行过电流保护，并采用阻容吸收电路对交流侧和晶闸管进行过电压保护，电抗器可以起到保证电流连续、限制电流脉动、限制环流的作用。 整流变压器的计算 1) 变压器二次侧电压 U2 的计算 [2] 2U 是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。 选择过大又会造成延迟角 α 加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成课程设计说明书 19 本。 要比较精确地计算二次相电压必须考虑以下因素： 最小控制角 min。 在一般可逆传动系统的 min 取 30176。 35176。 的范围。 电网电压波动。 根据规定电网允许波动 5%10%考虑在电网电压最低时要求能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数 。 变压器漏抗产生的换相压降： 2222L d sh dr em X I m U U IU I  晶闸管或整流二极管的正向导通压降 1U。 考虑了以上因素后，变压器二次电压的计算公式为：  m a x2 m i n 2 2c o s /d s h NU n UU A C U I I         式中， maxdU —整流电路输出电压最大值； U —为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降； A—理想情况 0  时整流电压 0dU 与二次电压 2U 之比，即 02dA U U ，三相全控桥 A 为 ； C—线路接线方式系数，三相桥式整流 C为 ； shU —变压器短路电压比， 10100KVA。