1957年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡稱可控硅）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時代。到今天，晶閘管－電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在工程中應(yīng)用廣泛，為了使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能必須對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產(chǎn)行業(yè)，為達(dá)到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調(diào)速范圍等要求，又由于交流調(diào)速在當(dāng)時尚未解決好調(diào)速控制問題，調(diào)速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標(biāo)不滿足生產(chǎn)工藝的要求，所以當(dāng)時大量使用的是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，尤其是直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，它具有調(diào)速性能好，范圍寬，動態(tài)性能好等優(yōu)點，特別是設(shè)計簡單方便，雖然隨著控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的的發(fā)展，制造工藝技術(shù)的提高，大量出現(xiàn)交流調(diào)速的傳動系統(tǒng)，但直流傳動所具有的優(yōu)點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調(diào)速。在此本人就飛機生產(chǎn)制造行業(yè)中的對必不可少的四輥壓壓延機主傳動直流電機的調(diào)速，作了以下設(shè)計，以滿足飛機輪胎制造工藝的生產(chǎn)要求。
目錄
1．1 設(shè)計任務(wù)
1．2設(shè)計要求與技術(shù)指標(biāo)
1．3方案比較論證
1．3．1總體方案比較
1．3．2單元方案比較
2．1 主電路工作設(shè)備設(shè)計
2．2主電路保護(hù)設(shè)備
3．1電流調(diào)節(jié)控制器（ACR）設(shè)計
3．2速度調(diào)節(jié)控制器（ASR）設(shè)計
4．1 實驗?zāi)康?/strong>、內(nèi)容、參數(shù)的整定
4．2 實驗數(shù)據(jù)與曲線
4．3 實驗結(jié)論
1.1 設(shè)計任務(wù)
四輥壓延機主傳動直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計
壓延機生產(chǎn)線主要是生產(chǎn)飛機輪胎的生產(chǎn)線，而四輥壓延機又是飛機輪胎生產(chǎn)廠家的最關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備。它運行的質(zhì)量直接影響生產(chǎn)出來的飛機輪胎的質(zhì)量的好壞，也同時直接對對飛機安全性有重大的影響，所以對四輥壓延機的控制是至關(guān)重要的。
1）在壓延前，必須給干燥輥加熱60~80度，給主輥加熱到70度左右（不至于使得橡膠冷卻硬化）。
2）所有直流電機可單動也連動，并要求電樞可逆。
3）聯(lián)動時，前四輥主機與后四輥不允許單動，而前三電機可單獨停（便于簾布的疏化接頭），因有儲布機架，也不影響后面的工作，卷取機也可以單獨停（便于兩臺卷取換卷）
4）兩臺壓延主機必須同時啟動，停車，或者加速，減速，而且它們的技術(shù)指標(biāo)完全相同。
5）前張力區(qū)的張力（最大為1000KG）通過前四輥電動機來控制，后張力區(qū)的張力（最大為1500KG）由后四輥電動機來控制。
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的速度來達(dá)到。例如壓延速度升高，使得前張力升高，通過控制器使前四輥電動機升速，使前張力維持不變。同理后張力減少了，使后四輥電動機升速，使得后張力維持不變。從而聯(lián)動時使主機的前后張力基本維持不變下，速度也達(dá)到協(xié)調(diào)。
四輥壓延機主傳動機1，2其電動機參數(shù)完全一致，要求相同只設(shè)計其中一個即可，穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量δi﹪<=5﹪, 空載啟動至額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn﹪<=10﹪ ，且啟動時盡量避免電流的過大沖擊。
電機有關(guān)參數(shù)：
1．3 方案比較論證
1.3.1總體方案論證
對于直流電動機調(diào)速的方法有很多，而且各有它自己的優(yōu)點和不足。各種調(diào)速方法大致如下：
（1）.弱磁調(diào)速 通過改變勵磁線圈中的電壓Uf，使磁通量改變（Uf增大，磁通量增大；反之亦然）。
特點：保持電源電壓為恒定額定值，通過調(diào)節(jié)電動機的勵磁回路的勵磁能力，改變電動機的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法屬于基速以上的恒功率調(diào)速方法。在電流較小的勵磁回路內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此控制方便，功率損耗小，用于調(diào)節(jié)勵磁的電阻器功率小，控制方便且容易實現(xiàn)，而且更重要是可以實現(xiàn)無級調(diào)速，但由于電動機的換向能力有限以及機械強度的限制，速度不能調(diào)節(jié)太高，從而電動機的調(diào)速范圍也就受到限制。
（2）.串阻調(diào)速 顧名思義，在回路中串入一電阻（大小根據(jù)實際需要），使電機特性變軟
特點：在保持電源電壓和氣隙磁通為額定值，在電樞中串如不同阻值的電阻時，可以得到不同的人為機械特性曲線，由于機械特性的軟硬度，即斜率不同，在同一負(fù)載下改變不同的電樞電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)速的目的，屬于基速以下的調(diào)速方法。這種方法簡單，容易實現(xiàn)，成本低，但外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗大，低速運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，只能適應(yīng)對調(diào)速要求不高的中小功率電動機。
（3）.調(diào)壓調(diào)速
特點：在保持他勵直流電動機的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻，將電樞兩端的電壓（電源電壓）降低為不同的值時，可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調(diào)速方向是基速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，而且低速運行時的機械特性基本保持不變，所以 得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很寬，而且實現(xiàn)可逆運行。但對于可調(diào)的直流電源成本投資相對其他方法較高。又由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種的直流調(diào)壓方法，大概有以下兩種：
1）使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速
2）使用脈寬調(diào)制晶體管功率放大器
基于以上特點，我們當(dāng)前有3種方法可供選擇。
方案1 弱磁調(diào)速
系統(tǒng)采用弱磁調(diào)速。由弱磁調(diào)速方法的特點可以看出：功率損耗小，特別是用于調(diào)節(jié)勵磁的電阻器功率小，控制方便且容易實現(xiàn)，而且更重要是可以實現(xiàn)無級調(diào)速，為生產(chǎn)節(jié)約了生產(chǎn)成本。這是它的優(yōu)點。但同時要注意到弱磁調(diào)速方法難以實現(xiàn)低速運行，以及可逆運行。只能在基速以上運行，且電動機的換向能力以及機械強度的限制，速度不能調(diào)得太高，這就限制了它的調(diào)速的范圍要求，針對我們要設(shè)計的目標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)，速度要求大約在 750r/min,轉(zhuǎn)速實現(xiàn)可逆，很明顯這種調(diào)速方法難以做到這一點，必須要配合其他的控制方法才能實現(xiàn)，這樣成本將會升高，而且控制將會變得復(fù)雜，失去了弱磁調(diào)速本身所具有的優(yōu)點。
方案2 串阻調(diào)速
系統(tǒng)采用串阻調(diào)速。這種方法最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)原理簡單，控制電路簡單可靠，操作簡便。這種調(diào)速屬于基速以下的調(diào)速方法，可以達(dá)到生產(chǎn)工藝對速度的要求。但它外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗大，低速運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生張力不平穩(wěn)，難以控制，造成經(jīng)常斷帶，嚴(yán)重影響輪胎生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。
方案3 調(diào)壓調(diào)速
系統(tǒng)采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法。這種可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調(diào)速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，而且低速運行時的機械特性基本保持不變，所以 得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很寬，而且實現(xiàn)可逆運行。這種方法完全滿足了飛機輪胎生產(chǎn)工藝的要求，它是基速下，運行平穩(wěn)，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行。
鑒于以上對各種調(diào)速可行性方案的論述，本系統(tǒng)將采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法以滿足生產(chǎn)工藝的要求。
1.3.2.1主電路方案論證：
主電路主要是指電源裝置和執(zhí)行機構(gòu)（直流電動機），由于電動機是我們的控制對象，所以在此就電源裝置進(jìn)行可行性和優(yōu)越性比較論證。
直流電動機的調(diào)壓調(diào)速方法有兩種，具體是：1）使用晶閘管可控整流裝置調(diào)速； 2）使用脈寬調(diào)制晶體管功率放大器，即 PWM 調(diào)壓調(diào)速控制。
方案比較：（1）PWM調(diào)壓調(diào)速
電源裝置采用PWM調(diào)壓，利用的基本思想是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載到具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果相同。即慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)相同。
上圖為PWM可逆電路，正反組分別對電動機供電，實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)運行。首先它需要先將交流轉(zhuǎn)換為直流，再通過H橋式電路直流斬波，調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值。這里同樣需要邏輯控制正反組IBGT的導(dǎo)通與關(guān)斷，以免發(fā)生直流直通短路。這種方法雖然可以實現(xiàn)，但實現(xiàn)相對復(fù)雜，而且制動控制較為復(fù)雜，關(guān)鍵是IGBT容量相對晶閘管容量小，限制了電動機的容量不能做的很大。
（2） 使用晶閘管可控整流裝置調(diào)壓調(diào)速
通過晶閘管的導(dǎo)通角的移相，改變觸發(fā)角，從而改變電壓的導(dǎo)通時間，改變電壓的平均值。電路如下圖所示。
圖 3 晶閘管可控整流裝置電路圖
電路特點：電路直接由交流轉(zhuǎn)換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置是SRC，容量相對IGBT而言，比較大，電動機的容量就可以做的相對較大，可靠性也比較高，技術(shù)成熟等優(yōu)點。設(shè)計的對象電機系統(tǒng)的容量是125KW，可以很好地滿足容量的要求，再次，觸發(fā)電路也比較簡單，有現(xiàn)成的集成觸發(fā)電路，設(shè)計起來相對簡單。不過由于也存在正反組問題，所以也要考慮邏輯控制問題，以免發(fā)生環(huán)路導(dǎo)通短路事故。
綜上所述，綜合考慮比較兩者的優(yōu)缺點，可調(diào)電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調(diào)壓調(diào)速。
對電動機轉(zhuǎn)速的控制調(diào)節(jié)方法有幾種控制策略方法：
（1） 采用單環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上截止負(fù)反饋的方法
（2） 采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法
方案論證：
1）采用單環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋方法，實現(xiàn)比較方便，快捷，成本低，而且系統(tǒng)調(diào)試等很簡單。但我們注意到，生產(chǎn)要求張力有最大的限制，如果采用這種方法，也就是說我們惟有將電流截止的幅值位置頂在張力最大的位置，但在啟動過程中系統(tǒng)是非線性的，而且是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，不能簡單地將最大的張力時的電流值定為電流截止負(fù)反饋的限制值，不僅影響了電動機的啟動時間，而且難以把握電流的動態(tài)過程，容易產(chǎn)生斷帶，張力不均勻等缺點。
2）采用采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法，這種方法雖然初次頭次成本相對而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對生產(chǎn)工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動時的電流的動態(tài)過程，又保證穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定性，在起動過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。
達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用 很好地滿足了生產(chǎn)需要。
由圖4看出系統(tǒng)采用雙環(huán)調(diào)節(jié)的性能優(yōu)于單環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)加上電流截止負(fù)反饋方法，所以我們采用的控制器將選擇為ACR與ASR。外環(huán)為ASR，內(nèi)環(huán)為ACR。
圖 4 啟動時的動態(tài)電流速度波形圖
電機有關(guān)參數(shù)：
，電樞回路總電阻 ，，電流過載倍數(shù)λ=1.5，
變壓器的付邊電壓確定：
因為，
所以可以選擇
變壓器的容量大小計算：
由于電動機電流大小為640A，電流過載是大小為960A，變壓器在電動機過載運行時的電流大小為783A，利用功率守恒定理，
晶閘管參數(shù)計算：
由電機的過載倍數(shù)，我們可以電動機的過載電流，即最大電流：
又由 整流輸出電壓
由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即
晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即
考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為2倍關(guān)系，電流裕量為1.5倍關(guān)系
所以工作的晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：
電樞回路的平波電抗器計算：
電動機在運行時保證電流連續(xù)，取此時的電流為額定電流的5 %~10%。
則電樞需要串入的電樞電抗器大小可以算：
電路中主要的保護(hù)器件是快速熔斷器FU，壓敏電阻過電壓抑制器RV，閥器件換相過電壓抑制用RC電路，直流側(cè)RC抑制電路，閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路等，
圖5 保護(hù)電路
各保護(hù)單元符號解析：
F：避雷針；
D：變壓器靜電屏蔽層；
C：靜電感應(yīng)過電壓抑制電容；
RV：壓敏電阻過電壓抑制器；
RC1：閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路；
RC2：閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路；
RC3：閥器件換相過電壓抑制用RC電路；
RC4：直流側(cè)RC抑制電路。
本系統(tǒng)采用的是2環(huán)的調(diào)速控制系統(tǒng)，針對生產(chǎn)工藝的控制要求：在給定的壓延張力下，進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)，由這里我們可以認(rèn)為張力反饋環(huán)只是一個輔助的反饋環(huán)節(jié)，以供操作人員參考，實質(zhì)起作用的是在啟動電動機時的電流反饋環(huán)，和進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行后的速度反饋環(huán)節(jié)。由這種設(shè)計思想，我們可以進(jìn)行ASR和ACR的設(shè)計。
系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：
我們按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計步驟來設(shè)計：
設(shè)計要求：實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，所以我們采用PI調(diào)節(jié)器，
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
調(diào)節(jié)器的輸出限幅值確定：
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm
本系統(tǒng)：設(shè)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定時的給定為
又由計算電機時間常數(shù)：
算出
計算電磁時間常數(shù)
數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析
圖8 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
技術(shù)指標(biāo)是：
圖9 實際設(shè)計的控制器
設(shè)計的控制器的參數(shù)依據(jù)：
設(shè)計ACR控制器：
圖10 ACR設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖
令
選擇
驗證假定條件：
所以ACR控制器的設(shè)計在理論上滿足了要求。
ASR的設(shè)計：
令
驗證近似條件：
驗證轉(zhuǎn)速超調(diào)量：
圖11 超調(diào)量示意圖
所以設(shè)計的系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝的要求。
4.1實驗?zāi)康�、�?nèi)容、參數(shù)的整定
4.1.1實驗?zāi)康?/strong>：
1）理論聯(lián)系實際，將在理論上設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)在實驗室進(jìn)行調(diào)試，鞏固理論知識，
2）熟悉和掌握邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試的步驟方法，以及參數(shù)的整定與分析。
3）通過實驗，驗證設(shè)計的系統(tǒng)是否符合生產(chǎn)工藝，技術(shù)指標(biāo)的要求，并修改整定參數(shù)，使得系統(tǒng)滿足要求。
4）在調(diào)試系統(tǒng)過程中學(xué)會分析問題，并作出合理的解釋，盡量解決問題。
4.1.2實驗內(nèi)容：
參數(shù)整定：
反復(fù)調(diào)節(jié)過流保護(hù)整定電位器，達(dá)到可靠動作為好。
4．2 實驗數(shù)據(jù)與曲線
經(jīng)過實驗室的調(diào)試，系統(tǒng)最終能較好地運行，從零速開始速度給定，以及突加速度給定信號，系統(tǒng)都能夠正常地起動，升速至給定的速度值。
突加速度給定信號時，電流速度的動態(tài)運行曲線在示波器上看到，而且在未經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，即使從零開始升速啟動時出現(xiàn)過流報警現(xiàn)象，而當(dāng)時的轉(zhuǎn)速并不高，負(fù)載也不是很大。出現(xiàn)這種情形的，本人認(rèn)為是首先雖然各個單元已經(jīng)調(diào)試好，但不等于整個系統(tǒng)參數(shù)就已經(jīng)很好這是不同的。系統(tǒng)的各個模塊單元之間有一定的耦合關(guān)系，系統(tǒng)表現(xiàn)出來的性能與各個模塊都相關(guān)的，它們之間的參數(shù)會互相牽制，一旦某個參數(shù)整定稍微不合理就有可能使得系統(tǒng)的性能大大降低，所以在此更顯出系統(tǒng)總體調(diào)試的必要性和關(guān)鍵性。針對出現(xiàn)的問題，本人反復(fù)整定，ACR 和 ASR的PI參數(shù)，特別是速度環(huán)的PI參數(shù)，稍微偏那么一點，系統(tǒng)表現(xiàn)出來的現(xiàn)象不一樣，由開始的在模擬電流表上看到指示針在比較大地左右擺動，而且幅度也比較大，到經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整ASR的PI參數(shù)，ACR的PI參數(shù)，速度反饋系數(shù)
第二個問題是，系統(tǒng)突加給定時，開始這個速度給定難以調(diào)到很高，否則也同樣出現(xiàn)過流跳閘報警，速度也只能在800左右突加速度給定，鑒于這個問題，我認(rèn)為是系統(tǒng)的電流超調(diào)量過大，PI參數(shù)中，增大比較有利于系統(tǒng)的快速性，但與此同時也增加了系統(tǒng)的超調(diào)量，從而必須加大反饋的作用或者增加I的作用，稍微減少P的強度，，按照這樣，經(jīng)過調(diào)試果然效果不一樣，突加給定的信號可以給到很大，基本上是0~額定速度的給定范圍，說明系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)過整定后比較好，而且系統(tǒng)在正反轉(zhuǎn)的下都可以突加給定，正常運行。
第三個問題，就是電動機在零速時出現(xiàn)蠕動，現(xiàn)象是左右轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象有兩種可能性，一，系統(tǒng)的晶閘管的觸發(fā)的偏置電壓未調(diào)整好，另外一種就是系統(tǒng)的回環(huán)比較整定不理想，針對這個，我專門調(diào)試了偏置電壓的問題，所以不會偏置電壓的問題，所以應(yīng)該是回環(huán)比較的問題。但在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)實驗的那個系統(tǒng)它的電位器出現(xiàn)了誤差太大，難以整定的。所以在15轉(zhuǎn)/MIN以下系統(tǒng)很難正常運行。
不過最終系統(tǒng)基本能達(dá)到控制的要求很技術(shù)指標(biāo)，滿足生產(chǎn)的要求。
經(jīng)過這次的課程設(shè)計，不僅在書上學(xué)到的知識得到鞏固，我認(rèn)為最關(guān)鍵的是，我又在實際操作中動手能力，分析問題，解決問題的能力得到了更好的鍛煉，特別作為工科學(xué)生的我們更應(yīng)該注重我們的動手能力和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。這次實習(xí)，雖然時間不長，但我個人認(rèn)為這種課程是很有必要的，首先我們好多的同學(xué)學(xué)習(xí)了書上的知識，都認(rèn)為這些知識好象都離我們很遙遠(yuǎn)，甚至不知道，不清楚那些知識該用哪個地方，什么時候用。學(xué)校實驗室提供了這種環(huán)境，這種條件，讓我們清楚我們學(xué)的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系，使得我們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時，幾個人的團(tuán)隊協(xié)作使我們在與人共事中學(xué)會交流學(xué)會合作。因為在今后工作中一個人獨立完成不與別人合作，基本是不可能的，所以在這種課程設(shè)計中也鍛煉了我們的團(tuán)隊的協(xié)作精神，為今后的學(xué)習(xí)和工作積累經(jīng)驗，也是難得的財富。
6. 參考文獻(xiàn)
《電力拖動自動控制系統(tǒng)》 陳伯時 機械工業(yè)出版社
《電機原理及拖動》 彭鴻才 機械工業(yè)出版社
《電力電子技術(shù)》 王兆安 機械工業(yè)出版社
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