四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计.doc

四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计.doc

《四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计.doc（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

前言

直流电机在现代工业中是一种很重要的电机．它可以作电动机使用，也可以作发电机使用，此外还有其它特殊的用途。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代，因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制（PWM）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。

然而，直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统，所以它在工业生产中还占有相当大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、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。

调速系统按照不同的标准又可分为不同的控制系统。

但是，从一定角度上来说，可以把调速系统笼统的分为开环调速系统和闭环调速系统。

开环调速系统结构简单、容易实现、维护方便，但是它的静态和动态性能往往不能满足生产和控制要求。

而闭环控制系统可以很好的解决这些问题，因此在实际生产中得到了广泛的应用。

其中，转速、电流双闭环控制直流系统是性能最好、应用最广的直流调速系统。

本文为直流调速系统的设计，包括系统设计方案选择，各单元的组成，元件的参数与选择等内容！

通过本系统的设计，了解运动控制在工业上的应用！

目录

前言 1

第一章　设计的介绍 4

1.1　设计目的 4

1.2　设计内容 4

1.3　设计题目 4

1.3.1　生产工艺和机械性能 4

1.3.2　设计要求 5

1.3.3　直流电动机参数 5

第二章　四辊可逆冷轧机的介绍 6

第三章　系统各模块及其电路设计 7

3.1　主回路设计 7

3.2　控制回路设计 7

3.2.1　给定单元 9

3.2.2转速调节器 9

3.2.4反号器 13

3.2.5　触发电路 13

3.2.6　逻辑控制单元 14

3.2.7　零转矩检测单元和零电流检测单元 15

3.2.8　零封锁环节 16

3.2.9电流反馈与过流保护 17

第四章　系统参数设计与计算 19

4.1整流变压器的选择 19

4.2晶闸管的选择 19

4.3晶闸管保护措施 20

4.4电流互感器的选择 20

4.5平波电抗器的计算 21

第五章双闭环的动态设计和校验 23

5.1静特性分析和计算 23

5.2系统动态结构参数设计 23

5.2.1电流调节器的设计和校验 24

5.2.2转速调节器的设计和校验 26

第六章系统调试和校正 28

6.1系统各功能模块性能的调试与测试 28

6.1.1　系统的相位整定 28

6.1.2　触发器的整定 28

6.1.3系统的开环运行及特性测试 29

6.1.4速度反馈特性的测试 30

6.1.5调节器的调试 31

6.1.6电流调节器ACR的调试 31

6.1.7反相器AR的调试 31

6.2系统整体功能测试 31

6.3系统小结 32

第七章　总结 33

参考文献：

34

附图 34

第一章　设计的介绍

1.1　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和解决运动控制系统设计问题，使学生建立正确的设计思想，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，编写设计说明书的能力。

1.2　设计内容

　　1、根据工艺要求，论证、分析、设计主电路和控制电路方案，绘出该系统的原理图（2号图纸）。

2、设计组成该电路的各单元，分析说明。

3、选择主电路的主要设备，计算其参数（含整流变压器的容量S，电抗器的电感量L，晶闸管的电流、电压定额，快熔的容量等），并说明保护元件的作用（必须有电流和电压保护）。

4、设计电流环和转速环（或张力环），确定ASR和ACR（或张力调节器ZL）的结构，并计算其参数。

5、结合实验，论述该系统设计的正确性。

1.3　设计题目

　　四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计

　1.3.1　生产工艺和机械性能

　　四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高其生产效率，冷轧机要往、返轧制其金属材料。

直到达到要求的厚度时才停止。

因此要求冷轧机左右两边的两台卷取机在从左往右的正向轧制过程中，左边一台卷取机作开卷机用，其工作在发电状态，右边一台卷取机作卷机用，工作在电动状态。

若逆向轧制（从右往左轧制），右边卷取机作开卷机，工作在发电状态，左边卷取机则作卷取机用，工作在电动状态。

两台卷取机的电动机参数完全一样，机械参数如下：

带卷内径（卷筒直径）：

500mm

带卷外径：

680~1100mm

带卷最大重量：

2000kg

带卷最大张力：

2000kg

卷取机传动比：

i=1.87

张力传感器

张力传感器

带材

　　左卷取机　　　　　　　　　　　轧机　　　　　　　　　　右卷取机　　　

图1-1　四辊可逆冷轧机原理图

　1.3.2　设计要求

1、两台卷取机控制原理完全一样，仅设计其中一台；

2、技术指标：

稳态无静差，电流超调量，空载起动至额定转速时的转速超调量能实现快速制动。

　1.3.3　直流电动机参数

，，，，，电枢回路总电阻，电流过载倍数，。

第二章　四辊可逆冷轧机的介绍

图2-1　四辊可逆冷轧机

四辊可逆冷轧机是生产冷轧板带典型的传统轧机。

80年代末以来，随着世界小钢厂的发展，尤其是薄板柸连铸连轧技术发展及对热带深加工的需要，四辊可逆式冷轧机成为板带小钢厂热带深加工的主要生产设备。

其装置技术水平不断发展提高。

现代串列式冷轧机及全连续冷轧机上的现代化技术，也用于可逆式冷轧机上。

并且，双机架四辊可逆冷轧机也得到发展。

现代四辊可逆冷轧机的生产及装备技术水平远远超过传统的四辊可逆式冷轧机。

四辊可逆冷轧机生产特点：

1.提高生产力

2.扩大产品品种规格

3.提高产品质量

4.提高自动化装备水平

第三章　系统各模块及其电路设计

3.1　主回路设计

此系统是直流调速系统，为了获得较好的直流采用三相整流；由于生产工艺要求电机正反转，考虑到晶闸管的单向导电性，可用正反两组晶闸管反并联可逆控制系统。

其实现方式如下图：

图3-1主回路设计原理图

可逆的调速系统能满足电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，即需要电力拖动系统具有四象限运行的特性的要求。

3.2　控制回路设计

为了满足生产工艺对电流的电流超调量的要求，并且为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

必需采用电流闭环调节环ACR。

为了满足生产工艺对电流的转速超调量和转速无静差的要求。

必需采用转速闭环调节环ASR。

因此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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套（或称串级）联接。

有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。

因此，对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。

而本系统的容量较大，工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很，因而采用无环流控制可逆系统。

即当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）根据零转矩和零电流逻辑的去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断环流的通路。

因此需要增加一个控制正反组工作的逻辑控制单元DLC。

通过分析可以确定控制系统控制回路由以下几个模块组成：

给定模块、转速调节器ASR、电流调节器ACR、电流反馈模块，转速反馈模块，逻辑控制单元DLC、零转矩和零电流检测单元DPT、DPZ和一个为避免元件温升和零点漂流的零速封锁单元DZS，反号器AR，电流反馈与过电流保护FBC+FA。

图3-2控制系统框图

控制系统框图如上图所示。

采用一个电流调节器和一个触发模块，并采用逻辑控制单元来协调正反组晶闸管工作。

从而达到调压调速的目的。

　3.2.1　给定单元

有上图可知，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，U1都是饱和值，当给定过大时，要求限幅，由二极管控制，U1与Un*极性相同，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Un*方向相反，积分变化率可以用电位器RP来调节，可以调节RC来控制积分快慢。

最后一级为反向器，将U2信号反向，使与Un*一致方向变化，并且Ugi反馈回第一级输入端，为负反馈，以决定积分终止时刻，当Ugi>=Un*时，负反馈起作用，U1很快减小，积分终止，Ugi与U2保持恒值。

图3-3　给定单元电路图

　3.2.2转速调节器

1、转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，甚至实现转速无静差。

2、对负载变化起抗扰作用。

3、其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

　　4、当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

考虑到ASR的上述作用和生产工艺要求系统队阶跃信号无静差,将ASR设计成PI调节器，通过有关书籍可知这样可以使系统构成一个二型系统，从而实现转速无静差。

图3-4为ASR的主体结构图．转速给定电压Un*和转速反馈电压Un经滤波后通过由放大器构成的PI调节器后生成电流给定电压Ui*输出给电流调节器。

图3-4ASR的主体结构图

其实际的实现电路如下图示：

图3-5ASR单元电路图

R1、R2、C1，R3、R4、C2构成等效的阻容滤波去除转速给定和转速反馈的纹波。

电阻R7，C4通过放大器构成PI调节器为了避免运放长期工作产生的零点漂移，并联一个大电阻R6形成准PI调节器。

场效应管Q1做开关用，当零封输入信号（Uo）接高电平时场效应管导通将输出拉至0V，二极管D1避免由于零封信号波动而使Q1意外导通。

D2,D3,RP4，RP5构成正负限幅电路。

以正向限幅为例：

当运放的输出端电压经限流电阻R10后，如果电压值小于D2导通电压加RP4滑动端对地电压则线性输出否则输出D2导通将输出电压钳位在限幅值。

电容C5用于限制运放输出端电压变化过快。

　3.2.3　电流调节器

1、作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

2、对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

3、在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

4、当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是