四辊压延机前辊直流调速系统讲义.docx

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四辊压延机前辊直流调速系统讲义

前言

运动控制系统是自动化专业的必修课。

电力拖动自动控制系统课程的内容包括闭环控制的直流调速系统、多环控制的直流调速系统、可逆调速系统、直流脉宽调速系统和位置随动系统。

要掌握经典直流调速系统的基本概念、基本原理和基本规律；了解电力拖动自动控制系统的基本形式及其控制规律；了解经典直流调速系统的基本体系；能应用已有的数学知识对电力拖动自动控制系统进行定量计算和定性分析，培养分析问题和解决问题的能力；本次设计以双闭环无静差直流调速系统为主。

在直流调速系统中，转速、电流双闭环直流调速系统是应用最广的直流调速系统，传统的设计方法为工程设计方法，它对被控对象的模型做了理想化和近似处理，故工程设计方法是一种近似的设计，而对一些高性能系统要求起制动超调小、动态速降小、恢复时间短，则需采用更为先进的控制策略。

为了获得良好的静、动态性能，电压、转速和电流调节器一般都采用PI调节器，文中设计了两个调节器输入输出电压均标出实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

还有调节器的输出都是带限幅作用的，限制电压决定了它们的输出最大值。

目录

第一章设计要求及控制对象1

1.1生产工艺流程1

1.2控制要求1

1.3设计要求及电机参数2

1.4控制对象—四辊压延机2

第二章设计方案选择3

2.1开环直流调速系统3

2.2转速负反馈直流调速系统3

2.3带电流截止负反馈的直流调速系统5

2.4双闭环直流调速系统6

第三章直流调速系统主电路设计8

3.1励磁电流的设计8

3.2电机主电路的设计8

3.3电力电子变换电路的设计9

3.4其他电路的设计10

第四章系统结构及子模块11

4.1速度调节单元11

4.2电流调节器12

4.3电流反馈与过流保护13

4.4速度反馈与

系数整定14

4.5逻辑控制单元15

4.6零速封锁单元17

4.7给定积分单元18

第五章：

双闭环调速系统的常规工程设计19

5.1设计准备19

5.2电流调节器的设计20

5.3转速调节器的设计22

第六章主电路元件选择与参数计算26

6.1变压器26

6.2晶闸管26

6.3晶闸管保护措施26

第七章双闭环直流调速系统的建模与仿真27

第八章总结30

第1章设计要求及控制对象

1.1生产工艺流程

帘布放布机-接头硫化机-前三辊电机-贮步架-前四辊电机-干燥机-辊辊压延主机-（主机1和主机2）-后四辊电机-2台卷取机-仓库

1.2控制要求

（1）在压延前，必须给干燥辊加热60°~80°（使帘布烘干水分），给主辊加热至70°左右（不至于橡胶冷却硬化）。

（2）所有的直流电机可单动也可联动，并均要求电枢可逆。

（3）联动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三机可单独停（便于帘布的硫化接头，因有贮布架，也不影响后面的正常工作），卷取机也可单独停（便于2台卷取机换卷）。

（4）两台延压主机必须同时起、停或加减速，且控制要求和技术指标完全相同。

（5）前张力区的张力（最大为1000kg）通过前四电机来控制，后张力区的张力（1500kg）由后四电机来控制。

（6）在给定压延张力情况下，其压延速度由操作人员通过改变主机速度来达到。

压延速度↑→前张力↑→通过控制器使前四电机升速→使前张力维持不变；同理后张力↓→使后四电机升速→后张力维持不变。

从而在联动时使主机前后电机的速度达到协调。

（7）前四辊（开卷机）电动机工作情况：

当给定张力小于ZL1所检测的实际张力时，电动机做电动运行，当给定张力大于实际张力时，电动机做发电运行，当实际张力小于150kg时，系统为电流、速度环结构，当给定张力不小于150kg时，系统自动转入电流、张力环结构；断带时，实际张力为0，则自动转到电流、速度环双闭环结构。

1.3设计要求及电机参数

设计要求：

稳态无静差：

σi≤5%，空载起动至额定转速的超调量σn%≤10%，张力超调量≤10%。

电机参数：

Pnom=17kw，Unom=220v，Inom=92A，nnom=1500r/min,Ra=0.15Ω,GD2=10.5N.M2,R=0.28Ω,允许电流过载倍数λ=1.2

1.4控制对象—四辊压延机

压延机（calender）是由两个或两个以上的辊筒，按一定形式排列，在一定温度下，将橡胶或塑料压制展延成一定厚度和表面形状的胶片，并可对纤维帘帆布或钢丝帘布进行挂胶的机械。

压延机按照辊筒数目可分为两辊、三辊、四辊和五辊压延机等；按照辊筒的排列方式又可分为“L”型、“T”型、“F”型、“Z”型和“S”型等。

普通压延机主要由辊筒、机架、辊距调节装置、辊温调节装置、传动装置、润滑系统和控制系统等组成。

精密压延机除了具有普通压延机主要零部件和装置外，增加了保证压延精度的装置。

压延机

第2章设计方案选择

2.1开环直流调速系统

图2-1-1开环控制直流调速系统（V-M系统）

图2-1-1中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc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。

这里对晶闸管可控整流器的移相控制是关键。

锯齿波同步移相触发电路将在第三章介绍。

其整流原理为三相桥式全控整流，属于电力电子技术的范畴，应用较为广泛，由于原理也较为简单，就不赘述了。

但是由于调速系统开环，调节控制电压就可以改变电动机的转速，由于各种干扰和元器件的参数变化，使得系统的静差率太大，而且不能保证稳态无静差，所以不符合本课程设计的要求，故不选用此方案。

2.2转速负反馈直流调速系统

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

图2-2-1转速负反馈直流调速系统原理图

图2-2-2转速负反馈直流调速系统结构框图图

由上述系统结构框图可以得到转速负反馈闭环直流调速系统的静差率特性方程：

n=KpKsUn*/（Ce（1+K））--RId/（Ce（1+K））;K=Kp*Ks*a/Ce；

式中：

Kp—放大器的电压放大系数;

Ks—电力电子变换器的电压放大系数;

α—转速反馈系数

Un*—给定电压

如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性方程为：

n=KpKsUn*/Ce--RId/Ce；

则：

开环系统和闭环系统的转速降落分别设为Δnop，Δncl

Δnop=RId/Ce;Δncl=RId/（Ce（1+K））

由此可以得出闭环系统和开环系统的静差率之比为：

scl=sop/（1+K）;即闭环系统的静差率要比开环小的多，当K趋于无穷大时，闭环系统的静差率接近于0，但不为0。

调速范围：

Dcl=Nn*s/（ΔNcl*（1-s））；Nn为电动机的额定转速即最大转速；

可见经过适当调节Kp、Ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。

上述控制速度的控制器单一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系统的响应速率，减小系统的静差率，与开环系统相比，要比开环系统的静差率小的多。

但是由于采用了P控制器，不能满足无静差的要求，所以应该选用PI控制器以消除静差。

但是转速反馈控制的直流调速系统还存在一个问题，在起、制动过程和堵转状态时，必须限制电枢电流。

2.3带电流截止负反馈的直流调速系统

直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。

采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压△Un=Un*，差不多是其稳态工作值的1+K倍。

这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。

另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。

由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。

如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。

图2-3-1环直流调速系统稳态结构框图

这种电流负反馈作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。

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：

2.4双闭环直流调速系统

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如龙门刨床、可逆轧钢机等要求快速起制动，突加负载动态速降小的场合，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

这时单闭环系统就难以满足需要。

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。

于是产生了通过转速、电流双闭环来控制电流和转矩的双闭环控制直流调速系统。

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

图2-4-1双闭环调速系统的稳态结构图

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。

①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。

②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2-4-2双闭环调速系统静特性

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。

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。

第三章直流调速系统主电路设计

主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证冷连轧机的卷取机系统具有稳定的正反运行特性，则需要设计可逆的调速系统，采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置可以解决电动机的正反转运行和回馈制动的问题。

3.1励磁电流的设计

直流调速系统主电路由三相△—Y变压器接电网供电。

变压器分别给电动机和励磁回路供电，励磁回路采用不可控的二级管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。

如图3—1所示，直流调速调速系统励磁回路电路图。

图3-1直流调速系统励磁回路

三相变压器主回路的?

接法能够消除电网中主要存在的三次谐波，防止三次谐波流到副

边。

励磁回路输出电压为220V而三相不可控整流输出电压与输入电压的关系为:

Ud=2.34U2

3.2电机主电路的设计

电动机回路也由三相△—Y变压器接电网供电，经三相晶闸管整流得到直流电流向电动机供电。

如图3-2所示，直流电动机回路电路图。

图3-2直流电动机回路电路图

图中主回路中都连接了熔断器对电路进行过流保护，当回路中电流过大时熔断器熔断主电路断开设备得到保护。

当起动按钮按下时接触器KM得电，起动自锁开关合上防止起动按钮误动作造成电路断电。

同时主回路中接触器KM合上，主电路接通。

图中TA1和TA2为电流互感器，用于检测电流的大小，实现对电路的过流保护及电流反馈环节的电流检测。

电流互感器均采用星形接线方式，对各种短路故障均起作用。

电流互感器的选取由主回路中的电流值决定。

而变压器副边连接的三相阻容负载用于平衡负载滤除副边电网中的谐波的作用。

其参数的选择可根据所要滤除的谐波决定。

3.3电力电子变换电路的设计

电力电子变换器UPE采用三相桥式晶闸管连接方式，分为正组和反组两套整流桥。

其

具体结构如图3-3所示

图3-3电力电子变换器

晶闸管三相桥式可控电路的输出电压与输入电压的关系为

Ud=2.34U2cosα

其中Ud为可控电路输出电压,U2为三相电源的电压平均值。

3.4其他电路的设计

与电动机串联的电感Ld为平波电控器，用于抑制电路中电流的突变，防止电流脉动而

损坏电机。

电机测速可以采用旋转编码器或测速电机，本设计中采用测速电机Tg对电动机

的速度进行测量。

转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正

比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。

下图为速度转换为电压信号的原理图。

图3-4速度变换图

使用时，将电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。

输入电压经R1和RP1分

压，调节电位器RP1可改变转速反馈系数。

为了对变压器原边和副边的电路进行保护，分别在原副两边的各相回路中并联了电流互感器，TA1中设置了两个控制开关，TA2中也设置了两个控制开关。

当电流互感器检测到回路中电流过大时，开关接触器得电致使接触开关闭合，此时KT得电，开关KT闭合，YR得电使得YR开关断开，使电机控制开关处于断电状态而电机处于停止工作状态。

其过流保护电路的具体结构如图3-5所示。

图3-5过流保护电流

第四章系统结构及子模块

本设计采用双闭环直流调速系统，其结构图见图2.4.1

4.1速度调节单元

速度调节器主要用运算放大器，输入输出反馈环节，限幅电路以及反号器组成，用于对输入反馈信号进行放大，积分，微分，取反运算从而实现对信号的分析与处理。

其原理如图3-2-1所示：

图3-1-1速度调节单元原理图

上述图中Un*为速度给定输入量，Un为速度反馈输入量，C7，R12为反馈微分0环节，D4,D5用于保护放大器，即限定放大器的最大输入

，D1,D2,R9,R10起到限幅的作用。

SL零速封锁信号控制晶闸管VT1的关闭。

4.2电流调节器

电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图3-2-1所示。

图3-2-2电流调节器单元原理图

电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“Uβ-1,Uβ-2”端接推β信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“β”端输出一个推β信号（高电平）信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使α角向180度方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护主电路。

“ZK,ZL”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管，三极管V1、V2导通，将相应的输入信号对地短接。

在逻辑无环流实验中“Ui*，Ui*n”端同为输入端，其输入的值正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消为零，这时就需要通过“ZK,ZL”端的电压输入来控制。

在同一时刻，只有一路信号输入起作用，另一路信号接地不起作用。

4.3电流反馈与过流保护

根据实验原理，画出电流反馈及其过电流保护单元原理图如下所示：

图3-2-3电流反馈及其过电流保护单元电路

本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源

TA1,TA2,TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接，那么TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。

（1）电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至R18，R4，R5,R6及R11，R12，D7组成的3条支路上，其中:

①R12与D7并联后再与R11串联，在其中点取零电流检测信号从1脚输出，供零电平检测用。

当电流反馈的电压比较低的时候，“I0”端的输出由R11、R12分压所得，D7截止。

当电流反馈的电压升高的时候，“I0”端的输出也随着升高，当输出电压接接近0.6V左右时，D7导通，使输出始终保持在0.6V左右。

②将R18的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“Ui”端输出，电流反馈系数由R18进行调节。

③R5,R6串联后与过流保护电路相连，实验前先调试R5,R6阻值大小来调节过流动作电流的大小，调试好后可以不用再次更改，以便实验操作。

（2）当电路开始工作时，由于电容C4的存在，V2比V1先导通，V2的集电极低电位，V3截止，同时通过R10、D8将V1基极电位拉低，保证V1一直处于截止状态。

（3）当主电路电流超过某一数值后，R5,R6分压的的过流电压信号超过稳压管Z2的稳压值，击穿稳压管，使三极管V1导通，从而V2截止，V3导通使继电器K动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。

（4）过流的同时，V2由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“Uβ-1”端输出，作为推β信号供电流调节器使用。

（5）SB为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障己经排除，则须按下SB以解除记忆，才能恢复正常工作。

当过流动作后，电源通过SB、R10、D8及C2维持V1导通，V1截止、V3导通、继电器保持吸合，持续告警。

只有当按下SB后，V1基极失电进入截止状态，V2导通、V3截止，电路才恢复正常。

4.4速度反馈与

系数整定

转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。

图3-2-4速度变换图

使用时，将电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。

输入电压经R1和RP1分压，调节电位器RP1可改变转速反馈系数。

给定

图3-2-6电压给定原理图

电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。

S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0～士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。

按以下步骤拨动S1、S2，可获得以下信号：

（1）将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。

（2）将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧，调节RP2使给定输出一定的负电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。

（3）将S2打到“运行”侧，拨动S1，分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压，当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。

当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。

元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上，方便操作。

此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。

要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。

4.5逻辑控制单元

进行逻辑控制时，首先进行DPT,DPZ的检测，即转矩极性检测和零电流检测。

转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。

它是一个由比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。

其原理图如图图3-2-5-1所示。

图3-2-5-1转矩极性检测

转矩极性鉴别器的输入输出特性如下图3-2-5-2所示，具有继电特性。

图3-2-5-2转矩极性输入输出特性

调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。

继电特性的回环宽度为:

Uk=Usr2一Usr1=K1（Uscm2一Uscm1）

式中，K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。

逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2～0.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。

零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。

其原理图和输入输出特性分别如图3-2-5-3和图3-2-5-4所示。

图3-2-5-3零电平检测器

图3-2-5-4零电平检测器输入输出特性

逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进

行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。

其原理图如图3-2-5-5所示。

其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推电路和功放电路等环节组成。

图3-2-5-5逻辑控制单元

逻辑控制环节由以下几个部分组成：

逻辑判断环节，延时环节，逻辑保护环节，推β环节，功放电路。

4.6零速封锁单元

零速封锁器原理图如图3-2-6-1所示：

图3-2-6-1零速封锁器

零速封锁器的作用是：

当给定电压及速度反馈电压均为零时（即调速系统在停车状态），封锁电压调节器的输出，保证电机不会低速爬行或者系统在零速时出现振荡。

4.7给定积分单元

积分单元原理图如下图3-2-7所示：

图3-2-7积分给定单元

积分给定单元作用：

突加给定将产生振荡，对系统造成较大的冲击，经积分环节输出的积分信号上升平缓，能减小系统的冲击，提高系统的稳定性，可靠性。

由来自面板上的给地1输入，经比例积分环节，跟随器后，输出积分Un*。

第五章：

双闭环调速系统的常规工程设计

5.1设计准备

图4-1-1直流电动机变流装置系统结构框图

设直流电动机的规格如下：

PN=17KW，IN=92A，nN=1500r/min