四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计方案

四辊 可逆 冷轧机 的卷取机直流调速系统设计方案 第一章 设计概述 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，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。 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）设计组成该系统的各单元，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 张力调节器 结构，并计算其参数。 （ 5）结合实验，论述该系统设计的正确性。 题设计要求 （一） 生产工艺和机械性能 四辊冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用。为提高生产效率，要求往返均要轧制，其轧机工艺参数如下： 工作辊的最大和最小直径： 156/136持辊的最大和最小直径： 500/470身长： 400制时扎件对轧辊的最大压力： 60 吨 压下时扎件对轧辊的最大压力： 120 吨 基速： 7m/s 带材宽度： 0m/s 轧制成品： 8 道次以上 带卷内径（卷筒直径）： 500卷外径： 680 1100卷最大重量： 2000卷最大张力： 2000取机传动比： i=机原理简图： 辊机原理简图 （二） 设计要求： 两台卷取机控制原理完全一样，仅设计其中一台； 稳态无静差，电流超调量i 5%；空载启动至额定转速时转速超调量n% 10%，能实现快速制动。 （三） 直流电动机参数 20n=230V,80A,400r/a=电枢回程总电阻 R=电流过载位数 = 景知识介绍 冷轧机，是在 “再结晶 ”温度（包括常温）下将一定厚度的板材轧成目标厚度的设备。传统的冷轧机都是用力矩电机和直流电机来控制的。冷轧机的设备一般带材 V 正 V 负 作开卷机用 作卷取机用 作卷取机用 作开卷机用 轧机（轧辊） 由 3部分组成，即开卷机、主机、 卷取机 （可逆轧机不分开卷和卷取）冷轧机主要用途：冷轧机用于轧制普碳、优特中炭钢、铝、铜、锌等金属带材。应用领域：冷轧机主要应用在钢铁行业、冶金行业等。随着电力电子技术、控制技术的发展，高性能矢量变频器的出现， 变频器在冷轧机上的应用日益广泛 。 四辊压延机是轮胎生产的大型关键设备之一。主要用于对帘布的连续贴胶或用于对帘帆布的不连续擦胶。由于作为轮胎胎体骨架材料的帘布质量对轮胎的内在质量、安全性起着至关重要的作用，而且控制帘布质量也是降低生产消耗的 重要手段，因此，生产过程中四辊压延机的稳定性和可靠性直接关系到整个轮胎生产企业的正常生产和经济效益，历来备受轮胎生产厂家、橡胶机械制造企业的关注。 我国自行研制生产的第一台 971年末研制出的 分为主机和辅机两部分。其中辅机由导开装置，接头硫化机，小牵引机，前、后储布装置，前四辊和后四辊牵引机，十二辊干燥机，冷却机，自动切割机，卷取装置和相应的定中心装置，张力传送架，同位素穿透式测厚装置组成。 第二章 调速方案选择 在进行调速方案选择之前，先来简要介绍一下直流调速的一般原理。 流调速的一般原理 理想化 直流电动机 ， 直流电动机 转速方程 可表示为： 式中 n转速（ r/ U电枢电压（ V）； I电枢电流（ A）； R电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（ 由电机结构决定的电动势常数； 在上式中，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。 以下介绍在直流调速系统中比较常用的开环控制、转速负反馈控制、转速、电流双闭环控制等控制方法。 环直流调速系统 开环直流调速系统原理图如下图 2 图 2闸管 电动机调速系统 (V M 系统 )原理图 图 2 晶闸 管可控整流器，通过调节触发装置 控制电压 可改变整流电压 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，基本原理见下图 2过改变触发角从而改变 进行调速。 图 2相桥式全控整流电路 开环直流调速系统 控制电路简单，有利于在实验室实现，并且 能实现一定范围内的无级调速 。 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是可以满住要求的。 然而， 开环直流调速系统没 有控制结果的反馈，控制精度不高，在需要调速的生产机械对静差率有一定的要求的场合往往不能满住要求。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。这时就不能使用开环直流调速系统了。 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。 转速单闭环系统原理图如下图 2 图 2速单闭环系统原理图 图 2速单闭环系统结构框图 可见转速单闭环系统实际上是开环直流调速系统的“闭环化”。转速单闭环系统将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经检测转化与给定信号相比较并经放 大后，得到移相控制电压 作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用 P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成 例积分 )调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。 与开换系统相比，转速单闭环直流调速系统性能更为稳 定。根据转速单闭环系统原理图作如下分析： 转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 n=s*e(1+K)(1+K) 式中： 放大器的电压放大系数 ; 电力电子变换器的电压放大系数 ; 转速反馈系数 给定电压 设 K= / 环系统 的转速降 *+K) 闭环系统的静差率 n 调速范围 n*s/( 1 可见经过适当调节 以使系统的特性更硬，调速范围更宽。 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 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 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，简称截流反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。 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下图 2示。 图 2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 I 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 I 后，引入了电流截止负反馈，静特性变为：)1()()1()()1()()1()1(*o o 闭环直流调速系统 采用转速负反馈和 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。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图 2示 图 2闭环直流调速系统起动电流和转速波形图 起动电流突破 后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值 ，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示如图 2 图 2统理想起动过程波形 这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流转矩 )受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。 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，如图所示 2 n t dL n t 图 2转速、电流双闭环直流调速系统 转速调节器 电流调节器 测速发电机 电流互感器 电力电子变换器 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 闭环结构上看，电 流环在里面，称作内环 ;转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。以下分别对 双闭环调速系统 的静态特性、动态特性以及抗扰性能进行分析。 为分析 静特性 我们参考如下的 系统稳态结构框图： 图 2闭环调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 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： 一直延续到I ，而就是静特性的运行段。转速调节器 时 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。 其静特性如 下图 2图 2闭环调节系统 静特性 图 为分析动态特性以及抗扰性能参考 双闭环直流调速系统的动态结构图 如下图：图 2闭环直流调速系统的动态结构框图 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 个系统处于完全不同的两种状态：当 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 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 动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， 输入偏差电压 为负值，才能使样，采用 （ 3） 准时间最优控制：起动过程中的主要阶段是第 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 设计 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。 由以上分析可以得出，要使该系统具有良好的动态性能和静态特性，双闭环直流调速系统是最佳选择。 第三章 双闭环调速系统结构以及各功能模块概述 闭环调速系统结构概述 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。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。常用的可控支流电源有以下三种： 1）旋转变流机组（ 统） 用交流电动机和直流发电机组成机组，以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，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，维护不方便。 2）静止式可控整流器（ 统） 用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 放大倍数高，快速性好，虽然晶闸管对过电压、过电流和过高的 dV/ di/十分敏感，现代的饿晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐全，晶闸管装置的运行是十分可靠的。 3）直流斩波器或 脉宽调制变换器（ 用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。尽管与 统相比较，它有很大的优越性，特别是在中小容量的高动态性能已经完全取代了 统，但在大容量的的调速系统中用 统还是比较多。 纵上三种可控电源的比较，我们选择 统来实现本设计。 根据设计要求所有直流电机允许电枢可逆，而我们采用的晶闸管是单向导电的，不允许电流反向，因此我们选择合适的可逆直流调速系统，而可逆直流调速系统常见的有以下两种： 1） 有环流控制的可逆晶闸管 配合控制来消除直流平均电流，采用 4 个环流电抗器来抑制瞬时脉动环流，正转只动和反转起动能够完全衔接起来，没有间断死区，适用于快速正、反转的系统，其缺点是需添置换流电抗器，而且晶闸管都要负担负载电流加上环流电抗器。对有大容量的系统，设置几个环流电抗器始终是个累赘，这些缺点比较明显。 2） 无环流控制的可逆晶闸管 工艺过程对系统的正反转过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系 统。主要有两大类：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。而目前错位无环流实际应用已经很少。逻辑控制无环流当一组晶闸管工作时，逻辑电路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，从根本上切断了环流的通路。 通过两种系统的比较，我们选用逻辑控制无环流调速系统。 主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证可逆冷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。其 实现方式如图 3示。 图 3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 接法 ，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。 在起动开关电路里面设置自锁回路和，在控制电路中发现电流过大，这可使主电路常闭开关 开而保护整个系统，当 开失败后，由于电流过大，一段时间后快 速熔断器受热而熔化使电路跳开，从而避免烧坏电机等设备。上框图中起动开关 分电路图如图 3示。 图 3动开关电路图 度调节器 速度调节器 由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成，对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算。其原理如图 3 。 图 3在图中“ 1、 2、 3”端为信号输入端，二极管 护运放的作用。二极管 助于抑制振荡，减少超调。 变 变 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 图 3流调节器 电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“ 3”端接推信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“ 3”端输出一个推 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。“ 5、 7”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 通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“ 4、 6”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“ 5、 7”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。 齿波同步移相触发电路 图 3齿波同步移相触发电路 锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。由 元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压 元件组成的恒流源电路，当 流源对 电形成锯齿波；当 容 4、 电。调节电位器 而改变了锯齿波的斜率。控制电压 移电压 5基极综合叠加，从而构成移相控制环节， 成脉冲形成放大环节， 强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。 流反馈与过流保护 图 3流反馈与过流保护原理图 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 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 么 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 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 2、 条支路上，其中 : 1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，“ 1”端的输出由 电流反馈的电压升高的时候，“ 1”端的输出也随着升高，当输出电压接接近 输出始终保持在 将 “ 2”端输出，电流反馈系数由 节 (2)当电路开始工作时，由于电容 2导通， 时通过 2基极电位拉低，保证 (3)当主电路电流超过某一数值后， 1的稳压值，击穿稳压管，使三极管 而 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。调节 得到不同的电流报警值。 (4)过流的同时， 集电极产生一个 高电平信号从“ 3”端输出，作为推 信号供电流调节器使用。 (5)过流故障己经排除，则须按下 能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过 2维持 电器保持吸合，持续告警。只有当按下 路才恢复正常。 速变换 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 节电位器 图 3压给定原理图 电压给定由两个电位器 1、 极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由 输出电压范围为 0士 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 获得以下信号： (1)将 行”侧， 给定”侧，调节 动 止”侧，此时可获得从正电压突跳到 0拨动 行”侧，此时可获得从 0 (2)将 行”侧， 给定”侧，调节 动 止”侧，此时可获得从负电压突跳到 0拨动 行”侧，此时可获得从 0 (3)将 行”侧，拨动 别调节 给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。当给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。 元件 2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 速封锁器 零速封锁器的原理图如下： 图 3速封锁器原理图 零速封锁器由两个具有“山”型继电器特性的电平检测器，逻辑门及延时环节组成，其原理如图 3 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。 两个“山”型电平检测器分别对给定和速度反馈信号进行检测，当输入信号为正值时，通过二极管 当输入信号为负值时，则通过 当输入信号绝对值大于某值时（ ，运放输出始终为负值，通过二极管 为“ 0” 信号，当输入信号的绝对值小于某一整定值时（ 右），则运放输出正电压，作为“ 1”信号。因此可得到如图 3示的“山”型继电特性。 图 3速封锁器的“山”型继电特性 当电平检测到输入电压大于 输出为低电平“ 0”，当电平检测到输入电压小于 输出为高电平“ 1”。两个电平检测器的输出经与门和非门后， 速封锁器输出约为 其关断，从而使电压调节器开放工作，在 出现故障时，电平检测器输出低电平“ 1”， 极为低电平，则 止，零速封锁器输出 0V 电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极，使其导通，使调节器的反馈环节短路，输出为“ 0”。 电容 电阻 延时作用，当与门输出 由低电平跳变到高电平时，该电电位由正电源向 电，其电位逐渐升高，从而避免在低速运行或换向过程中引起误封锁。 面板上装有 关，当开关拨到“封锁”时，零速封锁器处于工作状态；当 除”时，零速封锁器处于关闭状态。 矩极性鉴别 (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 矩极性鉴别器的输入输出特性如图 有继电特性 。 调节运放同相输入端电位器 电特性的回环宽度为 : 式中， 正反馈越强，回环宽度就越小； 辑控制系统中的电平检测环宽一般取 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。 图 3矩极性鉴别原理图 图 3电平检测 (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示。 图 3电平检测器原理 图 3电平检测器输入输出特性 辑控制 (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辑控制器原理图 (1)逻辑判断环节 逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出 确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换 (由 及切换条件是否具备 (由 否从“ 0”变“ 1”决定 )。即当 电平检测到主电路电流过零 (“ 1” )时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出 (2)延时环节 要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令 F 后，经关断等待时间 3触发等待时间 后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时电路中的 (3)逻辑保护环节 逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时， 1”状态，逻辑控制器的两个输出端 0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当 1”状态时，使逻辑保护环节输出 0”，使 为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。 (4)推环节 在正、反桥切换时，逻辑控制器中的 1”状态信号，将此信号送入调节器的输入端作为脉冲后移推信号，从而可避免切换时电流的冲击。 (5)功放电路 由于与非门输出功率有限，为了可靠的推动 增加了 第四章 双闭环调速系统设计及参数计算 计准备 图 4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： 1) 20n=230V,80A,000r/a=2) 电枢回程总电阻 R=电流过载位数 = 3) 变流装置采用三相桥式整流电路，晶闸管触发整流装置放大倍数 0 平均延迟时间 D= 4) 给定电压 度调节器限幅电压 流调节器限幅电压 0V。 对于大容量的直流电机的调速系统，选择晶闸管三相桥式全控整流。 闸管选型 (一 ) 电流参数的选取 因为电动机在启动过程中电流最大，所以该电动机启动电流作为晶闸管电流参数的选取之一，此处： 。 有效值： 晶闸管通态平均电流 : 取安全裕量 2，则所选晶闸管电流值为： (二 ) 电压参数的选取 在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受电压极值为223U即26U，其中2 由22 . 3 4 c o 可得： 其中 为可靠换相，取0 ，则 又考虑到10% 波动，同样2 所求晶闸管电压值 取安全裕量 2，则晶闸管电压值为 容量计算： 选择功率为 600晶闸管变流装置。 功率放大倍数选择为 抗器设计 为保证电流连续所需电感量 L 可由下式给出： 3 2m i 6 9 3 1 0 L 中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。 般取电动机额定电流的 5% 10% 。本设计取 10% ，所以可以计算出 选择 2平波电抗器。 压器容量计算 由上面的计算我们可以知道原方的电压为 ，副方电压为 =方电流 因为桥式整流二次侧电流无直流分量，所以它的一次侧容量和二次侧容量相等即为变压器的计算容量： 选择 600整流变压器。 组别确定： 为了得到零线，变压器的二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，这样可以避免三次谐波电流流入电网，因此我们接成 D, 速熔断器选择 为保证整流器连续运行的可靠性，当桥壁上三个并联快速熔断器中有一个快速熔断器熔断时，整流器仍须保持额定电流长期运行，快速熔断器额定电流 2d N I T b K 式中 流电源额定电流为 765A； K ：整流器有效值与平均值的折算系数，三相桥式整流线路时为 相桥式整流线路为 流器件电流计算系数 臂均流系数 相逆并联桥不平衡系数 由此可以计算出 流调节器的设计 由于 节的输出限幅值为 10V，对应为最大的电流给定值，电机允许 最大的电流为 65=电流反馈系数 电机时间常数计算如下： 一 ) 电流环框图的建立及化简 电流环框图如图所示，由于转速对给定信号的响应时间较电流对给定信号的响应时间长得多，因此在计算电流的动态响应时，可以把电动机的转速看成恒量。而恒量对动态分量是不起作用的，因此，为简化起见，可把反电势 E 略去。 将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。 由于 D（ 得多，所以可把前两者构成的小惯性环节合并： T i=二 ) 电流调节器的设计 a) 确定系统的类型 对电流环，可以校正成典 I 系统，也可以校正成典 统应根据生产机械的要求而定，一般对抗扰性能要求不是特别严格时均采用典 I 系统设计即可。现将电流环校正成典 I 系统。 电流调节器的选择 显然，欲校正成典 I 系统，电流调节器应选用 节器。其传递函数为 )( 而)0 10 3 10 0 3 00 0 )1()11 2 10 0 3 )( 0 0 3 10 0 3 1(电流调节器参数的选取 按二阶最佳系统设计，取 根据要求，稳态无静差： i 5%，选择 = 电流开环增益： T i=35 例系数： 135*40*取调节器的输入电阻 0 i*60= 速调节器的设计 1)转速环结构框图的建立及化简 图 4用等效环节代替电流环） 图 4等效成单位负反馈系统和小惯性环节近似处理） 图 4速环的动态结构简化图（ 校正后成为典型 电流环简化后可视为转速环中的一个环节，为此需求出它的闭环传递函数() 41 1c l i ，忽略高次项， ()() 11c l 。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应该为 *()因此电流环在转速环中应等效为 d c l i*) ( )1() 1I s W 。 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，如图 4就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。 速度环框图如图 4非单位负反馈变换成单位负反馈系统，并把两个小惯性环节合并。 (2)速度调节器的设计 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波 环节移到环内，同时将给定信号改成 *( ) /再把时间常数为 1似成一个时间常数为惯性环节，其中 11 0 . 0 1 0 . 0 1 7 41 3 5 . 1n o ，则速度换结构框图可简化为图 4 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ，见图 4在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。显然，欲校正成典度调节器应选用 传递函数为： ( 1 )() R s 式中，n表示转速调节器的超前时间常数。 这样调速系统的开环传递函数为： 2( 1 ) ( 1 )()( 1 ) ( 1 )n n n e m n n e m s K R T s T s C T s T s (2)转速调节器参数的选取 由图 4e T 按 三阶最佳系统设计， 跟随和抗扰动性能都较好的原则，取 5h ，则 5 0 . 0 1 7 4 0 . 0 8 7 s 。 可求得转速开环增益： 222 2 2 21 5 1 3 9 6 . 42 2 5 0 . 0 1 7 4s 比较式 (4式 (4而可得 比例系数： (3)检验近似条件 转速环截止频率为：113 9 6 . 4 0 . 0 8 7 3 4 . 5Nc n N 1)电流环传递函数简化条件为： 111 1 1 3 5 . 1 6 3 . 73 3 0 . 0 0 3 7I s s ，满足简化条件。 2)转速环小时间常数近似处理条件为： 111 1 1 3 5 . 1 3 8 . 73 3 0 . 0 1I s s ，满足简化条件。 3)验证调速系统空载起动到额定转速时的转速超调量： m a x * 4 8 2 . 9 8 0 . 0 1 7 42 ( ) 2 8 1 . 2 % 2 5 . 3 4 % 1 0 %1 5 0 0 0 . 3 4 1zC n T ，满足设计要求。 (4)计算调节器电阻和电容 已知转速调节器的输入电阻0 20，则 0 0 365 R k 20=k ,取 360140 k 。 634 4 0 . 0 1 2 1 0 22 0 1 0 ，取 2 至此，双闭环直流调速系统的理论设计初步完成，但还需实际调试和修正。 统设计小结 在实验室模拟条件下，所设计的直流双闭环调速系统可以满足四辊冷轧机所要求的性能指标： （ 1） %5% i， %10% i； （ 2）稳态时，转速无静差； （ 3）能够快速起动、制动； 由于进行实验调试的实际系统有很大差别，并且目前我们所学有限，能力有限，所以设计中对实际问题的一些方面考虑不多，主要放在了双闭环直流调速系统的设计上。 第五章 小结 三周的课程设计，让我进一步巩固了这一学期来的所学，也回顾了一下电力电子及电机拖动等方面的相关知识，锻炼了自己对知识综合运用的能力，也加强了自己发现问题和解决问题的能力。 在运动控制系统的实验过程中，从一开始的整定相位到后面的综合调试，我们碰到了许许多多的问题，也曾经积极的思考，再结合同学、研究生师兄以及老师的帮助，我们最终成功地完成了实验任务。 课程设计过程中，我们遇到了许多的难题，比如触发电路的设计，在老师的指导下，我们才知道在调节器中必须加入零速封锁器才能让系统安全稳定的运行。 一度觉得想要在三周里完成有点不可能，幸好我们在做实验的时候，无意中发现了一幅双闭环直流调速系统的原理图，令我们茅塞顿开，许多问题迎刃而解