运动控制课程设计-四辊冷轧机直流调速系统的设计.docx

运动控制课程设计四辊冷轧机直流调速系统的设计学院名称信息科学与工程学院专业班级自动化1202班姓名指导老师目录前言1第一章四辊冷轧机直流调速系统的设计概述21.1 设计目的21.2 设计内容21.3 课题设计要求21.3.1生产工艺和机械性能21.3.2设计要求41.3.3直流电动机参数4第二章主电路和控制电路的设计42.1 调速方法的设计42.1.1调压调速42.1.2 调磁调速52.1.3 调阻调速52.2 系统主电路方案的设计62.2.1励磁反接可逆电路62.2.2 电枢反接可逆电路72.3 系统控制电路方案的设计82.3.1 单闭环调速还是多闭环调速的选择82.3.2 系统控制方法的选择9第三章系统各单元概述123.1双闭环调速系统结构概述123.2速度调节器133.3电流调节器143.4锯齿波同步移相触发电路153.5电流反馈与过流保护163.6转速变换173.7零速封锁器183.8转矩极性鉴别(dpt)203.9零电平检测(dpz)213.10逻辑控制(dlc)21第四章主电路的主要设备及其参数224.1晶闸管的参数计算234.2平波电抗器的选择234.3 整流变压器的选择23第五章电流环和电压环的设计245.1 设计准备245.2电流调节器的设计255.3转速调节器的设计27第六章设计总结30前言直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促使电力传动控制技术迅猛发展。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高品质的动力。尽管目前交流调速技术日趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性使得交流调速受到广泛用户的欢迎；但是直流调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场。四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，属于冷轧机械技术领域。四辊可逆冷轧机直流调速系统已广泛应用于工业生产。它提高了生产效率，减少了能耗，为社会带来极大的效益。所以设计合理、高效的四辊冷轧机直流调速系统是非常有必要的，也是工业实际生产所迫切要求的。晶闸管电动机调速系统（简称v-m 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。在许多大型的钢铁行业和材料生产行业中，为获得良好的控制性能，大量使用直流电动机调速系统，尤其是直流双闭环调速系统，它具有调速性能好，调速范围宽，动态性能好等优点。因此本次课程设计选择用逻辑无环流控制的可逆晶闸管电动机调速系统来调节电动机的速度以满足生产工艺要求。本文结构组织如下：第一章为课程设计的要求，第二章为主电路和控制电路的设计方案及其论证，第三章为组成该系统各单元的分析说明，第四章为主电路的主要设备的设计，第五章为电流环和转速环的设计，第六章作为本次课程设计的总结。由于时间仓促及水平有限，设计中不妥或疏漏之处在所难免，恳请各位老师和同学批评指正。第一章四辊冷轧机直流调速系统的设计概述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，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。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）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课题设计要求1.3.1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毫米；支持辊的最大和最小直径：500/470毫米；辊身长：400毫米；轧制时轧件对轧辊的最大压力：60吨；压下时轧件对轧辊的最大压力：120吨；轧制速度：0.510米/秒；基速：7米/秒；带材宽度：300毫米；带材坯料厚度：1毫米；带卷内径（卷筒直径）：500毫米；轧制成成品：8道次以上；传动比：i=1；四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，属于冷轧机械技术领域。其工作原理如图1所示。四辊冷轧机由机架上、下支持辊和上、下工作辊组成。上支持辊安装在机架的工作窗口的上方，下支持辊安装在机架的工作窗口的下方，上、下工作辊安装在工作窗口的中部，并且共同位于上、下支持辊之间。其中，上工作辊分别与上支持辊和下工作辊辊面接触，而下工作辊与下支持辊辊面接触。该冷轧机的特点是：在机架上并且在对应于上、下工作辊的长度方向的进带口一侧设有一对彼此保持前后对应关系的第一、第二带材张力调整机构。优点是：由于在机架上和对应于上、下工作辊的进带口一侧设置了第一、第二带材张力调整机构，从而能使带材在保持所需的张力下进入上、下工作辊进行轧制，保证轧制出的带材具有整体匀致的效果。为了提高生产效率，要求轧机能够往返轧制金属材料。故冷轧机左右两边的两台卷取机在从左往右正向轧制过程中，左边卷取机作开卷机用，电动机工作在发电状态；右边卷取机作卷取机用，电动机工作在电动状态。如果逆向轧制，右边卷取机作开卷机，电动机工作于发电状态；左边卷取机作卷取机用，电动机工作于电动状态。因此，两台电动机的参数完全一样。四辊冷轧机的两台直流电动机既需要正转，也需要反转；而且常常还需要快速的起动和制动。所以其直流调速系统必须能够四象限运行，即设计成可逆调速系统。下附轧机原理简图：带材 v负 v正作开卷机作卷取机轧机（轧辊）作开卷机用作卷取机用图1 辊机原理简图1.3.2设计要求稳态无静差，电流超调量5%；空载启动至额定转速时转速超调量%10%，能实现快速制动。1.3.3直流电动机参数=120kw，=230v，=780a，=1000r /min,=0.05，电枢回路总电阻r=0.12，电流过载倍数=2.25，=87.5第二章主电路和控制电路的设计直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于大范围内平滑调速，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。直流调速系统方案的论证主要包括三部分：调速方法的确定；主电路的确定；控制电路的确定。2.1 调速方法的设计由直流电机转速方程可知有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压 u；（2）减弱励磁磁通 f；（3）改变电枢回路电阻 r。2.1.1调压调速图2-1 调压调速特性曲线图2-2调磁调速特性曲线工作条件： 保持励磁 f = fn；保持电阻 r = ra ;调节过程： 改变电压un un ， n0;调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移，机械特性较硬。将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且能实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。2.1.2 调磁调速工作条件：保持电压u =un；保持电阻r = r a ；调节过程：减小励磁fnfn，n0 ;调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。其特性如图2-2所示。保持电源电压为恒定额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁能力，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而且更重要是可以实现无级调速，但由于电动机的换向能力有限以及机械强度的限制，速度不能调节太高，从而电动机的调速范围也就受到限制。2.1.3 调阻调速图2-3 调阻调速特性曲线图工作条件：保持励磁f = fn；保持电压u =un ；调节过程：增加电阻rar n，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。其特性如图2-3所示。在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢中串不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即斜率不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，成本低，但外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，只能适应对调速要求不高的中小功率电动机。通过以上分析，我们知道弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围。串电阻调速只能是分段调节，不能实现无级调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制，严重影响生产的效率和质量。而本系统要求电动机能够实现快速起、制动，且要可逆运行和无静差。所以以上两种调速方案都不可行。调压调速的方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。这种方法完全可以满足四辊冷轧机的生产工艺要求。所以本系统的电机调速方案确定为调压调速。2.2 系统主电路方案的设计由设计要求可知：系统的直流电动机需要可逆运行。即要求电动机能够产生正向和反向转矩。由电动机转矩公式te = cmfid可知：有两种方法可改变转矩方向，一是改变电动机励磁f的方向（即励磁可逆），二是改变电枢电流的方向（即电枢可逆）。2.2.1励磁反接可逆电路我们可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向进而使电动机改变转向。晶闸管反并联励磁反接可逆线路如图2-4所示。电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。虽然采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少，可以实现电动机的正反转，但是由于电动机励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢，改变转向时间长，这将很难满足四辊冷轧机直流调速系统快速性的要求。也就很难使得生产出来的产品达到生产工艺的要求。所以我们不能选择励磁反接这一控制方案。图2-4 晶闸管反并联励磁反接可逆线路2.2.2 电枢反接可逆电路电枢反接可逆线路的形式有多种，主要有以下3种方式：（1）接触器开关切换的可逆线路（2）晶闸管开关切换的可逆线路（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路接触器开关切换的可逆线路如图2-5所示。kmf闭合，直流电动机正转；kmr闭合，直流电动机反转。系统仅需四个接触器，简单、经济。但系统是有触点切换，开关寿命短；需自由停车后才能反向，时间长；而且系统的容量较小。不能够满足本系统快速起停、正反转、大容量的要求，所以该方案不适用于本系统。图2-5 接触器开关切换的可逆线路图2-6 晶闸管开关切换的可逆线路图2-7 两组晶闸管装置反并联可逆线路晶闸管开关切换的可逆线路如图2-6所示。vt1、vt4导通，电动机正转； vt2、vt3导通，电动机反转。该方案只能适用于中、小功率的系统，限制了系统的应用范围。我们最好还是选择两组晶闸管装置反并联可逆线路。其线路图如图2-7所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置vf供电；反转时，由反组晶闸管装置vr供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。它在快速性和容量上都可满足系统的生产工艺要求，可适用于各种可逆系统。所以系统主电路最终设计成两组晶闸管装置反并联可逆线路。两组晶闸管装置反并联可逆线路如图2-7所示。2.3 系统控制电路方案的设计我们要确定可逆直流调速系统控制电路的方案，就要先确定其控制电路为单闭环还是多闭环。其次再确定控制电路的具体控制方法。2.3.1 单闭环调速还是多闭环调速的选择采用转速负反馈加电流截止负反馈和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：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。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idcr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。由图2-8-a可知：起动电流达到最大值idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。不能满足快速性的要求，所以这种方案不可取。图2-8直流调速系统起动过程的电流和转速波形由图2-8-b可知：理想的快速起动过程，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。为了在起动过程中能够得到这个最大的恒定电流，得设计一个电流负反馈。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。二者之间实行串级控制。所以系统控制电路的结构为转速、电流双闭环。2.3.2 系统控制方法的选择通过以上分析，系统已基本上确定为转速、电流双闭环的晶闸管-电动机调压调速系统。然而采用两组晶闸管反并联的可逆v-m系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如下图中所示（ic为环流、id为负载电流）。这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑图2-9 两组晶闸管反并联的可逆v-m系统制或消除。这对控制方法提出了更高的要求。这里我主要论证两套在实际工业生产中得到广泛应用的控制方案：a = b配合控制的有环流可逆v-m系统和无环流控制的可逆v-m系统。（一）a = b配合控制的有环流可逆v-m系统采用a = b配合控制的有环流可逆v-m系统原理框图如图2-10所示，图中主电路是三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路为典型的转速、电流双闭环系统。asr和acr都设置了双向输出限幅值，以限制最大起制动电流和最小控制角amin和最小逆变角bmin 。a = b配合控制已经消除了直流平均环流，但由于上下两桥整流与逆变的瞬时电压不一样，所以主电路还存在脉动的环流。这一环流对系统及有好处也有坏处。它使电动机的正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统；但需要向系统添加环流电抗器，而且晶闸管等器件都要负担负载电流和环流。对于大容量的系统来说，这些缺点就会比较明显。而四辊冷轧机直流调速系统的容量比较大，所以将a = b配合控制的这种控制方法应用于本系统不太合适。我们的选择其它的控制方法。图2-10a = b配合控制的有环流可逆v-m系统（二）无环流控制的可逆v-m系统通过上一小节的分析可知：有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既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。按照实现无环流控制原理的不同，无环流控制的可逆系统又分为两大类：错位控制无环流系统和逻辑控制无环流系统。在错位控制的无环流可逆系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是ar+af = 300，甚至是ar+af = 360，也就是说，初始相位整定在ar= af = 150或180。这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环流了。鉴于目前错位控制的无环流可逆系统实际应用已经较少，本系统不予以考虑。我们主要来探讨逻辑控制无环流系统。逻辑控制的无环流可逆系统工作原理：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）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，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。逻辑控制的无环流可逆调速系统的原理框图如图2-11所示。系统结构的特点：由于没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器ld，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；电流环分设两个电流调节器，1acr用来控制正组触发装置gtf，2acr控制反组触发装置gtr；1acr的给定信号经反号器ar作为2acr的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节dlc，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号ublf用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。图2-11 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图在逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。采用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另一套装置就可以节省下来了。这样的系统称作辑选触无环流可逆系统，其原理图如图2-12所示。图中：saf，sar分别是正、反组电子模拟开关。其它的和图2-11的一样。系统节省了一套电流调节器和触发装置。而且实际系统都是逻辑选触系统，所以系统的控制方法选为逻辑选触无环流控制。本章主要讲述系统方案的论证。我们先确定系统为调压调速，然后经论证系统图 2-12 逻辑选触无环流可逆系统的原理框图主电路确定为两组晶闸管装置反并联的可逆电路，最后我们论证控制电路的方案。在控制电路的方案论证中，我们先确定系统为转速、电流双闭环的调速系统，然后根据自己所学知识和工程实际应用确定控制电路的控制方法为逻辑选触无环流控制。通过以上的分析和论证，系统的方案确定为逻辑选触无环流可逆v-m系统。原理框图如图2-12所示。第三章系统各单元概述3.1双闭环调速系统结构概述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3-1所示。 图3-1主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km跳开而保护整个系统，当km跳开失败后，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km部分电路图如图3-2所示。图3-2起动开关电路图3.2速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3-3所示：图3-3 速度调节器在图中“1、2、3”端为信号输入端，二极管vd1和vd2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管vd3、vd4和电位器rp1、rp2组成正负限幅可调的限幅电路。由c1、r3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。r7、c5组成速度环串联校正环节。改变r7的阻值改变了系统的放大倍数，改变c5的电容值改变了系统的响应时间。rp3为调零电位器。3.3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3-4所示。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v4、v5导通，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。图3-3-1电流调节器图3-4 电流调节器3.4锯齿波同步移相触发电路图3-5 锯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v3、vd1、vd2、c1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压ut来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由v1、v2等元件组成的恒流源电路，当v3截止时，恒流源对c2充电形成锯齿波；当v3导通时，电容c2通过r4、v3放电。调节电位器rp1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压uct、偏移电压ub和锯齿波电压在v5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，rp2、rp3分别调节控制电压uct和偏移电压ub的大小。v6、v7构成脉冲形成放大环节，c5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。图3-6电流反馈与过流保护原理图3.5电流反馈与过流保护本单元有两个功能，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rp1、rp2、及r1、r2、vd7组成的3条支路上，其中:r2与vd7并联后再与r1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r1、r2分压所得，vd7截止。当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0.6v左右时，vd7导通，使输出始终保持在0.6v左右。将rp1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由rp1进行调节。rp2的滑动触头与过流保护电路相连，调节rp2可调节过流动作电流的大小。(2)当电路开始工作时，由于电容c2的存在，v3先与v2导通，v3的集电极低电位，v4截止，同时通过r4、vd8将v2基极电位拉低，保证v2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，rp2上取得的过流电压信号超过稳压管v1的稳压值，击穿稳压管，使三极管v2导通，从而v3截止，v4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。调节rp2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。(4)过流的同时，v3由导通变为截止，在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)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、r4、vd8及c2维持v2导通，v3截止、v4导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下sb后，v2基极失电进入截止状态，v3导通、v4截止，电路才恢复正常。3.6转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3-7 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。图3-8 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。3.7零速封锁器零速封锁器的原理图如下：图3-9 零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3-9。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vd1和vd3分别进入运放的反向输入端，而当输入信号为负值时，则通过vd2和vd4进入运放的正相输入端。故当输入信号绝对值大于某值时（0.3v左右）时，运放输出始终为负值，通过二极管vd9和vd10钳位至-0.7v，作为“0” 信号，当输入信号的绝对值小于某一整定值时（0.2v左右），则运放输出正电压，作为“1”信号。因此可得到如图3-10所示的“山”型继电特性。图3-10 零速封锁器的“山”型继电特性当电平检测到输入电压大于0.3v时，其输出为低电平“0”，当电平检测到输入电压小于0.2v时，其输出为高电平“1”。两个电平检测器的输出经与门和非门后，v2的基极为低电平，v2导通，零速封锁器输出约为-15v的电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极，使其关断，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”，v2基极为低电平，则v2截止，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c3和电阻r25起延时作用，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c3和r25充电，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s1开关，当开关拨到“封锁”时，零速封锁器处于工作状态；当s1开关拨到“解除”时，零速封锁器处于关闭状态。3.8转矩极性鉴别(dpt)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3-11所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图3-12所示，具有继电特性。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0.20.6v，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。图3-11 转矩极性鉴别原理图 图3-12转矩极性鉴别器的输入输出特性3.9零电平检测(dpz)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3-13和图3-14所示。图3-13 零电平检测器原理 图3-14 零电平检测器输入输出特性3.10逻辑控制(dlc)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3-15所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推b电路和功放电路等环节组成。图3-15 逻辑控制器原理图 (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um和ui状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换(由um是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由ui是否从“0”变“1”决定)。即当um变号后，零电平检测到主电路电流过零(ui =“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uz和uf状态必须相反。(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uz或uf后，经关断等待时间t1（约3ms）和触发等待时间t2(约loms)之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vd1、vd2、c1、c2起t1的延时作用，vd3、vd4、c3、c4起t2的延时作用。(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，uz、uf的输出同时为“1”状态，逻辑控制器的两个输出端ulf和ulr全为“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uz、uf全为“1”状态时，使逻辑保护环节输出a点电位变为“0”，使ulf和ulr都为高电平，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g8输出“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ulf、ulr,故增加了v3、v4组成的功率放大级。第四章主电路的主要设备及其参数四辊冷轧机直流调速系统主电路采用两组晶闸管反并联实现电机正反转和快速起、制动。其主要设备为12个完全一样的晶闸管、一个平波电抗器、一台直流电动机和一台整流变压器组成。如图4-1所示。图4-1 系统主电路图逻辑选触无环流可逆系统的原理框图4.1晶闸管的参数计算直流电动机的电流过载倍数 =2.25，所以电动机的过载电流为：imax =in =2.25 780=1755a电动机过载运行时的二次侧电流大小为:i2 =imax =0.816 1755 =1433a晶闸管的通态平均电流为：ivt(av) = (1.52)ivt /1.57= (1.52)i2 /1.57=968.11290.8a考虑安全裕量，晶闸管的额定电流取ivt(n) =1200a。由电机参数可知：整流输出最大电压 u2l =un=230v,u2=132.8v。晶闸管承受的平均有效电压为：u2m =u2=u2l=325.3v晶闸管承受的最大正向和反向电压为：ufm =urm=(23)u2m=650.6975.9v考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：uvt(n) =900v (取为900v)所以晶闸管的额定容量参数选择为：ivt(n) = 1200a uvt(n)=900v4.2平波电抗器的选择为使直流电动机运行时的机械特性较硬，需保证电动机运行到最小电流时电枢电流仍能连续。此时的电流取为额定电流的5 %10%。这里取为5%，则：idmin= 5% in = 39a 。电枢回路总电抗为：电枢需要串入的电枢电抗器大小可以选为。4.3 整流变压器的选择由已知电动机参数确定变压器参数。已知，得又已知，可得 因此，变压器的容量为所以取综上，变压器参数为380v/230v，容量为。第五章电流环和电压环的设计四辊冷轧机直流调速系统要求实现转速无静差，所以两个调节器都采用pi调节器。转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构框图如图5-1所示。a转速反馈系数；b 电流反馈系数；asr转速调节器；acr电流调节器；为晶闸管触发整流装置的电压放大系数；为电枢回路总电阻；为电动机的电动势系数；为电枢电流。其中两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器asr的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，也就限制了电动机的最大起动电流。5.1 设计准备根据经验，电动机转速达到额定值时的取转速给定为，asr输出的限幅值为，acr输出的限幅值为。晶闸管放大系数为。图5-1 转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图1系统固有参数计算电动机的电动势常量为电动机的转矩常量为机电时间常数为电枢回路电磁时间常数为2预先设定反馈参数调节器输入回路电阻电流反馈系数为转速反馈系数为5.2电流调节器的设计1.确定时间常数1)整流装置之后时间常数：三相桥式电路的平均失控时间为。2)电流滤波时间常数：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有，因此取。3)电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理。取2.选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保障稳态电流无静差，可按典型i系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用pi电流调节器。其传递函数为，式中为电流调节器的比例系数；为电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：参照典型i型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求，取，因此于是，acr的比例系数为4校验近似条件电流环截止频率：（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。（3