电力拖动轧钢机系统设计.doc

课程设计名称： 电力拖动自动控制系统 题 目： 轧钢机调速系统 专 业：电气与控制工程学院自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 课程设计任务书一、设计题目转速、电流双闭环直流调速系统 二、设计任务1.确定设计方案和主要原部件的选择2.根据系统提出的各项要求，确定开环传函，进行初步稳态，静态分析3.确定系统性能指标及参数计算 三、设计计划第一天搜集资料，确定研究内容第二天整理资料，写出设计指导书第三天初步设计结构，完成理论体系结构第四天设计完成，进行检查错误第五天完善设计内容，准备上交四、设计要求设计每人一题，不允许有雷同 指导教师： 教研室主任： 时 间：辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表学期大四第一学期姓名李佳专业电气工程及其自动化班级自动化07-5课程名称电力拖动自动控制系统设计题目轧钢机调速系统评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师闫馨时间2010年1月3日备 注摘要本设计为转速、电流双闭环调速系统。在控制系统中，为提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采用闭环控制。 采用PI调节的单闭环系统可以在系统稳定的前提下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统的动态性能就难以满足需要。必须采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。 其方式是在系统中设置两个调节器，分别为转速和电流，二者之间实行串级连接。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UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器 引言轧钢机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。但一般所说的轧机往往仅指主要设备。据说在 14 世纪欧洲就有轧机但有记载的是 1480 年意大利人 达 芬奇 (Leonardo da Vinci) 设计出轧机的草图。 1553 年法国人布律列尔 (Brulier) 轧制出金和银板材用以制造钱币。此后在西班牙比利时和英国相继出现轧机。1728 年设计的生产圆棒材用的轧机 为 1728 年英国设计的生产圆棒材用的轧机。英国于 1766 年有了串行式小型轧机 19 世纪中叶第一台可逆式板材轧机在英国投产并轧出了船用铁板。 1848 年德国发明了万能式轧机 1853 年美国开始用三辊式的型材轧机 ( 图 2 最初的三辊式轧机侧视 ) 并用蒸汽机传动的升降台实现机械化。接着美国出现了劳特式轧机。 1859 年建造了第一台连轧机。万能式型材轧机是在 1872 年出现的 20 世纪初制成半连续式带钢轧机由两架三辊粗轧机和五架四辊精轧机组成。 中国于 1871 年在福州船政局所属拉铁厂开始用轧机轧制厚 15mm 以下的铁板 6 120mm 的方圆钢。 1890 年汉冶萍公司汉阳铁厂装有蒸汽机拖动的横列双机架 2450mm 二辊中板轧机和蒸汽机拖动的三机架横列二辊式轨梁轧机以及 350/300mm 小型轧机。随着冶金工业的发展现已有多种类型轧机。第一章 轧钢机的原理及结构1.1轧钢机的原理图及结构轧钢机原理图轧钢机的主要设备有工作机座和传动装置作机座（轧辊轧辊轴承机架轨座轧辊调整装置上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。）轧辊轴承，支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。轧辊轴承工作负荷重而变化大因此要求轴承摩擦系数小具有足够的强度和刚度而且要便于更换轧辊。不同的轧机选用不同类型的轧辊轴承。滚动轴承的刚性大摩擦系数较小但承压能力较小且外形尺寸较大多用于板带轧机工作辊。滑动轴承有半干摩擦与液体摩擦两种。半干摩擦轧辊轴承主要是胶木铜瓦尼龙瓦轴承比较便宜多用于型材轧机和开坯机。液体摩擦轴承有动压静压和静 - 动压三种。优点是摩擦系数比较小承压能力较大使用工作速度高刚性好缺点是油膜厚度随速度而变化。液体摩擦轴承多用于板带轧机支承辊和其它高速轧机。 轧机机架，由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整装置需有足够的强度和钢度承受轧制力。机架形式主要有闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架具有较高强度和刚度主要用于轧制力较大的初轧机和板带轧机等。开式机架由机架本体和上盖两部分组成便于换辊主要用于横列式型材轧机。传动装置（电动机减速机齿轮座和连接轴等组成。齿轮座将传动力矩分送到两个或几个轧辊上。）轧钢机系统框图第二章 轧钢机调速系统的组成和原理采用PI调节的单个转速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，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能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，并不能很理想地控制电流的动态波形。在起动过程中，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。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的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图1-1所示。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UPE。从闭环结构上看，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。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统框图 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环ni转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，图1-2。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。+-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图 第三章 轧钢机调速系统的稳态和动态分析稳态结构图，如图1-3。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。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。图1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和)a转速反馈系数 b 电流反馈系数 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE3.1 各变量的稳态工作点和稳态参数计算当两个调节器都不饱和时，、。转速n由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。转速反馈系数，电流反馈系数。3.2双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-1所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。图2-1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)0)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E转速调节器的传递函数为，转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。开环增益，电流调节器的传递函数为，电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。希望电流超调量，可选=0.707，即3.3 动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。3.3.1抗负载扰动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。a 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACRb U*iUi-EId图23抗负载扰动3.3.2抗电网电压扰动保护电网电压变化对调速系统也产生扰动作用，图2-4。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。a 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1ACRb U*iUi-E图24 抗电网电压波动3.4 转速和电流两个调节器的作用转速调节器的作用（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，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（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。电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，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十分重要的。第四章 电机参数计算4.1 电动机的数学模型在直接转矩控制系统中，参考坐标系是放在定子绕组上的，因此，交流电机广义派克方程中的角等于0，（-）=-，其中为定子角速度，这就是通常所用的-坐标系，电压矢量方程为：u=(u+ ue+ ue =u+ju 令 u=( u-u-u), u=( u- u)异步电动机的动态特性可由下述方程描述： 将实部和虚部分离可得： 转矩方程不变，为 T 4.2主要参数计算（1）电动机的电磁时间常数（2）电动机的电动势常量 （3）电动机的转矩常量 （4）转速惯量第五章 电流调节器的设计5.1 时间常数的确定 表二 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波20 10单相桥式 10 5三相半波 6.67 3.33 三相桥式3.33 1.67系统电磁时间常数Tl：由上可知L=35.98mH，R=0.5， 整流装置滞后时间常数Ts：按表二，三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。 电流滤波时间Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。 电流环小时间常数之和Ti：按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.2 电流调节器结构的选择 根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型型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型电流调节器，其传递函数为，电流调节器的比例系数，电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： =0.142/0.0037=38.31，对照典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。5.3 电流调节器的参数计算 电流调节器超前时间常数i=Tl=0.07s。电流开环增益：要求i5%时，按表三应取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而电流反馈系数=10V/1.5IN=10/（1.5220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系数为表三 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T5.4 近似条件校验 电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件:1/（3Ts）=1/（30.0017）=196.1s-1ci，满足近似条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件: ，ci，满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件:ci，满足近似条件。5.5电流调节器的实现按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为Ri=KiR0=1.64240=65.68k，取65 k； Ci=i/Ri=0.07/（65103）1.0810-6F=1.08F，取1.1F； Coi=4Toi/R0=40.002/40000=0.210-6F，取0.2F。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%（见表三），满足设计要求。第六章 转速调节器的设计6.1 时间常数的确定 电流环等效时间常数1/KI：已取KITi=0.5，则1/KI=2Ti=20.0037=0.0074s。 转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。转速环小时间常数Tn：按小时间近似处理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 6.2 转速调节器结构的选择 按照设计要求，选用典型型系统的PI调节器，其传递函数为。6.3 转速调节器的参数计算 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为n=hTn=50.0174=0.087s，可求得转速环开环增益，因为Ce=（UN-INRa）/nN=（440-2200.088）/1000=0.234Vmin/r，=10V/ nN =10/1800=0.006 Vr/min，于是可得ASR的比例系数为6.4 近似条件校验 由式K=1c得转速环截止频率为。 电流环传递函数简化条件，满足简化条件。 转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件。6.5 转速调节器的实现 取R0=40k，则Rn=KnR0=3.3640=134.48k，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140103）0.62110-6F=0.621F，取0.7F；Con=4Ton/R0=40.01/（40103）=110-6=1F，取1F。6.6 校核转速超调量当h=5时，由表四查得，n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表四是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表四 典型型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mmin准则确定参数关系）h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111 设理想空载起动时，负载系数z=0，已知=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Ce=0.234Vmin/r，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。当h=5时，由表五查得，Cmax/Cb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降nN=INR/ Ce=2200.12/0.234=94.01 r/min，代入式，计算得：n=能满足设计要求。表五 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85第七章 综合校正对双闭环直流调速系统中的电力拖动系统、直流电动机电枢回路、可控硅电路三部分进行串联校正设计，得此开环传递函数为令，用串联综合校正方法设计一串联校正装置，使系统满足：，。由以上所取的参数可列写出单位反馈系统开环传递函数为1）由，画出的未校正系统对数幅频特性|，如图4.1所示，当=1rad/s时，20lg| =20lgK=36.9dB。并求得待校正系统的截止频率=24rad/s。图4.1 系统特性2）绘制期望特性低频段与未校正部分重合，中频段在绘制之前，首先将及转换为响应的频域指标和，由式求的=1.6， 由可得，=式中=2+1.5（-1）+2.5-1 ，代入=1.6可求得=3.8， ， 可以算出 在=12rad/s处，作-20dB/dec斜率直线，交20lg|于=48rad/s处，见图4.1。取=4rad/s, =48rad/s此时，H=/=11。由式可粗略估算相应的相位裕度在中频段与过=4rad/s的横轴垂线，与中频段-20dB/dec直线交点处，作-40dB/dec斜率直线，交期望特性低频段于=0.68rad/s处，至此中低频衔接完成。中、高频衔接段，在=48rad/s的横轴垂线与-20dB/dec中频段的直线交点处作斜率为-40dB/dec直线，交未校正系统的20lg|高频段于=50rad/s处；当时，取期望特性与未校正系统的高频段一致。于是，可求得期望特性的全部参数为=0.68rad/s =4rad/s， =48rad/s =50rad/s =12rad/s H=123）将|与|dB特性相减，得串联校正装置传递函数 4）验算性能指标。校正后系统开环传递函数得出：=12rad/s，=1.5，可以满足设计的性能指标要求。 设计总结自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能就是抗扰性能，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。在典型系统中，典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，而典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。对于经常正、反转的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在最大准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）为准许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形是方形波，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起动过程。然而在实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确实现。为了实现在准许的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。问题是，在起动过程中应只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速