中南大学-四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计

第一章整体设计综述1.1设计目的运动控制系统是自动化专业的主干专业课程，具有较强的系统性、实践性和工程背景，运动控制系统的课程设计目的是为学生综合运用运动控制系统的知识和理论解决运动控制系统设计问题，使学生确立正确的设计思想，建立工程设计的一般程序， 掌握规范和方法，查阅学生的调查研究、文献，提高正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，了解分析、制定设计方案的能力，设计计算和制图能力，实验研究和系统调整能力，制作设计说明书的能力。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，绘制该系统的电路图。(2)设计并分析构成该系统的各单元。(3)选择主电路的主要设备，计算其参数(包括整流变压器的电容s、电抗器的电感量l、晶闸管的电流、电压额定值、快熔的电容等)，说明保护元件的作用(需要电流和电压保护)。(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，计算其参数。(5)结合实验，阐述该系统设计的正确性。1.3课题设计要求四辊可逆冷轧机卷宗机直流调速系统设计(一)生产技术和机械性能；四辊可逆冷轧机是冷轧紫铜及其合金辊条，为了提高其生产效率，冷轧机必须往复轧制金属材料。 在达到要求的厚度之前不停止。 冷轧机左右两侧的2台卷取机，在从左向右的正转轧制过程中，左边的1台卷取机处于发电机状态，右边的1台卷取机用于卷取机，要求在电动状态下工作。 反向轧制(从左向右轧制)时，右侧卷取机在开卷机、发电机状态、左侧卷取机在卷取机用、电动状态下工作。两台卷取机的电机参数完全相同，机械参数如下带辊内径(辊径):500mm带辊外径： 6801100mm缠绕最大重量： 2000kg缠绕最大张力： 2000kg卷取机齿轮比： i=1.87张力传感器带材右卷取机张力传感器轧机左卷取机图2是图1装置结构图(二)设计要求；一、两台卷取机的控制原理完全相同，只设计其中一台2、技术指标：稳定无静差，无电流过调量，无负荷启动至额定转速时转速过调量可实现快速制动。(3)直流电机参数：、电枢电路电阻、电流过载倍数、第二章方案设计与比较论2.1调速方案比较论根据四辊可逆冷轧机卷宗机直流调速系统的设计要求及其性能特点，可探讨以下设计方案。晶闸管-电机调速系统，采用v-m系统。 v是晶闸管控制整流器，是单相、三相或多相、半波、全波、半控制、全控制等类型，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，能够改变整流电压Ud，能够实现平滑的调速。 即采用调压调速方式，实现无级基准速度以下的调速。晶闸管电机调速系统为控制作用时间毫秒级，完全满足系统动态要求且其技术成熟，成套设备多，成本低，设计使用比较容易。由于晶闸管的单向导电性，不允许电流反转，给系统的可逆运行带来困难的晶闸管对过电压、过电流和过高的dv/dt和di/dt敏感，超过允许值时，由于短时间内破坏器件的高次谐波和无功功率，电网的电压波形失真，波及附近的电力设备，成为“电力公害” 下一项设计将改善上述不足。该轧机要求正转、反转和快速制动，因此也有必要采用可逆调速系统的负荷，因此需要无环调速系统。 在由一组晶闸管装置供电的单环路和多环路调速系统中，电动机只能向一个方向旋转，因此只能进行单象限运转，电动机要求能够正转、反转、快速制动，需要四象限运转的特性，在这种情况下必须采用可逆调速系统在有环流系统中，具有反方向快、过度光滑等优点，但是设置一些环流电抗器毕竟很麻烦。 因此，在大容量的系统中，从机械生产的可靠性来看，多采用没有直流平均环流也没有瞬间脉冲的无环流可逆系统。2.2具体方案和模块设计和电路设计2.2.1主回路设计该系统为直流调速系统，在为获得良好的直流而采用三相整流的生产技术中要求电动机的正反，因此考虑到晶闸管的单向导电性，可以利用正反两组晶闸管的反并联可逆控制系统。其实现方法如下图所示图2主回路设计图可逆调速系统既可以正转也可以反转，而且总是需要快速启动和制动，能够满足电力拖动系统具有四象限运行特性的要求。2.2.2控制电路设计(1)电动机控制电路的整体设计为了满足生产工艺对电流过调量的要求，并实现允许条件下的最快启动，得到将电流保持在最大值Idm的恒流工艺是很重要的。 应采用电流闭环调节环ACR。为了满足生产技术对电流转速的过调整量和转速没有静差的要求。 必须在转速闭环中调节环ASR。因此，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，导入转速的负反馈和电流的负反馈，以使转速和电流两种负反馈分别起作用。 在两者之间实现嵌套(或串联级别)耦合。在环流系统中，具有反向快、过度光滑等优点，但设置一些环流电抗器毕竟很麻烦。 因此，在大容量的系统中，从机械生产的可靠性来看，多采用没有直流平均环流也没有瞬间脉冲的无环流可逆系统。 由于本系统容量大，工艺对系统正反演的平稳过渡特性要求不大，因此采用了无环流控制可逆系统。 也就是说，当一组晶闸管工作时，在逻辑电路(硬件)中基于零转矩和零电流逻辑，截断另一组晶闸管的触发脉冲，使其成为完全截断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从而根本上截断环流的通路。 因此，有必要添加逻辑控制单元DLC以控制正反组的操作。分析表明，控制系统的控制电路包括给定模块、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，以及用于避免元件温度上升和零点漂移的零速切断图2.1控制系统的框图图4是图3控制系统框图控制系统的方框图如上图所示。 采用电流调节器和触发模块，采用逻辑控制单元调节正反晶闸管的工作。 达到调压调速的目的。2.2.3控制回路单元模块的回路设计(1)规定的单元如从前图显而易见，给定单元包括模拟电路，包括三级放大器，第一级是高倍放大器，而第一级是饱和值，当给定量值过大时要求限制，由二极管控制，U1和Un*的极性相同，第二级是积分器，并且进行RC积分的输出电压变为斜坡信号最后一级是反相器，其反转u-2信号以改变与Un*一致的方向，并且将Ugi反馈到第一级的输入端，以确定积分结束时间点；(2)转速调节器1 .转速调节器是调速系统的主导调节器，能够使转速n立即跟随规定的电压变化，在稳定时减小转速误差，进而实现转速没有差异。2 .抵制负载的变化。3 .其输出限制值确定电动机允许的最大电流。4 .电机过载锁定时，限制电枢电流的最大值，发挥迅速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。考虑到ASR的上述作用和生产技术，要求系统组的步进信号无静差，将ASR设计为PI调节器，根据有关文件，将系统组成两型系统，可实现转速无静差。图4是ASR的主体结构图，对转速指定电压Un*和转速反馈电压Un进行滤波后，通过由放大器构成的PI调节器来生成电流指定电压Ui*，并输出到电流调节器。图ASR的主体结构图实际安装电路如下所示图5是实际实现电路图U1、U2、C9、U5、U4、C10构成等效截止滤波器，除去转速的给定和转速的反馈波动。电阻器R14、C8可以经由放大器来配置PI调节器，并且一个最大电阻器R13并联连接以形成基准PI调节器，以避免由于操作的长期操作而引起的零点漂移。场效应晶体管Q7用于开关，并且当过零输入信号处于高电平时，场效应晶体管导通以使输出变为0V，并且二极管D5避免由于过零信号的改变而异常地导通Q7。D6、D7、R44、R45构成正负限幅电路。 以前向限幅(slice )为例，如果运算放大器的输出端子电压通过限流电阻器U6之后的电压值小于通过将R44滑动端子对地电压与D6导通电压相加所获得的值，则输出D6导通时将输出电压钳制到限幅值(clice value )。电容器C11用于限制放电输出端子电压的变化过快。(3)电流调节器1、作为内圈的调节器，在外圈的转速的调节过程中，具有使电流牢固地跟随其规定的电压(即外圈的调节器的输出量)的变化的作用。2 .起到及时抵制电网电压波动的作用。3 .在转速的动态过程中，保证得到电机容许的最大电流，加速动态过程。4 .电机过载锁定时，限制电枢电流的最大值，发挥迅速的自动保护作用。 一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 这一作用对系统的可靠运行至关重要。考虑到ACR的上述作用和生产技术，发现系统主电路的电流过调量要求较小，ACR可以设计成PI调节器，通过有关文件，这样可以使电流环形成I型结构。 通过一次优化，要求动态的性能。图6和图7分别是各自的主体结构图和实际的实现图，规定电压Ui*和电流反馈电压Ui被滤波后，通过由放大器构成的PI调节器将生成触发电路所得到的控制电压Ua输出给触发电路。图ACR主体结构图ACR主体结构的实际电路与转速调节器ASR大致一致，但是由于利用ACR来控制正反2组晶闸管的触发电路，因此在ACR的输入端分别输入被赋予了正反2组电流的信号。 由于ACR一次只能对一组输出控制信号，所以采用交替输入给出了正反组电流的信号的方式。 在该实现方案中，用于电子开关DZS的正反组操作的控制信号Ubir和Ubif控制正反组电子开关的导通和关断。 正反组电流达到规定信号交替输入的目的。输出电路采用晶体管放大电路来提高带宽负载能力。 负载电流对本环节的冲击也减少了。图7是电流调节器实际实现图(4)触发器电路为了提高机械整体的寿命、缩小体积、降低成本，采用了TC787单电源方式。 TC787具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗噪性高、移相范围宽、外接元件少等优点，且组装简单、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就能够完成相应的移相机功能。技术参数如下：实际电路如下所示图8触发器实际上实现了电路对三相同步电压器同步信号进行滤波，以调整输入到TC787的同步端子14、15和16的电容的斜率。 13脚电容器起着调节脉冲宽度的作用。 4脚为Uct调整电压输入端子。 其馀引脚发挥供电作用，保证起始电路在双脉冲触发方式下正常工作。(5)逻辑控制单元逻辑控制环节DLC主要是保证不出现环流，这是系统的重要环节。 根据系统的运行状况，可以指导系统进行正、反组的自动切换，其输出信号Ublf控制对正组触发脉冲的锁定或释放，Ublr控制对反组触发脉冲的锁定或释放。 结构上主要分为逻辑控制和延迟控制考虑重组运行的参考依据是转矩极性和电流是否为零，DLC输入信号的转矩极性和电流为状态。DLC的逻辑如下正向运行： VF整流、VF开放、VR关闭反向制动： VF变频器、VF开放、VR关闭反转运行： VR整流、VR开放、VF关闭正向制动器： VR变频器、VR开放、VF关闭。图DLC的实现图因此，DLC的输出有以下两种状态VF开启-ublf=1VF区块Ublf=0VR开启-ublr=1vr区块Ublr=0R32和C34、R34和C37构成延迟链路，提供以下两种延迟条件以确保两组晶闸管装置之间的可靠切换。t1延迟关闭等待时间，以确保电流超过零，而不是由于电流脉动而产生误信号t2延迟可以触发待机时间以使得断开的晶闸管恢复断开能力，并且不再导通。(6)零转矩检测单元和零电流检测单元零转矩检测单元和零电流检测单元的结构与实现电路完全相同，实际上是滞后比较器。 但是，如果目的不同，则零转矩检测部检测转矩的正负极性，零电流检测部检测电流是否为0。 因此，具体参数不同，滞后曲线的要求不同。其实现电路图如图10所示图10实现电路图11滞后曲线(七)零封锁环节当给定信号为0时，电动机不动，但是各个调节器的零点漂移会引起电动机的蠕变，为了避免零点时电动机的蠕变，必须将调节器锁定为零，即，控制场效应晶体管，在调节器的输入输出之间图12是零块电路的电路图。图12零封锁链路电路图第三章系统参数的设计与计算3.1主回路参数计算(1)整流变压器的选择由于整流线路采用三相桥式整流，这种可逆系统包括又整流电流因此，副方变压器容量如下交流变压器二次侧为交流，没有直流磁化的问题，因此一次侧变压器容量变压器的总容量(2)晶闸管的选择选择晶闸管元件的正向反峰值电压当电机额定电压超过220V时设为1250V晶闸管额定电流(3)晶闸管保护对策为了限制电压上升率和电流上升率，系统内置有桥式电抗器，桥式电抗器采用中空电抗器，为了提高电感量，在各电抗器内设置了铁氧体磁棒。使用快速保险丝作为过电流保护，桥臂快速熔融的额定电流如下所示环流快熔的额定电流如下所示选