中南大学四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计

1、第一章 总的设计概述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个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

2、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 课题设计要求四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计（1）生产工艺和机械性能四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高其生产效率，冷轧机要往、返轧制其金属材料。直到达到要求的厚度时才停止。因为要求冷轧机左右两边的两台卷取机在从左往右的正向轧制过程中，左边一台卷取机用，其工作在发电机状态，右边一台卷取

3、机作卷取机用，工作在电动状态。若逆向轧制（从左往右轧制），右边卷取机作开卷机，工作在发电机状态，左边卷取机则作卷取机用，工作在电动状态。两台卷取机的电动机参数完全一样，机械参数如下：带卷内径（卷筒直径）：500mm 带卷外径：6801100mm带卷最大重量：2000kg 带卷最大张力：2000kg卷取机传动比：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 图一 设备结构简图（2）设计要求1、两台卷取机控制原理完全一样，仅设计其中一台；2、技术指标：稳态无静差，电流超调量，空载启动至额定转速时的转速超调量能实现快速制动。（3）直流电动机参数：、 电枢回路电阻、电流过载倍数、。第二章

4、方案设计与比较论证2.1 调速方案比较论证根据四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计的要求，以及根据其性能特点要求可以研究其如下设计方案。我们采用晶闸管电动机调速系统，即VM系统。V是晶闸管可控整流器，它可以是单相、三相或多相的，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。即采用调压调速的方式，以实现无级基速以下调速。晶闸管电动机调速系统是在控制作用时间毫秒级的，完全满足系统动态性要求；而且其技术较成熟，成套设备多，成本较低，设计使用相对容易。由于晶闸管的单向导电性它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管

5、对过电压、过电流和过高的dv/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。而在下面的设计中我们会针对以上的不足加以改进。此轧机要求既能正转、反转，又能快速制动，所以需采用可逆调速系统；它又带负载，所以需采用无环调速系统。由一组晶闸管装置供电的单闭环和多环调速系统中，电动机都只朝着一个方向旋转的，因此只能获得单象限的运行，而要求电动机既能正转、反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。在有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此

6、，对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。2.2 具体方案和模块设计及电路设计 主回路设计此系统是直流调速系统，为了获得较好的直流采用三相整流；由于生产工艺要求电机正反转，考虑到晶闸管的单向导电性，可用正反两组晶闸管反并联可逆控制系统。其实现方式如下图： 图二 主回路设计图可逆的调速系统能满足电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，即需要电力拖动系统具有四象限运行的特性的要求。 控制回路设计（1）电机控制回路的整体设计为了满足生产工艺对电流的电流超调量的要求，并且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

7、保持为最大值Idm的恒流过程。必需采用电流闭环调节环ACR。为了满足生产工艺对电流的转速超调量和转速无静差的要求。必需采用转速闭环调节环ASR。因此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。有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。而本系统的容量较大，工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很，因而采用无环流控制可逆系统。即当一组晶闸管工作

8、时，用逻辑电路（硬件）根据零转矩和零电流逻辑的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，从根本上切断环流的通路。因此需要增加一个控制正反组工作的逻辑控制单元DLC。通过分析可以确定控制系统控制回路由以下几个模块组成：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和一个为避免元件温升和零点漂流的零速封锁单元DZS。图2.1 控制系统框图图三 控制系统框图控制系统框图如上图所示。采用一个电流调节器和一个触发模块，并采用逻辑控制单元来协调正反组晶闸管工作。从而达到调压调速的目的。

9、 控制回路单元模块电路设计（1）给定单元有上图可知，给定单元由模拟电路组成，包含三级放大器，第一级为高倍放大器，U1都是饱和值，当给定过大时，要求限幅，由二极管控制，U1与Un*极性相同，第二级为积分器，经过RC积分输出电压变为斜坡信号，且为负相，与给定Un*方向相反，积分变化率可以用电位器RP来调节，可以调节RC来控制积分快慢。最后一级为反向器，将U2信号反向，使与Un*一致方向变化，并且Ugi反馈回第一级输入端，为负反馈，以决定积分终止时刻，当Ugi>= Un*时，负反馈起作用，U1很快减小，积分终止，Ugi与U2保持恒值。（2）转速调节器1、转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转

10、速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，甚至实现转速无静差。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。 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。考虑到ASR的上述作用和生产工艺要求系统队阶跃信号无静差,将ASR设计成PI调节器，通过有关书籍可知这样可以使系统构成一个二型系统，从而实现转速无静差。图四为ASR的主体结构图转速给定电压Un*和转速反馈电压Un经滤波后通过由放大器构成的PI调节器后生成电流给定电压Ui*输出给电流调节器。图四 ASR的主体结构图其实际的实现电路如下图示：图五 实际

11、实现电路图U1、U2、C9，U5、U4、C10 构成等效的阻容滤波去除转速给定和转速反馈的纹波。电阻R14，C8通过放大器构成PI调节器为了避免运放长期工作产生的零点漂移，并联一个大电阻R13形成准PI调节器。场效应管Q7做开关用，当零封输入信号接高电平时场效应管导通将输出拉至0V，二极管D5避免由于零封信号波动而使Q7意外导通。D6,D7,R44，R45构成正负限幅电路。以正向限幅为例：当运放的输出端电压经限流电阻U6后，如果电压值小于D6导通电压加R44滑动端对地电压则线性输出否则输出D6导通将输出电压钳位在限幅值。电容C11用于限制运放输出端电压变化过快。（3）电流调节器1、作为内环的调

12、节器，在外环转速的调节过程中，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。 考虑到ACR的上述作用和生产工艺要求系统主回路电流超调量小,将ACR设计成PI调节器，通过有关书籍可知这样可以使电流环构成一个型结构。通过一阶最优使其动态性能达到要求。图六和图七分别为的主体结构图和实际实现图，给定电压Ui*和电流反馈电压Ui经

13、滤波后通过由放大器构成的PI调节器后生成触发电路的控制电压Ua输出给触发电路。图六 ACR主体结构图ACR主体结构实际电路与转速调节器ASR基本一致，但由于采用一个ACR控制正反两组晶闸管触发电路所以ACR的输入端分别有正反两组电流给定信号输入。ACR同一时间只能向一组发出控制信号，所以采用正反组电流给定信号交替输入的方式。实现方式是采用三极管构成电子开关用DZS的正反组工作的控制信号Ubir， Ubif分别控制正反组电子开关的导通和关断。从而达到正反组电流给定信号交替输入的目的。在输出电路方面为了提高带负载能力采用了晶体管放大电路。也减少了负载电流对本环节的冲击。图七 电流调节器实际实现图（

14、4）触发电路为提高整机寿命、缩小体积、降低成本，采用TC787单电源工作方式。TC787 具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成相应的移相功能。其技术参数如下： 其实际电路如图下示：图八 触发器实际实现电路 三相同步电压器同步信号经滤波后输入到TC787同步端14、15、16端的电容起调节斜率的作用。13脚接电容起调节脉冲宽度的作用。4脚为Uct调节电压输入端。其余引脚起到供电作用并保证出发电路按双脉冲触发方式正常工作。（5）逻辑控制单元逻辑控制环节DLC主要是为了保证不出现环流，这是系统中的关键环节

15、。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。结构上主要分为逻辑控制和延时控制考虑换组运行的参考依据是转矩极性和电流是否为零所以DLC输入信号是转矩极性和电流是状态。DLC的逻辑如下：正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR；反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR；反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF；正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF。 图九 DLC的实现图因此，DLC的输出有两种状态：VF开放Ublf = 1 VF封锁Ublf=0VR开放Ublr = 1 VR封锁Ublr=0R32

16、与C34，R34与C37构成延时环节为以下两个延时提供条件以保证两组晶闸管装置可靠切换。 t1延时关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；t2延时触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。（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结构和实现电路完全相同，实际都是一个回滞比较器。但目的不同，零转矩检测单元是检测转矩正负极性，零电流检测单元检测电流是否为零。所以具体的参数不同，回滞曲线要求不同。其实现电路图如图十所示：图十 实现电路图十一 回滞曲线（7）零封锁环节作用是：当给定信号为0时，电机不动，然而，各调节器的零点漂移将导致

17、电动机的爬行，为确保零位时电动机不会爬行，一定要将调节器锁零，即控制场效应管使调节器的输入和输出间短接。图十二为零封锁电路的电路图。图十二 零封锁环节的电路图 第三章 系统参数设计与计算3.1 主电路参数计算（1）整流变压器的选择由于整流线路采用三相桥整流，对于这样的可逆系统有：又整流电流 所以，副方变压器容量为： 因为交流变压器二次侧为交流不存在直流磁化的问题，则原边变压器容量为变压器总容量为 （2）晶闸管的选择选择晶闸管元件的正向反向峰值电压：当电动机额定电压大于220V时，则取1250V晶闸管额定电流（3）晶闸管保护措施为了限制电压上升率和电流上升率，系统加入了桥臂电抗器，桥臂电抗器采用

18、空心电抗，为了提高电感量，每个电抗器内安置有铁氧磁棒。用快速熔断器作为过流保护，桥臂快熔的额定电流为：环流快熔的额定电流为：所以选择的桥臂快熔的型号为： ，环流快熔的型号为：（4）电流互感器的选择由于交流变压器副方电流为134.64A，所选LMZ-0.5-1型，额定电流为200A，做计量保护用。（5）电枢回路串电感的选择要求电流连续时电感最小为： 平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常 首先选定最小电流I（以A为单位），再利用它计算所需的总电感量（以mH为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器的电感值。（6）其它保护措施1、交流侧阻容吸收装置为：式中 变压器空载激磁电流

19、百分数； 变压器的每相伏安数； 变压器副边相电压； 变压器短路电压百分数。阻容吸收装置为型接法，则每相电容、电阻为：电容耐压 电阻功率 所以，为24UF/630V，为10/100W。2、直流侧阻容吸收装置与交流侧所选差不多，即 ， 3、晶闸管关断过电压阻容吸收装置，对于200A可控硅元件可选， 4、交流侧和直流侧过电压保护用硒堆，选直流ZXA100D72/27-2 型，交流为ZXA30D288/108-0.15型。交流侧硒堆片数 直流侧硒堆片数 式中：变压器副边线电压有效值； 整流电压值； 硒堆每片反电压有效值，取18V。3.2 控制电路的设计由设计要求已知：电流超调量为，空载起动到额定转速的

20、速度超调量，稳态无静差。直流电动机参数为：、 电枢回路电阻、电流过载倍数、 系统静特性分析和计算静态结构图如图十三，该系统设计为典型的电流速度双闭环系统。图十三 静态结构图（1）电流反馈系数为：（2）速度反馈系数为：（3）触发器和可控硅静态放大倍数为 =30（4）电动机的电势系数为：（5）电枢回路总电阻为：R=0.18将数据带入等式中取=20，则=785取，所以速度调节器中电流调节器中 系统动态结构参数设计系统动态结构图，忽略反电动势影响，如图十四所示：图十四 系统动态结构图图中为速度调节器的传递函数为电流调节器的传递函数为晶闸管平均失控时间常数，对于三相桥式整流电路，取=0.00167S为电

21、动机机电时间常数 ，取=0.1S为电动机电磁时间常数，取为电动机转矩系数，取=0.1263V/（r/min）为电流反馈滤波时间，取 =0.002S为速度反馈滤波时间，取 =0.01S 电流调节器的参数选择因为要求的，所以选KT=0.5因为，所以可以近似为积分环节：应抵消电流环中的大惯性环节，即 又取，所以有，对于滤波环节，电流环这样设计，满足系统要求。 速度调节器的参数选择有上面设计得电流环闭环传递函数为 由于系统要求无静差，且超调小，所以将速度调节器设计成典型型系统， 其中 为开环增益电流环等效时间常数为 =2*0.00367=0.0074S转速滤波时间 =0.01S转速环小时间常数 按跟随

22、性能和抗扰动性能的要求，取h=5,ASR超调时间常数为 =5*0.0174=0.087S转速开环增益为 ASR开环比例系数为 计算调节器的电阻电容值： 效验近似条件： 转速截止环频率为： 电流环传函简化条件： 满足条件。小时间常数近似处理条件： 满足条件。 外限副电路 电流调节器与速度调节器均还有积分单元，必须用外限副电路来限制不使输出电压过大，而带来冲击。所以一般带有积分作用的运放一定要加外限副电路，来保证运放的线形特性，保护系统各部分不受损害。在双闭环系统中，转速调节器ASR输出限副电压决定电流调节器的给定最大值，也决定了电机加减速度及最大起动电流。电流调节器ACR的输出限副值电压限制了晶

23、闸管整流器的最大输出值，即最小整流出发角。3.3 主电路保护器件选择电路中主要的保护器件是快速熔断器FU，压敏电阻过电压抑制器RV，阀器件换相过电压抑制用RC电路，直流侧RC抑制电路，阀侧浪涌过电压抑制用RC电路等。数学模型和动态性能分析：图十五 数学模型根据技术指标是：，所以由以上参数和技术指标要求为依据可以设计ACR控制器以及ASR控制器。图十六 实际设计的控制器第四章 系统调试和校正4.1 系统各功能模块性能的调试与测试（1）系统的相位整定定相分析：定相的目的是根据各相晶闸管各自的导电范围内，触发器能给出触发脉冲，也就是确定触发器的同步电压与其对应的主回路电压之间的正确相位关系，因此必须

24、根据触发器的结构原理，主变压器的接线组别来确定同步变压器的接线组别。（2）触发器的整定1、先将DJK02的触发脉冲指示开关拨至窄脉冲位置，合DJK02中的电源开关，用示波器观察A相、B相、C相的三相锯齿波，分别调节所对应的斜率调节器，使三相锯齿波的斜率一致。2、观察DJK02中VT1VT6孔的六个双窄脉冲，使间隔均匀，相位间隔60度。3、触发器移相控制特性的整定：如图十七所示，系统要求当Uct0V时，90°，电机应停止不动。因此要调整偏移电阻Up，使90°。图十七 触发器移相控制特性测得当min30°时所对应的值Uctm3.35V，该值将作为整定ACR输出最大正限

25、幅值的依据；测得当150°（min30°）时所对应的值Uctm3.21V，该值将作为整定ACR输出最大负限幅值的依据。（3）系统的开环运行及特性测试1、高速特性的测试：逐步增加给定电压，使电动机启动、升速。调节Ug（Uct）和滑动变阻器的阻值，使电机电流IdIN1.2A，转速nnN1600rpm。给定不变做得高速特性如表一所示。表一 电机高速特性Id（A）1.21.00.80.650.4Ud (V)230233236239240n(r/min)160016401675169817252、低速特性的测试：调节Ug（Uct）和滑动变阻器的阻值，使电机电流IdIN1.2A，转速n

26、nN100rpm左右。测得低速特性如表二所示。表二 电机低速特性Id（A）0.60.50.40.30.2Ud (V)27.929.631.333.334.7n(r/min)120145170205231电机高低速开环特性如图十八所示：图十八 电机高低速开环特性（4）速度反馈特性的测试改变Uct，使电动机的转速分别为表三中所示，读出对应的反馈电压Ufn的大小，并作出速度检测特性如图十九所示。表三 转速与反馈电压关系表n（转/分）16001200800400200-Ufn（V）6.034.533.001.500.73图十九 速度检测特性图（5）调节器的调试先切断主电路和励磁电源开关，切断DJK02

27、中的电源开关；合电源总开关和DJK04中的电源控制开关，DJK04中的电源控制开关，DJK04中的给定电位器逆时针调至零位，使给定Uct为0V。（6）电流调节器ACR的调试将ACR接成比例调节器，给定Uct为0V，调节放大器调零电位器RP4，使其输出为0V。给定Ug为正信号，其输出应为负，调节负限幅电位器RP2，使其输出限制在触发器的移相控制角min30°所对应的Uctm值3.3V 。当给定Ug继续增大，其值不变。给定Ug为负信号，其输出应为正，调节负限幅电位器RP1，使其输出限制在触发器的移相控制角min30°所对应的Uctm值3V 。当给定Ug继续增大，其值不变。（7）反相器AR的调试逻辑功能真值表如表四所示。表四 逻辑功能真值表输入Um110001Ui100100输出Uz000111Uf1110004.2 系统整体功能测试双闭环可逆调速系统的调试原则：1、先单元，后系统；2、先开环，后闭环；3、先内环，后外环；4、先单向（不可逆）