三辊行星轧机迭加传动驱动控制系统系统设计

1、三辊行星轧机迭加传动驱动控制系统系统设计摘要三辗行星轧机（3-roll planet Schrage waltwerk ,简称PSW轧机），是第一台连续操作具有多大压缩量的轧机， 它只依靠本身的轧制作用就能实现轧件横断面压缩变形。 由于具有许多独特的优点， 因而国内相继安装和投产。 自从七十年代问世以来一直受到人们的关注。但轧制过程中也存在着问题，需要针对这些问题，提出相应的改进方法。本次毕业设计的主要目的是通过主回路的设计与参数的计算， 以及控制回路的设计与动态参数的计算， 来完成生产机械工艺对控制系统的要求。 主要采用三相桥式全控整流电路供电， 以及电流闭环为内环， 转速环为外环的双闭环调

2、速系统， 由同步信号为锯齿波德触发电路来产生触发脉冲。本设计采用工程上使用较广泛的逻辑无环流可逆直流调速系统，此系统中不设置环流电抗器。为了保证在起制动过程中加速恒定的工艺要求， 系统中设置了给定积分器， 用来控制气制动过程中速度均匀变化。 为了满足生产工艺对调速指标的要求， 本设计采用了比例积分调节器（ PI 调节器） ，从理论上它可以达到无静差，完全可以满足低速轧制时的静差率要求。 同时也对主传动和迭加窗洞速度配合控制进行了研究和设计， 以便能够更好的调节两者的速度。关键词 ：三辊行星轧机；三相桥式全控整流电路；双闭环调速系统；触发电路；逻辑无环流可逆直流调速系统。Superpositio

3、n of three-roll planetary mill drive control system designtransmissionAbstractThree-roll planetary mill (3-roll planet Schrage waltwerk, called PSW mill), is the first child with little compression continuous operation of the mill, rolling effect only rely on their own can achieve rolling cross-sect

4、ion deformation. As with many unique advantages,which have installed and put into the domestic. Since its inception 70 years has been of concern. But there are also rolling process problem and needs to address these problems, the corresponding enhancement.The main purpose of graduate design the main

5、 circuit through the design and calculation of parametersand control loop design and calculation of dynamic parameters, to complete the production process on the control of mechanical systems. Mainly uses the three-phase bridge controlled rectifier power supply, and for the inner current loop, speed

6、 loop for the outer ring of the double-loop speed control system, the synchronization signal to trigger circuit to generate a sawtooth Bode trigger pulse. This design uses a wider project on the use of reversible DC converter without circulating current system, this system does not set the loop reac

7、tor.In order to ensure that the process of acceleration from the constant braking process requirements, the system integrator for a given set, is used to control the uniformity of gas velocity changes during braking. In order to meet the production process on the speed indicator requirements, the de

8、sign uses a proportional integral regulator (PI regulator), theoretically it can be achieved with no static error, can fully meet the low-speed static and rolling slip requirements. Also superimposed on the main drive and the speed of masonry with the control of the research and design in order to b

9、etter regulate the speed of the two.Key words: three-roll planetary mill; three-phase bridge controlled rectifier circuit; Double Closed Loop System; trigger circuit; logical loop-free reversible DC drive system.目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 第一章绪论 1引言 1三辊行星轧机的生产过程简介 1轧制工艺

10、对电气传动系统的要求 2 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 第二章迭加传动供电和控制方案的确定 2拖动系统方案的确定 2拖动电力方案的确定 2可控硅整流电流形式的确定 2控制方案的确定 3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 第三章主电路和控制电路工作原理的分析 4主电路工作原理分析 4控制电路工作原理分析 6 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 第四章主回路参数计算及元件选择 8整流变压器计算 8可控硅元件选择 10平波电抗器选择 11均流电抗器选

11、择 12 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 第五章交流侧和直流侧保护计算 12过电流保护 12过电压保护 13可控硅关断过电压保护 18 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 第六章控制回路设计分析 19电流闭环的设计 19速度闭环的设计 20逻辑无环流调节 20给定积分器 23速度给定环节 23静止检测器（LSF） 24 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 第七章主传动和迭加传动速度配合控制 24设计配合控制方案 24设计配合控制单元 25 HYPE

12、RLINK l bookmark37 o Current Document 第八章控制系统动态参数的计算 26参数设计方案确定 26电流闭环参数设计 26设计转速环参数 29 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 第九章结论 30 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 参考文献 31 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document Three-roll planetary rolling mill drive principle and the principle 3

13、2 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 三辊行星轧机的传动原理和轧制原理（ 译文 ） 35 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 致谢 38附录 39插图清单图1-1 PSW轧机的轧辗与轧件空间位置示意图 :.- -.I图2-1主传动可控硅整理电路图 .a TOC o 1-5 h z 图3-1三相桥式全控整流电路带阻感负载a =00时的波形 .4图3-2三相桥式全控整流电路带阻感负载a =30时的波形 5图3-4转速、电流双闭环调速系统 .6图3-5双闭环调速系统的静特性 .7图3-6双闭环调速系统起

14、动时的转速和电流波形 .7图5-1快速熔断器保护 .13图5-2过电压保护 .13图5-3直流侧阻容吸收装置 .16图5-4可控硅关断过电压保护 .18图6-1电流闭环框图 .19图6-2电流调节器1LT、2LT 20图6-3无环流逻辑装置 .20图6-4转矩极性鉴别器 DPT 21图6-5零电流检测器 DPZ .22图7-1速度给定原理图 .25图8-1主传动调速系统动态结构图 .26图8-2电流环简化结构图 .28第一章绪论引言三辗行星轧机（3-roll planet schrage waltwerk简称PSW轧机）是20世纪70年代初期发 展起来的一种新型、高效率和大压下量的轧制设备。由

15、于三辗轧制可对轧件形成有利的应力状态，使得PSW轧机特别适合难变形的材料轧制你，包扩铜合金、高速钢，甚至于钥钛合金等。三辗行星轧机能在质量指标要求下，对于 所有件获得和其他轧制方法一样或更好的结果。被轧制材料的组织及晶粒流向表明，PSW 轧机的轧制结果与传统轧制方法的结果相 比没什么区别。图1是PSW轧机的轧辗与轧件的空间位 置示意图，由于这种轧机能为轧制半成品圆 棒、钢管提供一种经济方法而得到广泛关 注。三辗行星轧机在轧制时，轧辗与轧件按 一定的相对位置安装，当其作相对运动时 在3个轧辗表面的相互作用下形成轧件的 轧制表面。三辗行星轧机轧得的轧件有不同程度 的螺旋道，它的高度与轧辗有关，但是

16、不 会影响后续轧制和绿皮的质量。三辗行星 轧机轧得的轧件直径公差可达其尺寸的图1-1 PSW轧机的轧辐与轧件空间位置示意图百分之0.75。在用于产量低、难轧制的特殊钢种的棒材坯料生产中，三辗行星轧机可充分表现出下 列优点：单道次可实现大延伸系数512;轧件不旋转或微转，轧机具有良好的连轧性能；无导位，轧制性能稳定；能轧制难变形的材料；升温轧制，保证后续工序的温度要求设备紧凑，占地面积小，投资费用少三辗行星轧机的生产过程简介三辗行星轧机不同于一般的二辗水平轧机， 它的工作部分由三根圆锥形轧辗组成， 它 使用三个间隔120度分布的锥形对扎件进行轧制。在工作中三根轧辗各自围绕自己的轴线 运动，同时三

17、根轧辗由围绕其中心做圆周运动。 轧辗环绕轧件公转，从而他们的内表面形 成一个锥形的变形区，由于轧辗倾斜布置，在它旋转的同时使轧件产生进给运动并产生一 个锥形的变形区，因而不需要咬如及导向装置。连续作业中，这种轧机一个道次轧制可获 得相当大盘上的行星轴线偏转，以1获得产生进给运动所需要的轧辗偏角，另一台直流电 动机用于叠加传动，它驱动行星轮系中的太阳轮，用于消除轧件间的任何轻微的转动。PSW轧机可对轧件成品断面入寸在很大的范围内无极调整，二无需改变轧辗的孔型设计。不同的断面要求可以简单的通过同步调整三个锥形轧辗的位置获得。若扎出直径需要改变百分之20以上或轧辗磨损时则需要更换轧辗。三个轧辗做定轴

18、转动，转动方向相 同，靠摩擦力的作用，三个轧辗带动轧件既做旋转，又能使其沿轴向移动。轧制工艺对电气传动系统的要求生产机械工艺要求轧机传动系统要能实现可逆无极调速运行，且有较高的稳态控制精度。调速范围D40,静差率S=15%。轧制过程要保持机速稳定，在起动过程中要求加减速恒定。系统应用较高的抗干扰能能力和动态品质，动态速降小。系统应有完善的保护措施第二章迭加传动供电和控制方案的确定方案确定的原则是满足轧制工艺要求确保产品质量的前提下，力求投资少、效率高 和操作方便。拖动系统方案的确定本轧机传动系统主电机确定为直流电动机，型号为 ZZJ （低惯量直流电动机），额定 参数 Ped =10KW, Ue

19、d =220V, led =54A, Ned =530R/MIN ,转动惯量 j=7.9KGM 2 ,九二2, 励磁方式为他励。根据三辗行星轧机为单向轧机，迭加直流电动机采用外电路固定励磁。从三辗行星 轧机的生产工艺对电气传动系统提出的要求看，采用直流电动机拖动是合理的选择。因 为它便于实现电气无极调速和对调速精度的要求。拖动电力方案的确定三辗行星轧机采用F-D系统（发电机一电动机机组）拖动控制方案可以实现工艺提出 的要求。目前国内这样的设备还不少，它是由一台交流电动机拖动一台直流发电机发电， 给一台轧机主传动电动机供电。 此外，还需要一台直流励磁他励发电机。 这种方案设备容 量大，需要的电机

20、多，占地面积大，震动大，噪音大，能耗也大。因此，发电机一电动机 机组不是理想的拖动系统，不宜于选用。采用水银整流器代替F -D系统给直流电动机供电，从五十年代开始得到了一些发 展，在国内也有所应用。这种方案在技术上容易产生可逆电弧，烧毁系统。更主要的是水 银蒸汽对人体有害，所以这个方案很快就被淘汰了，更不宜于可选用。目前用的最多的是用可控硅整流装置给直流电动机供电的方案，即SCR-D系统。它比F-D系统有很多优点。SCR-D系统用的设备少，体积少，占地面积少。是静止的变流 装置，没有噪音，效率高，耗电量少，节省电能。止匕外，在技术性能方面有很大的优越性。 在快速性方面发电机的响应时间为秒级，

21、而可控硅的功率放大倍数为几十倍， 可控硅整流 装置也有缺点，主要是对电流畸变、产生较大的高次谐波，影响它附近的用电设备。总的来看，SCR-D系统的优点较多，技术性能好，有能省电。因而才用可控硅整流 装置给直流电动机供电的方案是符合当前的技术经济政策，本设计根据上述理由选用可控硅整流装置给直流电动机供电的方案，如附录所示。可控硅整流电流形式的确定作为可控硅整流电路中的关键元件是可控硅整流元件。可控硅整流元件从品闸管、引 燃管、可控水银整流器等离子可控硅整流器件发展到半导体大功率可控硅整流元件。这种半导体大功率可控整流元件就是可控硅整流元件，简称“可控硅” ，记作SCR。可控硅整流电路形式较多，各

22、种整流电路的技术性能和经济性能各不相同。单向可控硅整流电路的特点是简单，输出的电压脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量， 造成变 压器铁心直流磁化。脉动频率低，影响三相电网平衡运行，实际很少应用此电路，一般多 用于10W以下的拖动系统。考虑到可控硅整流电路中，最基本的是三相半可控硅整流电路，虽然对三相电网平衡 运行没有影响，但其脉动仍然较大。止匕外，整理变压器油直流分量磁势，利用率低。当整 流电压相同时，可控硅元件的反压比三相桥式整流电路高，可控硅的价格高。三相半波整流电路用的可控硅数量比三相桥式整流电路少， 投资比三相桥式电路少。其主要缺点在于 其变压器二次电流中有直流分量，为此其应用较少。

23、三相桥式全控整流电路相对于六相整流，目前在各种整流电路中，应用最为广泛。三 相桥式全控整流电路的电压脉动比三相半波整流电路少一半。整流变压器没有直流分量磁势，利用率高，增益大，灵敏度高。这种整流装置的电路滞后时间（改变电路a角后，直流输出电压相应变化的时间）约为 3.3毫秒，约为三相半波整流电路的一半，因此他的动 态响应比半波整流电路要好。可控硅的反峰低，可控硅的价格低。这种整流电路用的可控 硅数量为三相半波整流电路的两倍， 控制柜也比三相半波整流电路多。总的投资比三相半 波整流电路多。三相桥式全控整流电路电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半。止匕外，

24、还有双反星可控硅整流电路、十二脉波整流电路等等。他们的技术性能要比三 相桥式全控整流电路的要好，但他们用的可控硅的数量多，投资也特多，经济性差。上面几种整流电路之中，三相桥式全控整流电路从技术性能和经济性能两项指标综合 考虑，结合本轧机的电动机容量等级，比其他的整流电路优越。故本设计才用三相桥式全控整流电路供电。主电路方案大致为三相380V交流电流经空气开关接至三相整流变压器（为减少高次谐波对电源的影响，整流不起采用A/Y-11接法）。整流变压器输出经三相桥式全控整流电路整流，输出用平波电抗器（以使直流电动 机负载得到平滑的直流电源），再向直流电动机供电，如图2-1所示。图2-1主传动可控硅整

25、理电路图控制方案的确定为了满足轧制工艺对电气传动系统的要求，控制电路采用电流负反馈小闭环和转速负 反馈大闭环组成的双闭环不可逆调速控制系统。仅从静态性能而言，单闭环调节系统对于在反馈环内的一切扰动量都有抑制作用，但是仅从系统的动态性能上看，对于在结构图上的作用点里被调节量较远的扰动量还存在不 能及时调节问题，增加了电流内环后，对于诸如电网电压波动所引起的扰动等在电流环里 面。可以及时的通过电流反馈得到调节。 而不必等到它影响转速之后才能反应。这样， 双 闭环系统由电网电压变化所引起的动态速降就比单闭环系统小的多。而且，由于调节器的积分作用稳定后，转速是无静差的。转速负反馈单闭环调节系统可以子啊

26、动态要求不是很高的前提下满足静态调速指标。如果对系统的动态性能要求不是很高， 单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在当闭 环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的， 但他只在电 流超过临届电流以后才起作用，考强烈的负反馈作用限制电流地冲击， 并不能很理想的控 制电流的动态波形。当电流从最大值降低下来哈后，电机转矩也随只减小，因而加速过程 加长。为此，在电动机最大电流转矩受限制的条件下，希望充分利用电动机的允许过载能 力，最好在过渡过程中始终保持电流转矩为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最 大的加速度启动，到达稳态转

27、速哈偶，又让电流立即降下来，是转矩马上与负载相平衡， 转入稳态运行。这是在电动机最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快起 动过程。由于电流不能突变，实际的理想波形只能近似得到，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快启动，关键是在起动过程中要是电流保持为最大值Idm .0反馈控制规律，采用电流负反馈就应该能保持电流基本不变。而达到稳态转速后，又希望电流负反馈不起作用， 而只让转速负反馈发挥作用。转速、电流双闭环系统实现了上述的目标。第三章主电路和控制电路工作原理的分析主电路工作原理分析三相交流点首先经变压器 ZB变压后，供给晶闸管全控桥。三相桥式全控整流电路大 多用于向阻感负载和反

28、电动势阻感负载供电（及用于直流电动机），实质是一组共阴极和一组共阳极阻的三相半波可控硅整流单路得串联。a =0 ,即触发脉冲在自然换向点发 出，对共阴极阻的可控硅而言，哪一相 电压较其他两相为正，同时又有触发脉 冲。该相得可控硅就触发导通。当a 60时, 阻感负载时的工作情况与电阻负载 时不同，电阻负载时Ud波形不会出现 负的部分，_而阻感负载时，由于电 感L的作用，Ud波形会出现负的部分。 图3-3给出了 a =90时的波形。若 电感L值足够大，Ud中正负面积将基 本相当，Ud平均值近似为零。这表明, 带阻感负载时，三相桥式全控整流电 路的a角移相范围为90当控制角a移相时，输出电压的波形和

29、平均值跟着发生了变化。060时，输出电压瞬时值为正，当 a 600时，输出电压瞬时值出现负 值，但平均值仍为正。整流输出的波形在一周内脉动 6 次，且每次脉动的波形相同，因此在 计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。止匕外， 以线电压的过零点为时间左边的零 点，于是可得当整流输出电压连续式“（即带阻感负载时，或带电阻负载a060时）的平均值当整流变压器采用星形联接，哮阻感负载时, Wie正负半周各宽120、前沿变压器二次侧电流波形如图3-2中所示,相差180的矩形波，具有效值为I2品闸管电压，电流等的定量分析与三相半波时一致。 三相桥式全控整流电路接反电动 势阻感负载时，

30、在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况小， 电路工作情况与电感性 负载时相似，电路中各电压、电流波形均相同，仅在计算 id时有所不同，接反电动势阻 感负载时的id为IdUd -E式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。整流变压器的主要作用有两个。作用一是变压，因为要求整流桥输出电压Ud 一定时, 如整流桥电路的交流输出电压 U2太高，则品闸管运行时控制角a过大，造成直流电压谐 波分量增大，功率因数变坏，无功功率增大。若 U2选择过低，则可能在a =00时仍不能 达到负载要求的电压额定值。在许多情况下（包括本系统），晶闸管桥式整流电路所要求 的交流供电电压与电网部一致。作用二整流变压器

31、ZB时晶闸管主电路与电网隔离，可以 减小电网与整流装置相互干扰，限制高次谐波电流流入电网。所以本系统主电路设制了整 流变压器ZR是为了更好的减少高次谐波又t电流的影响，整流变压器 ZB采用A/ Y接法, 接成 A/ Y-11 。可控整流输出的是脉动直流电压， 特别是在整流桥控制角a较大时，输出电压的脉动 更是严重，电压波形甚至不连续，可能导致负载电流的不连续，所以子啊整流输出直流端 用接平波电抗器，以使电动机负载得到平滑的直流电流。控制电路工作原理分析为了实现转速、电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节 电流和转速，二者之间实行嵌套（或称用级）联接，如图 3-4所示。吧转

32、速调节器的输出 当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制品闸管整流器的触发装置。从闭环结构看，电流调节器在里面，称为内环，转速调节器在外，称为外环。这就形成了转速、 电流双闭环调系统。来自速度给定装置的讯号经积分与速度反馈讯号比较后，加在速度调节器的输入端， 电动机速度由速度给定讯号确定，速度调节器的输出作为电流调节器的电流给定， 与电流 反馈讯号比较后，加在电流调节器上，电流调节器的输出经输出器送到触发器， 控制可控 硅整流装置，时电动机在给定的速度下运转。图3-4转速、电流双闭环调速系统为了获得良好的静态、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般采用PI调节器。双闭环调速系统的静态

33、特性分析分析静态特性的关键是掌握这样的 PI调节器的稳态特征，一般存在两种状态：饱和 （输出达到限幅值），不饱和（输出未达到限幅值）。当调节器饱和时，输出为恒值，输入 量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号时调节退出饱和；换句话说，饱和调节器 暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时。PI的作用使输入偏差电压AU在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器不会达到饱和状态的。 因此，对于静态特性来说， 只有转速调节器会出现饱和及不饱和两种情况。他的静态特性如图3-5所示。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反 . 馈起

34、主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出 Uim ,这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采 用了两个PI调节器分别形成的内、外两个闭环的效果。这样的静差性显然要比带电流截 止负反馈的单闭环系统的静特性要好，然而，实 际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大， 特别是为了避免零点漂移而采用准 PI调节器时， 见图3-5中的虚线。双闭环调速系统的动态性能分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得比较理想的启动过程，因此在分析双闭环直流 调速的动态性能是，有必要探讨它的起动过程。 双闭环系统突加给定电压，系统有静止状态起动。 起动

35、过程中，转速和电流的过度过程如图3-6所示。图3-5双闭环调速系统的静特性第1阶段0ti上升的阶段。在起动初始，给定 电压Un使ASR进入饱和状态，Uct、Udo、Id都上升, 当Id回dl后，电动机开始转动。由于电机的惯性作用，转速不会快速增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压AUn =Un -Un较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流Id迅速 上升。当IdZm时，Ui电Uim，。电流条调节器的作用时Id不再迅猛增长，标志着这一阶段 的结束。在起动过程中，转速以及速度负反馈讯号不断上升， 但只要电动机不可能与给定 电压抵消。速度调节器输入端始终存在偏 差电压AUn =Un -Un。转速外环呈

36、开环状 态，转速的变化对系统不再产生影响。在 起动的瞬间，电动机转速为零。第2阶段ti12是恒流升速阶段。从电 流升到Idm开始，到转速升懂啊给定值n （即静特性上的no）为止，属于恒流升速 阶段，时起动过程的主要阶段。在这个阶 段中，ASR 一直是饱和的，转速环相当于 开环状态，系统实际为恒值电流给定Uim，作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速 呈线性增长。同时，电机的反电动势 E也 线性增长。对于电流调节系统来说，该反 电动势E 一个线性渐增的扰动量，为克服 这个扰动，Udo和Uct也必须基本上线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACR图3-6

37、双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 时PI调节器，要使它的输出量线性增长，其输 入偏差AUi =Uim，-Ui必须维持一定的恒指，即Id应略低于Idmo此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器不能饱和，同时整流装置的最大电压Ud0m也必须留有余地，即品闸管装置也不能饱和。第3阶段t2以后是转速调整阶段。这阶段开始时，转速以及达到给定值，转速调节器的给定和反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅Um,所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，具输出电压即 ACR得的给定电压立即从限

38、幅值降下来， 主电流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于负载电流，在一段时间内，转速任将继续上 升。到Id=Idi时,转矩Tem=Ti,则dn/dt=0,转速n达到峰伯：（t=t3）。此后，电动机才开始 在负载的阻力下减速，与此相应，电流 Id也出现一小段小于Idi过程，直到稳定（设调节 器参数已调整好）。在这最后的转速调整阶段内，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作 用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快的跟随 ASR的输出量Ui ,或者说电流内环是一个电流随动的子系统。第四章 主回路参数计算及元件选择主回路参数计算包括整流变压器计算、可控硅元件选择、均

39、流电抗器计算、平波电抗 器计算和各种保护装置的计算和选择等。整流变压器计算整流变压器的作用时给可控硅整流装置提供所需电源电压（见图2-1）。同时将整流装置与交流电源隔离，增加安全性。并减少了整流电路对其它设备的干扰。整流变压器接线变压器采用A/ Y-11接线方式。原级采用A接线的目的是给电流中的三的整倍数高 次谐波提供道路，以保证磁通和电压为正弦变化。避免在变压器每相绕组中产生尖顶波电 势。这个电视有时将超过正常值的百分之50,对变压器绝缘不利。止匕外，电网波形畸变对并接在电网的其他负载也有很大影响，例如，对通讯和检测信号的干扰，增加电器铁芯的铁损，使保护装置误动作以及使电子计算机工作等等。整

40、流变压器副级电压的计算采用转速调节器时，为了保证调节器的正常工作，计算变压器副级电压时必须考虑负 载电流波动所附加的电压降、电网波动和移相角的变化等等影响。 为此，变压器副级相电 压U2可按下式计算：Ued+41 Iedra +Iedp+nUdfU2(1)I I ed tI ed0c I .Kuv 产cosn -Kx 黑乂F I100Ied式中 Ued负载电动机额定电压IedR ara 二u ed电动机电枢回路电阻I Rcued%=旦上电动机电枢回路附加电阻pKuv整流电压计算系数，Kuv=2.34Udf晶闸管正向瞬态压降，取1.5VKx整流电路倾斜系数；电网电压波动系数，无特殊要求是去；=0

41、.95Uk00变压器的阻抗电压百分值min最小触发延时角取 ra =0.008; rp =0.004;见%=5; -Imax =2; a min =300 ;I ed查表得：三相桥式全控整流电路：Kuv =2.37; Kx=0.5.将上述数据带入（1）式中得,220 （2 -1）54 0.009 2 54 0.005 2 1.5 彳”、，U2 二二 122V2.37 0.95cos30 -0.5 2_100整流变压器副级电流计算三相全控桥式整流电路整流变压器副级电流I 2与整流电流Id之间的关系为I2=0.816Id=0.816 60A因考虑到过载等原因，式中取Id=60AS2= 3U2I2

42、= 3 125/ 4A= 1 8K4/A三相全控桥式整流电路变压器原级功率与副级功率相等，故原级功率S1 = S2 =17.9 KVA因此，整流变压器等值容量为S =S1 +S2 =17.9KVA20整流变压器原级电流计算I117.9 1033 380=27.4A式中5为线电压4.1.6整流变压器数据:相数三相接线A Yo 11容 量17.9KVA原级电压380V原级电流27.4A(线电流)副级电压122V副级电流49A (相电流)可控硅元件选择可控硅元件选择额定正向平均电流计算，可控硅元件选择额定正向平均电流It按下式计算.0.367 1d 0.367 60 c 1T(AV _ (1.02.

43、0) =(1.02.0) =24.5 49AT(AV)0.90.9式中取Id=60A, 0.9为均流系数。可控硅正、反向峰值电压计算可控硅正向阻断峰值电压和额定反向峰值电压按下式计算VPF =VPR =(5 8)U2 =625 1000V式中系数(58),考虑了电网波动安全系数。并联支路数np的确定根据4.2.1和4.2.2的计算结果，选用可控硅元件 KP-100-8可控硅元件，额定正向平 均电流累100A,反向峰值电压为800V。可控硅并联支路数np按下式计算nPK1Idmax K4ItK7K K 3= 0.530.367 108 1100 0.85 0.9 1式中K1 电路系数，三相全控桥

44、为 0.367;K2 风速系数，等于0.9;K3环境温度系数，取1;K4高度系数，取为1;K7 均流系数，取为0.85;It 可控硅额定正向平均电流。取np=1,即一并。可控硅电流余量和电压余量的检验电流余量=电压余量=2 100 0.9 =4.540.36 108800=2.612.45 125式中0.9为均流系数根据上述计算，选定的可控硅元件为通态平均电流断态重复峰值电压反向重复峰值电压断态电压临界上升率通泰电流临界上升率最大正向平均压降KP-100-8一并。有关技术参数如下:It=100AVdrm=800VVrrm=800Vdu =1 0V /S dtdi =8 0A PS dt三0.

45、V平波电抗器选择平波电抗器在电路中可以起到以下几种作用：时主回路电流连续限制直流电流脉动率限制直流侧短路电流的上升率三种作用所需电感量不同，其中按主回路电流连续条件计算的电感量较其他两者情 况大，故本设计案电流连续条件计算的电感，也同时完成其他两种作用，其计算如下：CU ed 3Lm =1 9 .H1 mH( )2P%dIed(5)0.4 2203= 19. 102 2 530 54= 14.7(mH )式中60 f 60 50 小=2 ；n 1500式中Kb=3.9平波器漏感值为:5125= 3.9 =0.45(mH)100 54(6)变压器漏感值为:LPK AT L LM - LTI dm

46、in查表三相全控桥式整流电路 A=0.639，取Idmin =5%Ied =5%54A = 2.7A,代入上式，得出125Lpk =0.639 14.7-0.45=1 4. 7mH )2.7IPK =1.1Ied =1.1 54 =59.4 A均流电抗器选择由于并联可控硅元件的伏安特性不可能严格相同，可是加在他们两端的电压确实相同的，所以通过每支可控硅电流不等， 造成负载不均的现象，使其中一支可控硅过热， 容易烧毁。为了使电流均匀分配，在安装时除了要挑选特性相同的元件并联以为，本设计还采用了均流电抗器与每支可控硅用联。均流电抗器采用空芯形式，不存在磁路饱和问题， 因而起到了限制电流上升率 电和

47、电压上升率du的作用。出出均流电抗器的电感量大小按下式计算Ls （H）=1.L_!2di10式中Ki- di dtUm，= 33.7H电网电压升高系数，取1.1;整流电路电流上升率，取 d_=10A/S;dt可控硅承受的最大电压第五章交流侧和直流侧保护计算5.1过电流保护可控硅允许过电流能留较差，即使在短时间流过短路电路或过载的电流很小，如不及时切断电路，就会损坏可控硅元件。因此，除了在选择时留有充分余地外，还必须采取恰当的保护措施。发生过电流的原因有：生产机械的过载，整流装置的直流侧短路，某一元件击穿引起相邻元件过流等。5.5.1自动开关保护自动开关作用有二：交流侧过电流保护和直流侧过电流保

48、护。 当可控硅整流装置失去 控制的作用，其电流达到2.5I时，且过电流时间大于0.51MS时，自动开关断开交流电 源。5.1.2快速熔断保护（见图5-1）快速熔断器时专门用来保护可控硅的。由于可控硅的热容量小，过电流时结温上升快。 如果使用一般熔断器动作慢来不及保护，快熔的熔体电流有效值Ifn按下式计算。 TOC o 1-5 h z 55Ifn - 1.571T = 1.57 100 =130A 66式中5/6为修正系数。实选用快速熔断器：型 号RS3-100额定电压500V额定电流100ASCRRD图5-1快速熔断器保护过电压保护过电压有操作过电压和浪涌电压两种操作过电压时由于变压器合闸，拉

49、闸及可控硅本身关断所引起的。 浪涌过电压时由于 雷击等原因，从电网侵入的偶然性过电压。可控硅元件承受过电压能力也是很差的， 发生 受过电压使，会使元件损坏，因而必须采取有效的措施。交流侧过电压保护（见图5-2）整流变压器静电迁移电压的吸收装置由于变压器原副级绕组间的寄生电容，在变压器合闸时产生的过电压。对于原级电 压很高，减压比很大的变压器合闸时这种过电压很大。一般采用副级绕组中点经电容接地等措施。本设计的整流变压器的降压比很小，因此不必考虑此种情况的保护。阻容吸收装置变压器拉闸时，由于磁通突然减少，在副级绕组中产生了一个很高的突变电压，严重时其峰值可达到正常峰值的810倍，采用阻容吸收装置可

50、将过电压降到正常值的1.25倍。由于整流变压器容量18.4KVA5KVA ,所以原、副级绕组间均需阻容保护装置，如 图5-2所示。阻容电阻压敏电阻图5-2过电压保护变压器原级绕组阻容吸收装置参数计算：变压器每相伏安数为18.433VA =103 = 6.13 103VA3阻容保护采用A接线，器电容值C1为-6I0 00 VA=6 6.56.13 10323802=1.66。式中I。%为变压器激磁电流百分数，1。=6.5电容来压值按下式计算uk 00I0 00=2 . 33 806.135 = 4 7，.56.5考虑到电容值已大于计算值，故取R = 47.5,1阻容电流Ic = 2二 fCUc

51、10 =2 3. 1 4 5 0 2 38t 1 0= 0.24A22电阻功率 6I2CR1=6 0.242 47.5 =16.4W根据上述计算，实选阻容吸收装置A接法，每相用:油浸电容2F ,150V一支；绕线电阻10KG,20W 一支.变压器副级绕组间阻容吸收装置参数计算：阻容装置采用A接线，则电容C为6I000VAU226 6 .1 3 31 0 1 225取C2=5F式中系数1是考虑变压器副级电压为 Y型接线的系数 3C2 电容耐压 1.5 Uc =1.573x125= 325VR2电阻值3x2.3U22VA1 256.131= 15J取 R2=15,阻容电流IC =2二 fC2uc

52、10-=2 3.14 50 6、3 125 106u0.4A22电阻R2的功率之6Ic R2 =6父0.4父15=1 4.W4根据上述计算，实选阻容吸收装置A接法，每相用：油浸电容6忏，370V一支；绕线电阻7KC ,15W一支.非线性电阻吸收装置：阻容吸收装置一般只能抑制操作过电压，对于浪涌过电压则不能抑制到允许的范围。还要 加设非线性电阻元件来保护可控硅元件不受浪涌过电压的伤害。非线性电阻吸收装置一般用硒堆或压敏电阻组成。压敏电阻具有很陡的正反向稳压管特性，平时漏电流很小，几乎没有损耗，而放电容 量很大，抑制过电压能力强，而且体积小。故选用整流变压器的压降比很小， 因此可忽略 此种保护。故

53、选用压敏电阻作为浪涌过电压保护，装于整流变压器副级侧，三角接线。压敏电阻按下式计算：U1mA 2U2 C式中C=0.80.9, 6为电网升高系数。取6=1.1,则U1mA 一 2.3 125 C二374 421V选用VYJ440-3KA型敏压电阻额定电压u1mA=440V通流容量2 KA实选压敏电阻VYJ440-3KA型3只，三角接线。直流侧过电压保护直流侧过电压使由于快熔断时整流变压器储能的释放和平波电抗器储能的释放引起 的。操作过电压保护当快速熔断器切断过载电流（九G）时，由于整流变压器储能的释放所产生的过电压，虽然交流侧吸收装置可抑制一部分，但变压器过载比空载的储能大，因此还会有一部分能

54、 量通过导通的可控硅反映到直流侧来。一般大，小容量的可控硅整流装置均采用阻容吸收 装置保护（见图5-3）。阻容吸收装置的选择如下：CZ=KCZ100M I2e相f山线C2=700036.51004950 , 3 125三相桥式整流Kcz=700mT3,则取C2=4F电容器耐压Ucz.m 1. 5 u6 2-U 21.5 .6 125-459VR KU2线RZ 一 KRZ0一I0-0 l2e 相1003 125= 0.1 .3 =11.8?6.5 49100式中Krz为系数，三相桥式接线Krz=o.ix/3, 取 RZ = 12JRz额定功率RzPrz=(23)Uc包1 f12n fCzWRz2

55、4. 0观。u二1 0 0fn谐波频率，q=6时，fn =300Prz=(23广28.892 12112黑3.14父300黑4黑101122=0.1060.159W实选油浸电容4NF,耐压600V电容一支。式中u仃为谐波电压，近似等于 q （整数相数）次谐波电压分量Uq,对于三相桥式整流电 路q=6。查手册得:4. 0 4 2 20 =8. 891 0 0实选碳膜电阻12Qo浪涌过电压保护由于电网受雷击或高于电源电压的浪涌电压侵入直流侧，而阻容装置不一定能够完全吸收外，因而设置压敏电阻做浪涌过电压保护。压敏电阻按下式计算：U1mA之；7乂瓜2线C式中C=0.80.9,名为电网电压升高系数。取8

56、=1.1,则U1mA .21 25C二 216 243V选用VYJ440-2KA型敏压电阻一支并接在直流侧；额定电压u1mA=440V通流容量2 KA数 量1支。可控硅关断过电压保护可控硅正向导通关断时，由于空穴积蓄效应，使可控硅反向阻断能力的恢复需要一段 时间。在这段时间里可控硅元件流过反向电流。此反向电流接近终止di/dt_很大，与线路电感共同产生过电压Ldi/dt可是元件击穿，所以必须采用保护措施。一般。E可控硅元件 两端并联阻容吸收装置(图5-4)。图5-4可控硅关断过电压保护电容Ck器抑制关断过电压的作用。电阻Rk的作用时抑制可控硅再次导通时，电容Ck经可控硅放电时电流上升率 之和C

57、k与线路中电感产生的震荡。dt电容Ck可按下述经验公式计算：Ck = ( 2 4t)彳 0二(24) 100 10 二F= 0.2 0.4,F取 Ck 的交流耐压 uckm =1.5um =1.5父 &V3x 125 = 459Vu2RK(73父125)2父10Rk R 2 +X 2 = 一彳1RK XC102 + 1 f1314父1父10J= 0.046W实选：每支可控硅用油浸电阻1忤，630V, 一支；球琅电阻10建，0.5W, 一支。第六章控制回路设计分析控制回路有电流 内环，速度外环，逻辑无环流装置组成。为了保证在起制动过程中 加减速恒定的工艺要求，系统中设置了给定积分器，用来控制起制

58、动过程中速度均匀变化。 此外，还设置了静止检测器保证系统可靠的停止。 同时，也考虑到同步变压器和定相方面。电流闭环的设计工作原理及组成电流闭环以电流调节器为核心形成一个恒流控制系统。电流调节器的输出限幅值即为电流环的最大电流给定值。电流反馈信号Ufi取自主电路得交流侧，其极性与电流给定相反（参见图6-1）。因为电流调节器（1LT或2LT）为PI调节器，所以只要反馈与给定有偏差， 电流调节器的输出就要进行积分，直到偏差为零为止。电流调节器的输出Uk1和Uk2事触发器的移相电压，Uk绝对值增加将使整流电压增加，电枢电流上升至Ufi与Ugi相等为止。电枢电流等于给定值。电流环的作用可是电动机在启，制

59、动过程中电枢电流为最大 容许值，以实现快速最有控制。止匕外，电流闭环对电网电压的波动进行调节具有抗干能力。电流调节器为了满足工艺提出的动静态技术指标，电流调节器 LT采用PI调节，其中PI参数将 在参数计算部分计算。PI调节器选用高增益线性组件 BG3005组成（图6-2）。电流调节 器的输出经限幅和功率放大后送给触发器作为移相信号，输出最大整定在-10+10V。当系统中产生电流，来自过电流保护装置的过大正信号，使电流调节器的输出Uk为负的限幅值，即-10V,此时触发脉冲被推倒a =150。处。静止状态时，有静止检测器来锁零信号 使电流调节器LT所零，防止零漂。速度闭环的设计速度闭环由速度调节

60、器，电流内环，电动机，测速发电机和电压隔离器组成。在起制动过程中，速度调节器ST的输出Ugi为最大限幅值，通过电流闭环维持电枢电流为最大允许值直到速度升到给定速度，使过度过程最快。由于速度调节区选用PI调节器可以保证在正常工作环境下轧制速度恒定，而不受负载波动的影响。改变速度给定值Idmax,可以在要求的转速调节范围之间平滑无极调速，实现轧制速度和速度调节精度方面的要求。速 度调节器BG305组件组成接线与电流调节器相似。逻辑无环流调节逻辑无环流系统，在一组可控硅工作时，用逻辑装置封锁另一组的触发脉冲，时改组 可控硅完全处于阻断状态，从根本上切断环流的回路。五环流系统对逻辑装置的要求如何情况下