四辊冷轧机直流调速系统

1第一章、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、课题设计要求四辊冷轧机滞留调速系统设计（一）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：0.5~10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；下附轧机原理简图：2辊机原理简图（二）设计要求：稳态无静差，电流超调量i≤5%；空载启动至额定转速时转速超调量n%≤10%，能实现快速制动。（三）直流电动机参数：nomP=120Kw，nomU=230v，nomI=780A，nomn=1000r/min,aR=0.05Ω，电枢回路总电阻R=0.12Ω，电流过载倍数λ=2.25，2GD=87.52.Nm带材V正V负作开卷机用作卷取机用作卷取机用作开卷机用轧机（轧辊）3第二章、调速方案选择在进行调速方案选择之前，先来简要介绍一下直流调速的一般原理。2.1直流调速的一般原理理想化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为：eKIRUn式中n——转速（r/min）；U——电枢电压（V）；I——电枢电流（A）；R——电枢回路总电阻（）；——励磁磁通（Wb）；eK——由电机结构决定的电动势常数；在上式中，eK是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：1）调节电枢供电电压U；2）减弱励磁磁通；3）改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。以下介绍在直流调速系统中比较常用的开环控制、转速负反馈控制、转速、电流双闭环控制等控制方法。2.2开环直流调速系统开环直流调速系统原理图如下图2-2-1：4图2-2-1晶闸管——电动机调速系统(V——M系统)原理图图2-2-1中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc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。这里对晶闸管可控整流器的移相控制是关键。锯齿波同步移相触发电路将在第三章介绍。其整流原理为三相桥式全控整流，基本原理见下图2-2-2。通过改变触发角从而改变Ud以进行调速。图2-2-2三相桥式全控整流电路开环直流调速系统控制电路简单，有利于在实验室实现，并且能实现一定范围内的无级调速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统是可以满住要求的。然而，开环直流调速系统没有控制结果的反馈，控制精度不高，在需要调速的生产机械对静差率有一定的要求的场合往往不能满住要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件的加工精度和加工后的表面洁净度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大。这时就不能使用开环直流调速系统了。52.3转速负反馈直流调速系统为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。转速单闭环系统原理图如下图2-3-1：图2-3-1转速单闭环系统原理图图2-3-2转速单闭环系统结构框图可见转速单闭环系统实际上是开环直流调速系统的“闭环化”。转速单闭环系统将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经检测转化与给定信号相比较并经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉6冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。与开换系统相比，转速单闭环直流调速系统性能更为稳定。根据转速单闭环系统原理图作如下分析：转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式n=Kp*Ks*U1/Ce(1+K)-Id*R/Ce(1+K)式中：Kp—放大器的电压放大系数;Ks—电力电子变换器的电压放大系数;α—转速反馈系数U1—给定电压设K=Kp*Ks*α/Ce闭环系统的转速降ΔNcl=R*Id/(Ce(1+K))闭环系统的静差率Scl=ΔNcl/Nn调速范围Dcl=Nn*s/(ΔNcl*(1-s))可见经过适当调节Kp、Ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。2.4带电流截止负反馈的直流调速系统直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压△Un=Un*，差不多是其稳态工作值的1+K倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔7断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反馈，简称截流反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构框图如下图2-4-1所示。图2-4-1环直流调速系统稳态结构框图这种电流负反馈作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。它的静特性分为两段，当dcrdII时，电流截止负反馈环节不起作用，静特性与只有转速负反馈系统的相同。当dcrdII后，引入了电流截止负反馈，静特性变为：)1()()1()()1()()1()1(**KCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCKKKCUKKnedsspecomnspedcomdsespensp2.5双闭环直流调速系统采用转速负反馈和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，例如龙门刨床、可逆轧钢机等要求快速起制动，突加负载动态速降小的场合，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。这时单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。于是产生了通过转速、电流双闭环来控制电流和转矩的双闭环控制直流调速系统。在单闭环直流调速系统中，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。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图2-5-1所示8图2-5-1单闭环直流调速系统起动电流和转速波形图起动电流突破Idcr以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值Idm后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。为此，在电机最大允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。这样的理想起动过程波形示如图2-5-2：图2-5-2系统理想起动过程波形这时，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，如图所示2-5-3。图2-5-3转速、电流双闭环直流调速系统9ASR——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。以下分别对双闭环调速系统的静态特性、动态特性以及抗扰性能进行分析。为分析静特性我们参考如下的系统稳态结构框图：图2-5-4双闭环调速系统的稳态结构图——转速反馈系数——电流反馈系数在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。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。①转速调节器不饱和：CA段静特性从理想空载状态的dI=0一直延续到dmdII，而dmI一般都是大于额定电流dNI的。这就是静特性的运行段。②转速调节器ASR饱和：这时ASR输出达到限幅值*imU，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调节系统。其静特性如下图2-5-5：图2-5-5单闭环调节系统静特性图10为分析动态特性以及抗扰性能参考双闭环直流调速系统的动态结构图如下图：图2-5-6双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制：根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调：由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压△Un为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制：起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，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。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。对于电网电