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1、三机架冷连轧机直流调速系统设计学生姓名：学 号：专业班级：自动化指导教师：李京完成时间：2016.9目录第一章 课程设计概述11.1设计背景及目的11.2设计要求1第二章 直流调速系统的方案设计32.1现行方案的讨论与比较32.2晶闸管电动机系统(V-M系统)42.3无环流控制的可逆晶闸管电动机系统52.4转速负反馈直流调速系统62.5直流双闭环调速系统6第三章 直流调速系统主电路设计83.1励磁电流的设计83.2电机主电路的设计93.3电力电子变换电路的设计9第四章 直流调速系统控制电路设计104.1速度调节器104.2电流调节器104.3电流反馈与过流保护114.4转速变换134.5转矩极
2、性鉴别144.6零电平检测154.7逻辑控制15第五章 双闭环调速系统设计175.1设计准备175.2电流调节器的设计185.3转速调节器的设计20第六章 电路元件选择与参数计算236.1 变压器236.2 晶闸管236.3 晶闸管保护措施236.4 平波电控器24第七章 心得体会24第一章 课程设计概述1.1设计背景及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，是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
3、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。轧机控制的核心是板形和厚度控制。要达到良好的板形和保证可接受的厚度公差，轧机就必须保证良好的速度、张力的稳定性。在控制方式上，主机的速度控制，给整个轧机提供稳定的线速度基准。开卷机和卷曲机为恒张力控制。速度设定由主操作手在操作台控制，控制信号传送到各个传动系统，速度设定是以主机为线速度基准，计算减速箱速比以及传动辊工作辊辊径，可以得出电机每分钟需要的转速是多少。根据控制功能，具有正反点动功能，用于穿带及断带处理。按照线速度同步的原则计算转速分配给传动系统。张力控制
4、在冷轧行业是个必须面对和正确处理的问题，在整个轧制过程中至关重要。本文基于三机架冷连轧机直流调速系统的设计，通过对逻辑无环流控制系统研究，设计出应用于直流电机的速度、电流双闭环控制系统。根据控制系统的设计技术指标要求，论述不同方案的区别并选择适合的方案。再分步对控制系统各个模块进行详尽的设计说明、其中包括设计原理、参数计算和器的选择。1.2设计要求(一)轧机工艺及对电力拖动系统的要求：1、轧机用途：轧制紫铜、合金条材，将厚度为2.5-6.0mm扎成成品厚度为1.0-2.5mm。2、设备配置：1234来料5+6789图2-1中：1、2、3-主工作架，4-卷取机，5-减速机6、7、8-工作要架主电
5、机，9-卷宗取机电动机3、生产工艺对电力拖动的要求：(1)启动到给料速度到规定速度制动到给料速度停止。(2)机架速度自动保持不变，机架间张力自动保持不变。(3)各机架可单独起、制动和联合起制动。(4)可以用任何轧制速度。直到电动机的极限值。(5)连轧机除正常停机外，还应有快速停车。(6)在连轧过程中或在过渡过程中，卷取机和第三机架的条材的张力应保持不变。(7)当断带时，能自动限制卷取机的速度。轧机因事故停止时，卷取机也应停止。(二)设计要求：1、三台主工作机架的主电机参数及要求均一样，只设计一台控制系统就行。2技术指标：稳态无静差，电流超调量，空载起动至额定转速时的转速超调量，能实现快速制动。
6、（三）直流电机参数：Pnom=550KW,Unom=750V,Inom=780A,nnom=370r/min,Ce=1.19V.min/r,R=0.1,GD=783.5N.m,允许电流过载倍数=1.5。第二章 直流调速系统的方案设计2.1现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种：(1)调节电枢供电电压：改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但需要大容量可调直流电源。(2)改变电动机主磁通：改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简
7、称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化遇到的时间常数同调压方式电流变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。(3)改变电枢回路电阻R：在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。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
8、好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：(1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。由交流电动机(异步机或同步机)拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流a即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统。(2)静止式可控整流器。用静止式的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流器，获得可调的直流电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发装置的相位，即可改变整流平均电压,
9、从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离心变流拖动装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济型和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。(3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。采用直流斩波器或脉宽调制变换器(PWM)控制。2.2晶闸管电动机系统(V-M系统)图2-2给出了晶闸管电动机系统的基本原理图，图中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，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。和旋转发电机组及离心拖动变流装置
10、相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有提高，而在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接电子控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流装置是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。图2-2晶闸管电动机系统的基本原理图晶闸管直流装置也有它的缺点。首先，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，必须采用正、反两组全控整流电路。其二，晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏器件，因此必须有可靠的
11、保护电路和符合要求的散热条件，而在选择器件时还应留有适当的余量。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”。2.3无环流控制的可逆晶闸管电动机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，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。当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）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，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。逻辑控制无环流可逆调速系统的组成及工作
12、原理图如图所示：图2-3逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图系统结构的特点：主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于没有环流，不用设置环流电抗仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR。1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。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Ubl来控制正组触发脉
13、冲的封锁或开放，Ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。2.4转速负反馈直流调速系统图2-4转速负反馈直流调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统大大减少转速降落。闭环控制系统的代价是：增加放大器和转速检测元件。2.5直流双闭环调速系统采用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，例如要求快速起动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。在单闭环调速系统中
14、，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是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。电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。实际中往往希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。因此，本设计中采用转速、电流双闭环直流调速。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，系统结构图如图2-5所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入
15、，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理如图2-5-1所示。图2-5双闭环直流调速系统的组成ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器GT电力电子变换器图2-5-1双闭环直流调速系统电路原理图RASRACR1/CeId+-UnUiUi*+-Uc-nKsUd0+Un*图2-5-2双闭环直流调速系统稳态结构框图第三章 直流调速系统主电路设计主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证冷连轧机的卷取机系统具有稳定的正反运行特性，则需要设计可逆的调速系统，采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置可以解决电动机的正反转运行和回馈制动的问题。3.1励磁
