运控毕业设计-四辊冷轧机直流调速系统设计

1、前言随着轧制技术和机械制造水平的提高，高精度的冷轧薄板轧机获得长足发展。而作为轧机的控制系统越来越得到重视。直流调节控制技术越来越广泛地应用于轧制领域。可逆冷轧机要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。为了深入地分析控制原理在直流调速系统中的应用，本文对可逆冷轧机的主传动双闭环调速系统进行分析设计。 首先，介绍了四辊可逆冷轧机的机械配置和直流调速原理，详细论证了该系统的应该采用的调速电路。应用控制理论，对该控制系统的转速控制方案及其控

2、制过程实现进行了系统的研究。基于直流调速技术，完成了四辊可逆冷轧机的主轧机直流调速系统的设计和实现。其次，对组成该系统的各单元进行了分析设计。并对主电路的主要设备进行了选择，计算了参数如整流变压器的容量S，电抗器的电感量L等，并说明保护元件的作用。然后，设计电流环和转速环，确定ASR和ACR的结构，并计算其参数。最后，结合实验，论述该系统设计的正确性。总之，本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。目录前言I第一章 绪论11.1课程设计的背景及意义11.1.1设计的背景11.1.2设计的意义21.2国内

3、外研究的历史及现状21.2.1国内外冷轧板带状况21.2.2国内外冷带钢轧机发展状况41.3课程设计内容及要求51.3.1设计题目及设计要求51.3.2 设计内容6第二章 四辊冷轧机直流调速系统分析72.1 直流调速系统基础知识72.2 四辊冷轧机控制要求72.3 四辊冷轧机张力控制基础上的调速82.3.1 从工艺角度82.3.2 恒张力调速控制92.4 主轧机92.4.1 主扎机的工作状态92.4.2 主轧机调速控制原理102.5 主轧机双闭环直流调速控制11第三章 主电路和控制电路方案论证123.1 系统工作原理123.1.1 转速控制的要求和调速指标133.1.2 调速系统的两个基本矛盾

4、133.2 调速系统组成153.3主电路方案论证153.3.1励磁反接可逆电路153.3.2电枢反接可逆电路163.4 控制电路方案论证183.4.1带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统183.4.2转速电流双闭环调速系统193.4.3 a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统203.4.4 无环流控制的可逆V-M系统213.4.5检测电路和反馈电路23第四章 双闭环调速系统的各功能模块设计244.1双闭环调速系统结构概述244.1.1 主电路及化简244.1.2额定励磁下的直流电动机的数学描述254.2速度调节器274.3电流调节器284.4锯齿波同步移相触发电路294.5电流反馈与过流保

5、护304.6转速变换314.7零速封锁器324.8转矩极性鉴别(DPT)334.9零电平检测(DPZ)344.10逻辑控制(DLC)35第五章 系统电路的设计及参数计算365.1 主电路的主要设备及参数计算375.1.1晶闸管的参数计算和选择375.1.2平波电抗器的选择385.1.3 整流变压器的选择385.1.4 主电路的过电压和过电流保护395.1.5电流互感器的选择405.2 控制电路的设计及参数计算405.2.1 ACR的设计425.2.2 ASR的设计445.2.3 DLC的设计46第六章 实验调试、校正及其结果验证486.1实验目的486.2实验内容486.3 实验设备486.4

6、 实验步骤486.4.1 双闭环可逆调速系统调试原则：486.4.2 系统的开环调试496.4.3 系统各单元的调试和参数整定496.4.4 电流环闭环调试（电动机不加励磁）506.4.5 速度环闭环调试（电动机加额定励磁）506.5 触发器的整定506.6 系统的开环运行及特性测试516.7 系统单元调试536.8 实验结论55第八章 结论57参考文献58第一章 绪论1.1课程设计的背景及意义1.1.1设计的背景冷轧的薄板、带钢具有尺寸精度高、表面质量好、良好的机械和工艺性能等优点，被广泛应用于宇航技术、武器、航空、电子、汽车、化工、家用电器、造船、建筑、石油以及民用五金等国民经济各部门。由

7、于冷轧薄板具有较高的利润值，近年来越来越多的钢铁企业进入冷轧行业，首钢、邯钢、唐钢、马钢、昆钢等钢铁集团纷纷上马冷轧项目，并且宝钢、鞍钢、武钢、攀钢等传统的冷轧产品生产厂也通过扩建、技术改造的方式不断扩大生产能力。随着中国加入WTO，国外的冷轧产品也将大量地进入中国市场，市场竞争日趋激烈。本钢冷轧厂至2000年年产量已达78万吨，其中镀锌产品26万吨，创利润达1亿多元。随着工业的发展，对薄板质量要求越来越高，产量要求越来越大，对冷轧板带生产也提出了更高的要求，进一步促进了冷轧生产技术的发展。主要特点表现在卷重加大、轧速提高、机架数增加、快速换辊、液压装置、自动控制等几个方面。在此形势下，发达国

8、家传统工作所面临的竞争非常激烈，利润越来越低，国外现代技术发展的最直接目的是降低成本，能够降低成本的技术就有生命力。因此，当前轧钢过程的主要动向是开发以节约能源、节省劳动力、提高产品质量为目标的自动化技术。通过广泛使用计算机，安装高精度，高响应的传感器与控制器，不断改进轧机及其传动电机的性能，加上控制理论与轧制理论的进步及其数学模型的具体完善和实施，提高自动控制技术，品质管理技术，工程管理技术的水平，才能生产出高质量、多品种的钢材制品。因此，轧钢过程的自动化，高精度化的重要性就显而易见了1。在轧制速度越来越高，产品范围越来越大，质量要求越来越严格的情况下，轧机自动控制系统的功能及其检测仪表的性

9、能，必须进一步提高和完善，才能与之相适应。比如：速度的自动控制、厚度的自动控制、张力的自动控制和板形的自动控制等。通过高水平的自动控制系统可以保证生产的高效率、高效益、高质量和低功耗。冷轧机的自动控制是一种复杂的机一电一工艺的综合控制系统，变量较多，参数变化快，并且彼此相互影响，相互制约，为获得高质量的成品带钢(厚度偏差5“m)，必须设有相应的自动控制系统。这一系列的自动控制系统包括：带钢张力自动控制系统(ATC)，主传动的速度自动控制系统(ASC)，带钢厚度自动控制系统(AGC)等等。通过这些基本的控制系统就可以提高产量和产品的质量，改善系统的过程稳定性，减少意外事故的发生等。与此同时，随着

10、工业生产的发展，上述的基本控制系统也将不断更新、发展和完善。1.1.2设计的意义此次课程设计针对我们所学的电力拖动自动控制系统运动控制系统安排的，目的明确，学以致用。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，编写设计说明书的能力。1.2国内外研究的历史及现状1.2.1国内外冷轧板带状况钢板和带钢是国民

11、经济各部门中最广泛使用的钢材，按其厚度可以分为两大类，即厚板和薄板，尺寸范围如表1所示：表格 1钢板分类对带钢而言最主要的技术指标是：(1)尺寸精确性：板厚精度和板形是决定板、带钢几何尺寸精度的两大质量指标。随着各行业对板、带材质量要求的提高，板厚和板形控制具有十分重要的意义；(2)表面质量：板钢是表面积很大而相对体积很小的钢材，又多用作外围构件，故必须保证表面质量；(3)准确的化学成分、良好的工艺性能和机械性能。在钢铁工业中，采用冷轧的方式生产薄板、带钢从1926年就开始了。由于其表面质量好、具有强度高、厚度薄、尺寸精度准确、深冲性好、易加工、和良好的机械、工艺性能等优点，被广泛用于宇航技术

12、、飞机、汽车、化工、造船、建筑、石油、家用电器以及日用小五金等国民经济的方方面面。近几十年来冷连轧板、带钢在轧钢生产中的迅速发展，亦为各种新技术的广泛应用提供了一个领域，而生产过程自动化是迅速提高生产产量和获得优质产品的重要途径2。我国作为钢铁大国，钢铁产量已经超27亿吨，但是总体上来说还远不是钢铁强国。近几十年来，我国宏观经济发生了重大变化，买方市场已经基本形成，内需不足的问题日益突出。与此同时，由于自主开发创新能力弱，工业发展缺少新技术的支撑，高技术含量和高附加值产品的开发滞后，生产能力明显不足。比如，90年代以来，我国高技术产品贸易一直保持逆差，1994年最高达到1426亿美元。就是在国

13、内生产规模很大的时候，一些产业的主体设备和技术也严重依赖进口。我国作为钢铁生产大国，年产钢已经突破27亿吨，且已出现产品严重积压和价格走低的现象，但冷轧薄板、冷轧带钢、冷轧硅钢、镀锌板、不锈钢薄板等技术含量高、附加值高的生产用材则严重短缺。由于冷轧板带的消费市场前景广阔，应用极其广泛，其产量占轧材的比例逐年不断攀升。但与国外相比，差距还是很大。世界上美、俄、日等主要产钢国家，冷轧板卷占轧材总产量的比例大都在30以上，而我国冷轧板卷占轧材总产量比例仅为4，每年都需要大量进口冷轧板卷，自给率仅达40左右。目前国内需要的高精度带材主要依赖进口的局面与轧制控制技术落后有关。目前美国等发达国家，不仅大力

14、推进薄板坯连铸连轧生产线的建设，生产低成本薄规格的热轧宽带钢，同时还加速建设和改造冷轧宽带钢轧机，扩大冷轧宽带钢和涂镀层板等高附加值产品在钢材生产中的比例。建设冷轧宽带轧机模型多样化，例如美国近年来除新建和改造冷轧宽带钢连轧机组外，还大量在新建的薄板坯连铸连轧生产线后建设现代化的高产量高效率的单(双)机架可逆式轧机，形成“小钢厂”冷轧宽带钢生产模式，节省了中间退火环节，降低了成本3。1.2.2国内外冷带钢轧机发展状况钢的冷轧起始于德国，德国1917年二辊可逆式冷轧机、1932年四辊可逆式冷轧机的率先使用，掀开了现代按常规工艺生产板带材的序幕，此后冷轧带钢的最大有效宽度迅速增大，而且在一定宽度条

15、件下，其最小轧制厚度也不断减小。日本1938年在东洋钢板松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始了冷轧薄板生产。1940年在新日铁广佃厂建立了第一套四机架1420mm冷连轧机。带钢的连续冷轧的首次记录要追溯到大约1904年，当时，韦斯特利奇播哥(WestLeechburg)钢公司安装并开动了一台四机架二辊连轧机，每个机架单独用速度可调的直流电机驱动。而具有机架间张力和张力卷取机的真正的连轧机操作，大约于1915年在匹兹堡的莫里斯一贝利(Morris&Bailey)钢公司和苏必利尔(Superior)钢公司安装的轧机上才得到发展。第一台四机架四辊冷轧机由美国轧机公司于1926年在巴特勒工厂投入生产

16、。70年代后，由于世界性的能源问题，美、日、英、德、俄等钢铁工业发达国家的冷轧板带生产不太景气，因而新建的冷轧机较少。这一阶段这些国家的投资基本上都花在冷轧机的改造上，改善板带产品的板形，减少板厚，降低能耗，提高轧速，增大卷重。尽量提高轧机的装备水平，增设必要的控制手段，采用新技术，局部采用新设备、新工艺，从而提高冷轧板带的质量和产量。这一时期，世界上出现了控制板形的多种新型轧机，也同时出现了各生产工序连续化的全连续式冷轧机。由于汽车、家电等行业的迅猛发展，这一趋势稍有改观，不少国家又开始新建或准备新建一些冷轧机。我国冷轧板带工业起步较晚，直到1906年，鞍钢建立了第一台1700mm单机可逆式

17、冷轧机，以后又陆续投产了1200mm单机可逆式冷轧机、MKWl400mm偏八辊轧机、1500mm二十辊冷轧机和1250mm单机架可逆式HC冷轧机，70年代武汉钢铁公司投产了我国第一套1700mm五机架冷连轧机，1988年在宝钢建成了2030mm五机架冷连轧机。此后，又陆续新建了宝钢1420mm、攀钢1220mm、宝钢1550mm工程，以及宝钢三期后工程1800mm五机架冷轧机。纵观国内现有的冷轧机，除了新建的如宝钢2030mm、1420mm、1550mm等几套轧机控制水平较高、技术较先进外，还有一大批技术落后，控制水平低的轧机，为了能够生产出高精度的冷轧带钢，这些轧机迫切需要进行技术改造45。

18、1.3课程设计内容及要求1.3.1设计题目及设计要求150/500400四辊冷轧机直流调速系统设计。A) 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： 0.510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；辊机原理图

19、如图1- 1所示：图1 1 辊机原理图B)设计要求： 稳态无静差，电流超调量5%；空载启动至额定转速时转速超调量%10%；能实现快速制动。C)直流电动机参数： =120Kw，=230v，=780A，=1000r /min, =0.05，电枢回路总电阻R=0.12，电流过载倍数=2.25，=87.5。1.3.2 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号图纸）。2、设计组成该电路的各单元，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

20、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。第二章 四辊冷轧机直流调速系统分析冷轧机是轧钢行业中的核心设备，可逆扎钢机主要用于各种薄钢板（带）的 冷压扎制，通过一对压辊，把各种厚度不同的钢板（带）压制到所需的规格。可 逆，顾名思义即钢板（带）可以双向通过压辊，经过多次的压制，不用换卷一次使钢板带压制成型。与单向压机相比，大大提高了工作效率，降低了劳动强度，提高了自动化程度。正因为如此，可逆压机对控制系统也提出了比较高的技术要求。2.1 直流调速系统基础知识在电流相同的条件下，不同的调速方法输出的

21、转矩和输出功率不尽相同，所以按充分利用电动机的观点可将调速方法分为以下两种：(1)恒转矩调速。转矩M和电流I保持正比关系的调速方法为恒转矩调速。(2)恒功率调速。调速过程中，功率P与电流I保持正比关系的调速方法为恒功率调速。直流他励电动机改变磁通调速，保持电流不变，则转矩M与磁通成正比。而转速n与磁通成反比。 （2-1）恒转矩调速状态保持不变，张力即不变，要向调节张力只需要调节电枢电流。而恒功率调速状态即弱磁调速。如应用与磨切等设备时，当出现卡机现象不会因为电流过大而损坏电机。2.2 四辊冷轧机控制要求可逆冷轧机的两边都有卷轴，一边为收卷，另一边为放卷，当扎制方向改变时，转换收放卷的运行方向，

22、收卷改成放卷，放卷改成收卷，因收放卷过程中卷径会发生变化，所以收放卷一般都用力矩控制方式。其次根据扎制要求，为了使压制后的钢板（带）保持平直，收放卷都需要保持一定的张力，使钢板在进出扎辊时都保持平直。一般根据实际的张力大小，需要实时调整张力，使钢板带既保持一定的张力，又不致被拉断。第三，为了调整钢板（带）的厚度 ，在开始阶段，系统的工作速度通常会很慢，但这时候压制力不会因为速度慢而减少，反而 会因为速度慢而增加静态摩擦力，所以，低速时候所需要的力矩会比高速时更大 。这给传动和控制提出了很高的要求，特别是传动系统的低速力矩要足够大， 保证低速时运行的平稳，张力的稳定。当然控制系统还应有钢板（带）

23、厚度测量装置以及调整厚度系统，直观的显示并能方便地调整进出压辊的钢板厚度，如Error! Reference source not found.所示。图2 1四辊冷轧机工作原理可逆冷轧机的传动大多数是传统型直流传动系统， 由直流传动系统的特性可知，在额定转速以下，直流系统是恒力矩输出， 通过双闭环控制， 可以很好的保证低速输出力矩。但是，直流电机的结构，决定了直流电机的维护工作量比较大，检修难度大。所以， 在最新的控制系统中，已开始逐步使用直流调速器2； 通过双闭环直流调速器作一些辅助控制和运算， 实现恒张力的工作要求。下面介绍四棍可逆轧机中应用双闭环直流调速器的最基本的控制方法。2.3 四辊

24、冷轧机张力控制基础上的调速目前的缠绕式机组控制恒张力方法基础特性分为：直接张力控制，间接张力控制，最大转矩控制，复合张力控制，最大转矩递变张力控制。国内四辊冷轧机一般均采用间接张力控制。2.3.1 从工艺角度一般轧机自动轧制模式分为以下2种模式：(1)GAP：辊缝恒定，此时前后张力设定恒定值，轧制力不断变化，(2)LOAD：轧制力恒定，出口张力保持不变，入口张力不断变化。无论是哪种模式都是建立在直流电机恒张力控制的基础上进行控制。接下来对电机恒张力控制进行具体分析。2.3.2 恒张力调速控制我们知道，电动机输出的力矩为： （2-2）其中：一带材静态张力矩，一动态加减速力矩，一摩擦力矩等。最终控

25、制结果是使由所产生的张力保持恒定。由 （2-3）式中：一张力，一电动机的结构常数，一卷径，一电动机的磁通，韦伯, 一电枢电流。一机械传动比。可以看出要维持张力恒定有两种方法：第一种是电流电势方式，其控制原则是在稳速轧制时电枢电流保持恒定，励磁磁通与铝卷直径成正比(=常数)，随卷径增大而增大，该控制方式在最大卷径以下均处于弱磁状态，这就带来了电机力矩利用不充分，功率因数差等缺点，现在已很少采用。第二种是最大力矩方式，该控制方式的指导思想是：电动机的励磁磁通与铝卷直径变化无关，仅仅取决于电机转速。在基速以下，电动机是满磁状态，电流与卷径成正比，可以输出最大力矩。在基速以上，电动机按弱磁升速，即电枢

26、电流恒定，随卷径增加加大励磁电流。该控制方式电机在基速以下可以输出最大力矩，基速以上又可以输出最大功率使电机得到充分利用，完全满足冷轧机低速大张力，高速小张力的工艺要求。因此采用最大力矩方式控制主电机。2.4 主轧机2.4.1 主扎机的工作状态轧制过程是靠旋转的轧辊与钢带之间形成的摩擦力将钢带拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程2。入、出口卷取电机通过减速箱分别连接到卷取机膨胀芯轴上，钢卷被芯轴胀紧，钢带经过导向辊穿过轧机上下工作辊。当轧制方向由左到右时，入口卷机电机速度给定相对于轧制方向速度相反，即电机转矩方向同实际运动方向相反，从而形成入口张力；出口卷取电机速度给定超前轧制方向速

27、度，处于堵转状态，形成出口张力。上部电机和下部电机输出轴通过减速箱分别连接上、下支撑辊，支撑辊和工作辊之间通过轧制力紧紧压靠在一起，支撑辊的旋转带动工作辊的旋转，通过调整上下部电机速度，来实现轧制过程中的穿带、加速、稳速轧制和减速等状态。2.4.2 主轧机调速控制原理从操作流程分析机列调速原理：上料一穿带一建立静张力一爬行一加速一保持设定速度一减速一制动。不考虑卷径变化，且张力设定不变的情况。要保持张力不变，需要保持电流不变。系统中电流反馈到电流调节器输出到可控硅触发角，从而改变电压U，从而得出新的电流，保持恒张力的过程就是电流调节器调整反馈与基准电流一致的调解过程。至此，我们考虑卷径变化：扎

28、机随着轧制过程卷径的逐渐变小，为了保证卷径变化时张力恒定，这就要求主电机其他参数必须跟随卷径的变化而处于动态调整之中，现在分析板材张力与这些参数的关系：M=D2由电机学可知，扎机处于制动状态时产生的阻力矩M与张力T及卷径D的关系为：M=TD2。由电机学可知，扎机处于制动状态时产生的阻力矩M与励磁磁通及电机电枢电流有如下关系：式中为电机转矩系数，为一常数。联立以上两式则有： （2-4） 式中K=2为一常数。在基速以下时，为一常数，则。可见保持电流随卷径成正比例变化，即可实现张力恒定。以上分析为基速以下，当可控硅调节到电机额定电压时，由 （2-5）基速即电枢电压到达额定电压的速度，此时避免无限调整

29、U造成反电势E=UIR过高、电橛电流过大而对电机的绝缘、线圈等系统造成危害。此时要继续提高速度只能改变磁通中，进行弱磁调速。以下分析基速以上的速度及恒张力的调节。速度调节为外环，只需根据速度基准形成闭环调节。由于为定值即反电势恒值的调节过程，此时电流调节器保持不变，但我们要考虑卷径变化：由电机学公式： （2-6）即 （2-7）同时已知 （2-8） 所以 （2-9）又知卷径与板材线速度及开卷机角速度，有如下关系式： （2-10）将其带入上式得：（2-11）式中为常数，所以在基速以上，只要保证主轧机电枢电流I与板材线速度成正比例变化，即可实现恒张力。无论是LODA模式还是GAP模式都是建立在此基础

30、(恒张力控制)上进行调节。2.5 主轧机双闭环直流调速控制机架的速度反馈即机列速度，以控制系统的传递函数为基础，设计逻辑无环流控制器及电流调节器和转速调节器参数，通过逻辑控制器实现可逆冷轧机的主传动控制。如Error! Reference source not found.。图2 2 转速、电流双闭环调速系统ASR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

31、，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。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。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。第三章 主电路和控制电路方案论证3.1 系统工作原理本系统由机械

32、部分和电气部分组成，轧制系统为一台四辊可逆冷轧机，其机械部分的配置简图如Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.所示。图3 1轧制系统机械配置简图该轧机具有两个小直径工作辊和两个直径较大的支承辊，采用直流电机驱动，轧件在两工作辊间往复轧制。它集中了二辊和三辊劳特轧机的优点，既降低了轧制压力，又大大增强了轧机刚性，并且生产灵活，轧制的产品范围广，故适用于轧制各种尺寸规格的中厚板，尤其是轧制宽度较宽，精度和板形要求较严格的中厚板，更离不开它。3.1.1 转速控制的要求和调速指标生产工艺对控制系统性能的要

33、求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标调速范围D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即 （3-1）静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 （3-2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。跟随性能指标 在给定信号R（t）的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上

34、升时间，超调量，调节时间.抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间.3.1.2 调速系统的两个基本矛盾在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾5。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中

35、的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。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，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如Error! Reference source not found.a)所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idl

36、图3 2调速系统启动过程的电流和转速波形a) b)a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程当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。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地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,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如Error! Reference source not fou

37、nd.b所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，Error! Reference source not found.b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。问题是希望在启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入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。3.2 调速系统组成在V-M直流调速系统中，速度调节器和电流调节器一般均采用比例积分调节器，并且调节器参数的计算方法较多采用

38、以经典控制理论为基础的“电子最佳调节原理”和“频率特性设计方法”。实践表明：应用这些工程设计方法来设计电流调节器参数，其实际电流特性与预期的比较接近。但是，由于这两种设计方法从理论上来讲都只适用于零初始条件下对线性控制系统的设计，因此，对于含有非线性环节的V-M调速系统来说，由于存在饱和与退饱和过程引起的非零初始条件问题，因此，速度调节器的设计参数与实际调试结果相差比较大，使系统对负载扰动引起的动态速降(升)缺乏有效的抑制能力，存在起动和制动过程中超调量大，突加(减)负载时，动态速降(升)大等缺点。3.3主电路方案论证系统的直流电动机需要可逆运行。即要求电动机能够产生正向和反向转矩。由电动机转

39、矩公式Te = CmF Id 可知：有两种方法可改变转矩方向，一是改变电动机励磁F 的方向（即励磁可逆），二是改变电枢电流的方向（即电枢可逆）。 3.3.1励磁反接可逆电路采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向进而使电动机改变转向。晶闸管反并联励磁反接可逆线路如Error! Reference source not found.所示。电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。图3 3 晶闸管反并联励磁反接可逆线路虽然采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少，可以实现电动机的正反转，但是由于电动机励磁绕组的电感大，励磁

40、反向的过程较慢，改变转向时间长，这将很难满足四辊冷轧机直流调速系统快速性的要求。也就很难使得生产出来的产品达到生产工艺的要求。所以我们不能选择励磁反接这一控制方案。3.3.2电枢反接可逆电路电枢反接可逆线路的形式有多种，主要有以下3种方式：（1）接触器开关切换的可逆线路图3 4 接触器开关切换的可逆线路接触器开关切换的可逆线路如Error! Reference source not found.所示。KMF闭合，直流电动机正转；KMR闭合，直流电动机反转。系统仅需四个接触器，简单、经济。但系统是有触点切换，开关寿命短；需自由停车后才能反向，时间长；而且系统的容量较小。不能够满足本系统快速起停、

41、正反转、大容量的要求，所以该方案不适用于本系统。（2）晶闸管开关切换的可逆线路图3 5晶闸管开关切换的可逆线路晶闸管开关切换的可逆线路如Error! Reference source not found.所示。VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。该方案只能适用于中、小功率的系统，限制了系统的应用范围。（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路。图3 6两组晶闸管反并联装置两组晶闸管装置反并联可逆线路。其线路图如Error! Reference source not found.所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由

42、两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。它在快速性和容量上都可满足系统的生产工艺要求，可适用于各种可逆系统。所以系统主电路最终设计成两组晶闸管装置反并联可逆线路。结论：主电路采用正、反两组晶闸管全控桥式整流装置(和)反并联线路，为平波电抗器，以减小纹波和电流连续。为()联结的三相整流变压器(可抑制三次阶波对电网的影响)。3.4 控制电路方案论证我们要确定可逆直流调速系统控制电路的方案，就要先确定其控制电路为单闭环还是多闭环。其次再确定控制电路的控制方法。3.4.1带电流截止负反馈的

43、转速单闭环调速系统图3 7带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统如Error! Reference source not found.所示，采用转速负反馈加电流截止负反馈和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：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。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Idcr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。由Error! Reference sou

44、rce not found.可知：起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。不能满足快速性的要求，所以这种方案不可取。图3 8 直流调速系统起动过程的电流和转速波形由可知：理想的快速起动过程，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。为了在起动过程中能够得到这个最大的恒定电流，得设计一个电流负反馈。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。二者之间实行串级控制。所以系统控制电路的结构为转速、电流双闭环。3.4

45、.2转速电流双闭环调速系统通过以上分析，系统已基本上确定为转速、电流双闭环的晶闸管-电动机调压调速系统。如第二章的轧机调速系统分析所述。具体图形见Error! Reference source not found.。然而采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，如下图中所示（Ic 为环流、Id 为负载电流）。图3 9 环流这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。这对控制方法提出了更高的要求。这里我主要论证两套在实际工业生产中得到

46、广泛应用的控制方案：a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统和无环流控制的可逆V-M系统。3.4.3 a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统采用a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图如Error! Reference source not found.所示，图中主电路是三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路为典型的转速、电流双闭环系统。ASR和ACR都设置了双向输出限幅值，以限制最大起制动电流和最小控制角amin 和最小逆变角 bmin 。图3 10 a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统 a = b 配合控制已经消除了直流平均环流，但由于上下两桥整流与逆变的瞬时电

47、压不一样，所以主电路还存在脉动的环流。这一环流对系统及有好处也有坏处。它使电动机的正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统；但需要向系统添加环流电抗器，而且晶闸管等器件都要负担负载电流和环流。对于大容量的系统来说，这些缺点就会比较明显。而四辊冷轧机直流调速系统的容量比较大，所以将a = b 配合控制的这种控制方法应用于本系统不太合适。我们的选择其它的控制方法。3.4.4 无环流控制的可逆V-M系统通过上一小节的分析可知：有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统正反

48、转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。按照实现无环流控制原理的不同，无环流控制的可逆系统又分为两大类：错位控制无环流系统和逻辑控制无环流系统。在错位控制的无环流可逆系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是ar +a f = 300，甚至是ar +a f = 360，也就是说，初始相位整定在ar = a f = 150或180。这样，当待逆变组的触发脉冲来到时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生瞬时脉动环流了。鉴于目前错位控制的无环流可逆系统实际应用已经较少，本系统不予以

49、考虑。我们主要来探讨逻辑控制无环流系统。逻辑控制的无环流可逆系统工作原理：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。逻辑控制的无环流可逆调速系统的原理框图如Error! Reference source not found.所示。图3 11 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图系统结构的特点： 由于没有环流，不用设置环流电抗器；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，1A

50、CR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 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。在逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发

51、装置都是等待状态。采用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另一套装置就可以节省下来了。这样的系统称作辑选触无环流可逆系统，其原理图如Error! Reference source not found.所示。图中：SAF，SAR分别是正、反组电子模拟开关。系统节省了一套电流调节器和触发装置。而且实际系统都是逻辑选触系统，所以系统的控制方法选为逻辑选触无环流控制。图3 12 逻辑选触无环流可逆系统的原理框图本章主要讲述系统方案的论证。我们先确定系统为调压调速，然后经论证系统主电路确定为两组晶闸管装置反并联的可逆电路，最后我们论证控制电路的方案。在控制电路的方案论证中，

52、我们先确定系统为转速、电流双闭环的调速系统，然后根据自己所学知识和工程实际应用确定控制电路的控制方法为逻辑选触无环流控制。通过以上的分析和论证，系统的方案确定为逻辑选触无环流可逆V-M系统。原理框图如Error! Reference source not found.所示。结论：控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统，只是电流环分设两个电流调节器，IACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR1ACR的给定信号Ui*经反号器作为2ACR的给定信号，这样可是电流反馈信号Ui的极性在正反转时都不必改变，从而可采用不反应极性的电流检测器。3.4.5检测电路和反馈电路检测电路和反馈

53、电路：TG为永磁式直流测速发电机，它将转速检测信号Ufn反馈到速度调节器ASR的输入端。TA为三相电流互感器，U为三相整流桥，它将与电枢电流Id成正比的电流检测信号Ufi分送到电流调节器1ACR、2ACR和逻辑控制器DLC的输入端。DLC按照系统的工作状态指挥系统进行自动切换，或允许正组触发器输出触发脉冲而封锁反组，或允许反组触发器输出触发脉冲而封锁正组。在任何情况下，决不允许两组触发器同时开放，确保主电路没有产生环流的可能。第四章 双闭环调速系统的各功能模块设计4.1双闭环调速系统结构概述4.1.1 主电路及化简主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证可逆冷轧机的卷取机系统具有稳

54、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。其实现方式如Error! Reference source not found.所示。图4 1 主电路的原理图及化简a)三相桥式整流电路的主电路b)等效电路c)化简后的等效电路其中： Rb变压器两相绕阻的等效内阻 Ra变压器两相绕阻漏抗引起换向压降所对应的电阻 Rn两个可控硅原件的正相等效电阻 Rp平波电抗器等效电阻 Rd电动机电枢等效内阻 Lb变压器两相绕阻的漏感 Lp平波电抗器电感 Ld电动机电枢绕阻电感 Ud0=2.34U2COS理想空载整流电压 E=Ce

55、*n直流电动机电势 RN=Rb+Ra+Rn整流装置内阻 RS =Rp+Rd电动机电枢电阻 R=RN+RS主电路总电阻 L=Lb+Lp+Ld主电路总电感对于系统的供电，可将无穷大电网电压经三相变压器变为220V，再通过一系列熔断器等保护措施，输入给桥式整流电路，进而给直流电机和其他装置供电。变压器绕组采用 /Y接法，具体方法见主电路变压器的参数计算。主电路的保护措施尤为重要，设计多重保护电路成为必要。在起动开关电路里面设置自锁回路和，在控制电路中发现电流过大，这可使主电路常闭开关KM跳开而保护整个系统，当KM跳开失败后，由于电流过大，一段时间后快速熔断器受热而熔化使电路跳开，从而避免烧坏电机等设

56、备。上框图中起动开关KM部分电路图如Error! Reference source not found.所示。 图4 2 起动开关电路图4.1.2额定励磁下的直流电动机的数学描述 由Error! Reference source not found.中的c)可列出微分方程如下： (主电路,假定电流连续) (额定励磁下的感应电动势) (牛顿动力学定律,忽略粘性摩擦) (额定励磁下的电磁转矩)式中 TL包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；GD2电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2； Cm=30Ce/电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A；定义下列时间常数：TL=L/R电枢回路电