運動控制課程設(shè)計--電力拖動自動控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　本次的課程設(shè)計為時兩周，是對本學(xué)期所學(xué)的《電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)》進行一次全面的總結(jié)，是從理論到實際的升華，也是畢業(yè)設(shè)計前的一次重要練兵。課程設(shè)計的內(nèi)容是三機架冷連軋機直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，此說明書是根據(jù)三機架冷連軋機可逆調(diào)速系統(tǒng)編寫的。</p><p>　　冷連軋機是供冷軋鋁板帶、銅板帶

2、等帶材之用，在工業(yè)現(xiàn)代化進程中，鋼鐵工業(yè)一直是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，地位重要，而冷板帶的生產(chǎn)又是鋼鐵工業(yè)發(fā)展中的重要方向之一。冷連軋機即生產(chǎn)板帶的生產(chǎn)設(shè)備，其性能的好壞直接決定板帶的質(zhì)量，進而影響我國工業(yè)化 ，所以冷連軋機的發(fā)展十分重要。冷連軋機控制系統(tǒng)的核心就是電機的控制，可將其視為一個復(fù)雜的電力拖動系統(tǒng)。</p><p>　　目前在許多需要調(diào)速或快速正反轉(zhuǎn)的電力拖動領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的是直流調(diào)速設(shè)計方法，直流電動機具有良好的

3、起、制動性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，其優(yōu)點是簡單方便，但設(shè)計的系統(tǒng)性能指標(biāo)是相同的，實際系統(tǒng)所要求的指標(biāo)往往是不同的，所以采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法不一定都能得到滿意的結(jié)果。如果我們在按上述設(shè)計法確定調(diào)節(jié)器形式的基礎(chǔ)上，再找出調(diào)節(jié)器參數(shù)改變時對應(yīng)系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化趨勢，那么在實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)速時就可以根據(jù)得到的變換趨勢，按系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求來調(diào)整和選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，從而獲得實際系統(tǒng)要求的動態(tài)響應(yīng)。</p><p&

4、gt;　　從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動系統(tǒng)包括調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法不斷創(chuàng)新，控制性能不斷提高。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可謂直流調(diào)速經(jīng)典方法，具有很好的控制性能，其實現(xiàn)方式也擴展到了全數(shù)字式。</p>

5、<p>　　本次設(shè)計采用的是全模擬器件搭建的電路，設(shè)計較為復(fù)雜，但物理意義較強，有利于我們對運動控制系統(tǒng)的深入理解。由于本人學(xué)識有限，有錯誤或不當(dāng)之處，請指出并批評。</p><p><b>　　設(shè)計者：任甜</b></p><p><b>　　2010年1月</b></p><p><b>　　緒論

6、</b></p><p>　　1.1 課程設(shè)計的背景、目的和要求</p><p>　　1.1.1設(shè)計的背景</p><p>　　三機架冷連軋機是供冷軋紫銅及其合金條材之用，為了提高其生產(chǎn)效率，冷連軋機將帶材原料經(jīng)過一個次軋制過程軋成所需厚度、平整度和表面光潔度的冷軋帶卷。在冷軋銅板帶的控制系統(tǒng)中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝過程的穩(wěn)定，冷連軋機的軋制速度需要

7、進行嚴(yán)格的控制，冷連軋機的軋制速度一般指軋件出口處的速度，三機架冷連軋機布置圖如圖1.1，在本設(shè)計中指3#主工作架工作輥出口處的速度，軋制速度作為軋機的一項重要工藝指標(biāo)，與連軋機本身的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)能力、軋件的工藝特性以及軋制時的操作條件都有很大的關(guān)系。</p><p>　　為了控制連軋機的軋制速度，要求冷連軋機左邊的開卷機工作在發(fā)電狀態(tài)，最右邊的卷取機工作在電動狀態(tài)。</p><p>　　圖

8、1.1 三機架冷連軋機布置圖</p><p>　　1.1.2 設(shè)計目的</p><p>　　運動控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課，具有很強的系統(tǒng)性、實踐性和工程背景，運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用運動控制系統(tǒng)的知識和理論分析以及解決運動控制系統(tǒng)設(shè)計問題，使學(xué)生建立正確的設(shè)計思路，掌握工程設(shè)計的一般程序、規(guī)范和方法，提高學(xué)生調(diào)查研究、查閱文獻及正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊等

9、工具書的能力，理解分析、制定設(shè)計方案的能力、設(shè)計計算和繪圖能力，實驗研究及系統(tǒng)調(diào)試能力，編寫設(shè)計說明書的能力。</p><p>　　1.1.3 設(shè)計要求</p><p>　　1)三臺主工作機架的主電動機參數(shù)要求均一樣，只設(shè)計一臺控制系統(tǒng)就行。</p><p>　　2)設(shè)計指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的速度超調(diào)量。</p><

10、p>　　1.1.4 直流電動機參數(shù)：</p><p>　　，，，，，，，允許電流過載倍數(shù)。</p><p>　　1.2 冷連軋機簡介及其工藝流程</p><p>　　1.2.1 冷連軋機的簡介</p><p>　　軋制方式主要有可逆式軋制方式和連續(xù)式軋制方式，小規(guī)模的冷軋廠，應(yīng)首先選擇可逆式軋制方式。如果可逆式軋制方式不能覆蓋設(shè)計產(chǎn)量

11、的話，那就應(yīng)該考慮選擇連續(xù)式軋制方式。特別是對于年生產(chǎn)規(guī)模大于80萬噸，產(chǎn)品品種和規(guī)格并不是很復(fù)雜時，則優(yōu)先考慮多機架的連軋方式。</p><p>　　連續(xù)式軋制的主體設(shè)備是連軋機，由多個機架組成，三個到六個機架不等，視帶鋼最終厚度、帶鋼總壓下量要求而定（在本次設(shè)計中機架數(shù)已規(guī)定為3個）。</p><p>　　冷連軋機一般選用4輥或6輥機型。對于那些難軋制的金屬，如果選用直徑較大的4輥軋機

12、，由于所需的軋制力大，軋制將變得十分困難，甚至不可能獲得最終厚度。減小工作輥直徑，也就是減小了軋輥與帶鋼的接觸弧長度，降低單位寬度軋制力，是解決這個問題的有效途徑，因此，帶鋼的材料特性決定了選用何種機型。一般說來，在普通4輥軋機或6輥軋機中，考慮到軋輥允許的擠壓應(yīng)力以及工作輥水平穩(wěn)定問題，4輥軋機支撐輥與工作輥直徑比在2.5~2.8范圍內(nèi)，6輥軋機支撐輥直徑與工作輥直徑比可大些，在3.3~3.7范圍。在本次設(shè)計中我們采用4輥軋機機型。&

13、lt;/p><p>　　連續(xù)式軋制最大的特點是產(chǎn)量高，年軋制量一般在80~250萬噸，甚至還可以更高。連續(xù)式軋制是一種高效率的生產(chǎn)方式，軋制速度比可逆式要高，目前最高軋制速度已達到2500m/min水平，可逆式軋制速度一般在1400m/min以下。成材率高是連續(xù)軋制的另一特點。由于連續(xù)軋制避免了一卷帶鋼反復(fù)開卷和卷取，大大地降低了帶鋼表面被擦傷劃傷的可能性。如果帶鋼最終表面要求有一定粗糙度時，在可逆式軋制時最后道次必

14、須更換上經(jīng)毛化的工作輥，而連續(xù)軋制就很容易實現(xiàn)，只要在最末機架使用毛化工作輥即可。</p><p>　　大多數(shù)的寬帶鋼冷連軋機的設(shè)計最薄可軋厚度都在0.25mm以上，但出于提高機組生產(chǎn)效率的考慮，實際上生產(chǎn)的厚度往往在0.3mm以上，因為帶鋼厚度越薄，可軋的寬度就越窄。在本設(shè)計中，來料厚度為2.5~6.0mm，成品厚度為1.0~2.5mm，根據(jù)上述的經(jīng)驗值，完全是可實現(xiàn)的。</p><p>

15、;　　1.2.2 工藝流程</p><p>　　鋼卷由吊車放至步進梁，步進梁傳送，將鋼卷送至鋼卷小車，由鋼卷小車將其運至開卷機，開卷后經(jīng)矯頭機矯直帶頭，送至雙切剪（用于切頭、切尾），經(jīng)過焊機將之與前一卷帶鋼的帶尾焊接，進入入口活套，然后經(jīng)過拉伸矯直（使表面的氧化皮易于剝落），進入酸洗槽，去除鋼材表面的氧化鐵皮，進入中間活套，進入中間活套，經(jīng)開槽機，圓盤剪進行切邊，然后進入出口活套及三機架冷軋機，經(jīng)飛剪，去卷取機。

16、在出口步進梁上進行稱重、打捆、入庫堆放。</p><p>　　綜上，可將上述的工藝流程簡要概括為以下所示：</p><p>　　板材加熱 酸洗 三機架冷連軋機 退火 平整機 成卷。</p><p>　　1.3 三機架冷連軋機生產(chǎn)工藝對電力拖動的要求及其控制原理</p><p>　　1.3.1 生產(chǎn)工藝對電

17、力拖動的要求</p><p>　　1)起動到給料速度 到規(guī)定速度 制動到給料速度 停止。</p><p>　　2)機架速度自動保持不變，機架間張力自動保持不變。</p><p>　　3)各機架可單獨起、制動和聯(lián)合起制動。</p><p>　　4)可以用任何軋制速度，知道電動機的極限值。</p><p&

18、gt;　　5)連軋機除正常停機外，還應(yīng)有快速停車。</p><p>　　6)在連軋過程中或在過渡過程中，卷取機和第三機架的條材的張力應(yīng)自動保持不變。</p><p>　　7)當(dāng)斷帶時，能自動限制卷取機的速度。</p><p>　　8)軋機因事故停止時，卷取機也應(yīng)停止。</p><p>　　1.3.2 三機架冷連軋機的控制</p>

19、<p>　　三機架軋機主要由以下幾個部分構(gòu)成：開卷箱、1-3#冷軋機和卷取機等主要機械設(shè)備。三機架的工作過程為：1-3#冷軋機的主驅(qū)動電機牽引帶鋼從輥縫中穿過，通過下壓電機或液壓系統(tǒng)對輥系產(chǎn)生壓力，從而使帶鋼產(chǎn)生形變，使出口的帶鋼變薄，左邊開卷機的放卷電機和右邊卷取機的收卷電機產(chǎn)生足夠的延伸應(yīng)力（張力）以繃緊鋼帶。系統(tǒng)啟動后，收放卷電機以設(shè)定的張力在主驅(qū)動電機的帶動下運動，為了不使鋼帶“松弛”或“拉斷”，必須確保系統(tǒng)每一點鋼

20、帶的線速度（秒流量）都相等，即張力恒定。</p><p>　　由上述可知，要對冷軋機進行控制，除了要對其各電機進行調(diào)速外，還要在冷軋帶鋼控制系統(tǒng)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝過程穩(wěn)定，無論是冷連軋機還是可逆軋機均需恒張力軋制。在可逆軋機張力控制系統(tǒng)中，開卷機、卷取機張力控制精度直接影響成品的板形及厚度公差。因此，生產(chǎn)線最突出的問題是軋制過程中要求開卷、卷取控制系統(tǒng)不僅在穩(wěn)速軋制過程中維持張力恒定，而且在加速度動態(tài)過程中

21、也要保持張力恒定，要求系統(tǒng)能準(zhǔn)確地補償加、減速等因素引起的動態(tài)力矩。按照不同的工藝要求，較典型的張力控制方法有間接張力控制和直接張力控制。本次設(shè)計中采用間接張力控制這種方法。</p><p>　　1.4 說明書的構(gòu)成</p><p>　　考慮到說明書的完整性和工程應(yīng)用價值，整個說明書分為七大部分，分別是:緒論，對三機架冷連軋機進行一個全面的概述；調(diào)速方案的選擇，對比多種直流電機的調(diào)速系統(tǒng)

22、，以選擇最佳方案；系統(tǒng)是對原理的設(shè)計；參數(shù)的整定，主要是電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計；恒張力控制；系統(tǒng)的調(diào)試，針對邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)進行完整的調(diào)試；結(jié)束語，總結(jié)設(shè)計的收獲。</p><p>　　說明書所寫內(nèi)容都是理論與實際緊密結(jié)合的，并通過了實驗的論證，寫說明書的目的在于通過報告的內(nèi)容便可設(shè)計出實際的直流可逆的調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　第二章 調(diào)速方案的選擇</p><p

23、>　　冷連軋機是冶金行業(yè)控制系統(tǒng)中最復(fù)雜、自動化程度最高、精度要求最嚴(yán) 的裝備之一。而直流傳動系統(tǒng)是高水平現(xiàn)代化連軋機的核心，是保證連軋機可靠運行、高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵，因此，對直流調(diào)速系統(tǒng)的選擇顯得尤為重要。</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　直流電動機轉(zhuǎn)速和其它參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為：</p><

24、p>　　式中：n——轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p>　　U——電樞電壓（V）；</p><p>　　I——電樞電流（A）；</p><p>　　R——電樞回路總電阻（Ω）；</p><p>　　Φ——勵磁磁通（Wb）；</p><p>　　Ke——由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；</p><

25、p>　　在上式中，Ke是常數(shù)，電流I是由負載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：</p><p>　　1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；</p><p>　　2)減弱勵磁磁通Φ；</p><p>　　3)改變電樞回路電阻R。</p><p>　　對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實現(xiàn)有

26、級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上小范圍的弱磁升速。</p><p>　　因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。</p><p>　　2.2 可控直流電源選擇</p><p>　　調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有：</p><p>　　1)

27、旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機，還需要一臺勵磁發(fā)電機，因此設(shè)備多、體積大、費用高、效率低。</p><p>　　2)靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。如晶閘管—電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V—M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward—Leonard系統(tǒng)），克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點還大大縮短了響應(yīng)時間。但

28、由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕诳赡嫦到y(tǒng)中須采用兩組晶閘管，且晶閘管整流造成的諧波和無功功率造成“電力公害”。</p><p>　　3)直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。</p><p><b>　　方案選擇：</b></p><p>　　由第一章分析可看出，系

29、統(tǒng)的功率較大，對于較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管—電動機系統(tǒng)，因而以下中采用V—M系統(tǒng)進行設(shè)計。</p><p>　　2.3 直流電機調(diào)速方法</p><p>　　從調(diào)速方案來說，主要分開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)三大類。以下進行這三大類調(diào)速控制方案比較。</p><p>　　2.3.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p&

30、gt;<p>　　圖2.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　如圖2.1所示是開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)給定電壓從而調(diào)節(jié)出發(fā)脈沖的相位，即可改變平均直流整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。它的穩(wěn)態(tài)機構(gòu)框圖如圖2.2所示，系統(tǒng)的機械特性：</p><p>　　圖2.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的

31、靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負載大小常有波動，但是為了保證工件的加工精度和加工后的表面潔凈度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大。</p><p>　　對于連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機架出口線速度

32、保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等才不至于造成鋼材拱起或拉斷。在這種情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。</p><p>　　2.3.2 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速

33、。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)會大大減少閉環(huán)轉(zhuǎn)速降落。其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如2.4所示：</p&

34、gt;<p>　　圖2.4 轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性方程式為：</p><p><b>　　，其中</b></p><p>　　相比于開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　1)閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)硬得多；&

35、lt;/p><p>　　2)閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多；</p><p>　　3)如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍；</p><p>　　4)若采用PI調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差。</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它大的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。

36、</p><p>　　直流電動機啟動時，如果沒有限制措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，另外電動機在發(fā)生堵轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生很大的堵轉(zhuǎn)電流。為了解決反饋閉環(huán)系統(tǒng)啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須增設(shè)自動限制電樞電流環(huán)節(jié)，因此引入電流截止負反饋。</p><p>　　圖2.5 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系

37、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-5所示。它的靜特性分為兩段，當(dāng)時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)不起作用，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)的相同。當(dāng)后，引入了電流截止負反饋，靜特性變?yōu)椋弘娏髫摲答伒淖饔孟喈?dāng)于在主電路中串入一個電阻，因而穩(wěn)態(tài)速降極大。當(dāng)時，電機堵轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.3.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速

38、降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求，這主要是因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。雖然引入電流截止負反饋，但它只能在超過臨界值，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能獲得理想地控制電流的動態(tài)波形。其啟動電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2.6（a）所示。理想的快速啟動啟動過程電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2.6（b）所示。有此可見，系統(tǒng)中必須要同時控制電流和轉(zhuǎn)速，且在啟動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速負反饋。

39、</p><p>　?。╝）帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程 （b）理想地快速啟動過程</p><p>　　圖2-6 直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者采用串級控制，其原理圖如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-

40、7 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR——電流調(diào)節(jié)器 TG——測速發(fā)電機</p><p>　　TA——電流互感器 UPE——電力電子變換器</p><p>　　為了獲得良好的動靜態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。

41、從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，成為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，成為外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)原理圖可畫出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如2-8所示。</p><p>　　圖2-8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ——電流反饋系數(shù)</p><p>　　ASR和ACR均

42、采用PI調(diào)節(jié)器，一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值，不飽和——輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。</p><p><b>　　靜特性：</b></p><p>　　其靜特性如見2-9。</p><p>　

43、　在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段。②轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和：這時ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

44、的靜特性</p><p>　?、?、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用；</p><p>　?、颉?dāng)負載電流達到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流保護。</p><p>　　這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。</p><p>　　圖2-

45、10 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　動態(tài)特性： </b></p><p>　?、瘛㈦p閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：</p><p>　　（1）飽和非線性控制：根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：</p><p>　?、佼?dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)

46、為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；②當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 △Un 為負值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。</p><p>　　準(zhǔn)時間最優(yōu)控制

47、：起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。</p><p><b>　?、颉討B(tài)抗擾性能</b></p><p>　　對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能，主要是負載擾動

48、和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。</p><p>　　對于負載擾動，由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。</p><p>　　對于電網(wǎng)電壓擾動，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。</p&g

49、t;<p><b>　　方案選擇：</b></p><p>　　綜合以上靜態(tài)性能、動態(tài)起動過程和動態(tài)抗擾性能分析，結(jié)合設(shè)計目標(biāo)中對轉(zhuǎn)速和電流及起動過程的要求，要實現(xiàn)高性能，須采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 </p><p>　　2.4 可逆運行控制方式選擇</p><p>　　由于晶閘管為不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只

50、能保證良好的起動性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動，在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。結(jié)合連軋機應(yīng)能快速停車的設(shè)計要求，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　V—M系統(tǒng)，需要可逆運行時，經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路</p

51、><p>　?、?、有環(huán)流控制的可逆V—M系統(tǒng)</p><p>　　采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V—M系統(tǒng)解決了電機的正、反轉(zhuǎn)運行問題，但是如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。因此采用控制消除直流平均環(huán)流，串入電抗器來抑制瞬時脈動環(huán)流。</p><p>　?、?、無環(huán)流控制的可逆V—M系統(tǒng)</p><p&

52、gt;　　有邏輯無環(huán)流系統(tǒng)和錯位無環(huán)流系統(tǒng)，既無直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流。當(dāng)一組晶閘管工作時，用邏輯電路去封鎖另一組晶閘管的出發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。</p><p><b>　　方案選擇：</b></p><p>　　有環(huán)流控制系統(tǒng)優(yōu)點：正向制動和反轉(zhuǎn)啟動的過程完全銜接，沒有間斷

53、或死區(qū)，適用于要求快速正、反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。缺點：需要添置環(huán)流電抗器（4個），且晶閘管燈器件都要負擔(dān)負載電流加上環(huán)流。無環(huán)流系統(tǒng)優(yōu)點：無環(huán)流（包括直流平均環(huán)流和瞬時脈動環(huán)流），適用于大容量系統(tǒng)。缺點：存在死區(qū)，當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求高時不適用。</p><p>　　綜合設(shè)計要求，采用邏輯無環(huán)流方式。</p><p>　　2.5 系統(tǒng)實現(xiàn)方式選擇</p><

54、p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)方式可分為三種：模擬式、數(shù)字式、模數(shù)混合式。</p><p>　　2.5.1 模擬式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　圖2-12 模擬式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路圖</p><p>　　特點：所有的調(diào)節(jié)器均用運算放大器實現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用器件上，因而線路復(fù)雜、通用

55、性差、控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。</p><p>　　2.5.2 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便?？傊?，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性

56、高，可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。</p><p>　　圖2-13 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能 ，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：</p><p>　?、?、雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；②、全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；③、采用數(shù)字PI算

57、法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。</p><p>　　2.5.3 模數(shù)混合控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2-14 模數(shù)混合控制系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：</p><p>　?、?、轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；②、電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；③、脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。</p><p&g

58、t;<b>　　方案選擇：</b></p><p>　　采用模擬式實現(xiàn)方式物理概念清晰，因而在此次設(shè)計中選用此方式。</p><p>　　第三章 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體概述</p><p>　　根據(jù)三機架冷連軋機直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的要求，采用如下設(shè)計方案。系統(tǒng)原理圖如圖3.1.1所示

59、。采用晶閘管—電動機調(diào)速系統(tǒng)，即V-M系統(tǒng)</p><p>　　本設(shè)計中采用V-M系統(tǒng)，V是晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相或多相的，半波、全波，及半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。即采用調(diào)壓調(diào)速的方式，以實現(xiàn)無極基速以下調(diào)速。</p><p>　　晶閘管—電動機調(diào)速系統(tǒng)是在控制作用時間毫秒級的，完全滿足系統(tǒng)

60、動態(tài)性能要求；而且其技術(shù)較成熟，成套設(shè)備多，成本較低，設(shè)計使用相對容易。詳細設(shè)計如下。</p><p>　　3.2 主電路設(shè)計</p><p>　　主電路的穩(wěn)定安全運行直接影響整個系統(tǒng)的性能，為了保證連軋機的快速停車功能，，必須將整個系統(tǒng)設(shè)計成可逆的調(diào)速系統(tǒng)，常常采用兩組反并聯(lián)的晶閘管裝置，由正組提供電動運行所需的整流供電，反組只提供逆變制動。這時，兩組晶閘管裝置的容量大小可以不同，反

61、組只在短時間給電動機提供制動電流，并不提供穩(wěn)態(tài)運行的電流，實際采用的容量可以小一些。其實現(xiàn)方式如圖3.2.1所示。</p><p>　　圖3.2.1 主電路框圖</p><p>　　對于系統(tǒng)的供電，可將無窮大電網(wǎng)電壓經(jīng)三相變壓器變?yōu)?20V，再通過一系列熔斷器等保護措施，輸入給橋式整流電路，進而給直流電機和其他裝置供電。</p><p>　　變壓器繞組采用?/Y接

62、發(fā)，具體方法見主電路變壓器的參數(shù)計算。</p><p>　　主電路的保護措施尤為重要，設(shè)計多重保護電路成為必要。電路如圖3.2.2所示。</p><p>　　圖3.2.2 系統(tǒng)供電框圖</p><p>　　在起動開關(guān)電路里面設(shè)置自鎖回路和快速熔斷器，在控制電路中發(fā)現(xiàn)電流過大，這可使主電路常閉開關(guān)KM跳開而保護整個系統(tǒng)，當(dāng)KM跳開失敗后，由于電流過大，一段時間后快速

63、熔斷器受熱而熔斷使得電路跳開，從而避免燒壞電機等設(shè)備。上面框圖中起動開關(guān)KM部分電路圖如圖3.2.3所示。</p><p>　　圖3.2.3 起動開關(guān)電路圖</p><p><b>　　整流變壓器的選擇</b></p><p><b>　　閥側(cè)相電壓</b></p><p>　　變流變壓器是直流調(diào)

64、速系統(tǒng)中一種關(guān)鍵設(shè)備，其閥側(cè)相電壓選擇的是否適合又是一個影響系統(tǒng)性能的重要因素。電壓選的過高，將會使變壓器的容量不必要的加大而造成浪費，還會增加運行中的無功功率，增加電網(wǎng)負擔(dān)。但若電壓選的過低，將影響系統(tǒng)的工作性能或使電動機的最高轉(zhuǎn)速達不到設(shè)計的要求。通常在計算時主要考慮以下三個因素：</p><p>　　電網(wǎng)電壓的波動。一般要按規(guī)定允許的最低電網(wǎng)電壓來考慮；</p><p>　　電流變化

65、時產(chǎn)生的壓降。一般，要按最大工作電流來考慮；</p><p>　　為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角β太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象，必須合理選擇最小逆變角，形成最小逆變角保護；與此同時，對α角也實施保護，以免出現(xiàn)α<β而產(chǎn)生直流平均環(huán)流（在后面的邏輯無環(huán)流將詳細介紹）。通常取==30°，其值視晶閘管器件的阻斷時間而定。</p><p>　　當(dāng)采用三相橋式整

66、流電路并將系統(tǒng)設(shè)計為可逆調(diào)速系統(tǒng)時，一般可按下述公式來估算：</p><p>　　不可逆調(diào)速系統(tǒng)： （3-1）</p><p>　　可逆調(diào)速系統(tǒng)： （3-2）</p><p>　　式中，為電動機額定電壓</p><p><b>　　則</b>

67、;</p><p><b>　　取=480V</b></p><p><b>　　閥側(cè)相電流</b></p><p>　　交流變壓器閥側(cè)相電流可按下式計算</p><p>　　其中=0.816（三相橋式）</p><p>　　則=0.816×780=636.48A&

68、lt;/p><p>　　由于是三相橋式整流，電路中二次側(cè)沒有直流分量，所以一次側(cè)與二次側(cè)的功率可認為相同，不需要對變壓器的容量進行擴大，變壓器的利用率在此種情況下比較的高。</p><p><b>　　變壓器容量：</b></p><p>　　取S=1000KV·A</p><p>　　整流電路晶閘管的選擇<

69、/p><p>　　1、重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓</p><p>　　斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓，國際規(guī)定重復(fù)頻率為50Hz，每次持續(xù)時間不超過10ms。</p><p>　　反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。</p><p>　　通態(tài)峰值電壓是

70、晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。</p><p>　　通常取晶閘管的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓，選用時，額定電壓要有一定裕量。一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。</p><p>　　由于采用三相橋式整流電路，所以晶閘管承受的最大反向電壓：</p><p>　　晶閘管承受的最大正

71、向電壓：</p><p>　　則考慮安全裕量，電壓定額為：（2~3）=1357.6~2036.4V</p><p>　　取晶閘管的電壓為2000V。</p><p>　　2、額定通態(tài)平均電流</p><p>　　國際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40攝氏度和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均

72、值。這個參數(shù)是按照正向電流造成的器件本身的通態(tài) 的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此在使用時同樣應(yīng)按照實際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的此項電流定額，并留有一定的裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結(jié)果的1.5~2倍。</p><p>　　對于三相橋式整流電路，流過晶閘管的電流有效值為：</p><p>　　當(dāng)整流電路的電感足夠大，整流電流連續(xù)時

73、，對三相橋式整流電路，晶閘管額定電路為：</p><p>　　再考慮安全裕量，其定額為：</p><p><b>　　取550A。</b></p><p><b>　　整流晶閘管的保護</b></p><p><b>　　過電壓保護</b></p><p&g

74、t;　　過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要分為操作過電壓和雷擊過電壓；對于晶閘管的而言，內(nèi)因過電壓主要指換相過電壓。</p><p>　　抑制過電壓的措施主要有1、在電網(wǎng)側(cè)安裝避雷器；2、變壓器上增加靜電屏蔽層；3、裝設(shè)抑制閥側(cè)浪涌過電壓的RC電路；4、裝設(shè)壓敏電阻過電壓抑制器；5、裝設(shè)閥器件換相過電壓抑制用的RC電路；6、裝設(shè)閥器件關(guān)斷過電壓抑制用的RCD電路等。</p><

75、;p>　　RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱為閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。對大容量的電力電子裝置，可采用反向阻斷式RC電路。</p><p><b>　　二、過電流保護</b></p><p>　　過電流分為過載和短路兩種情況，采用快速熔斷器和過電流繼電器是較常用的措施?？焖偃蹟嗥鲀H作為短路時的部分區(qū)段的保護，

76、直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。</p><p>　　采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮“</p><p>　　電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定；</p><p>　　電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連結(jié)形式確定。</p><p&

77、gt;　　快熔的值應(yīng)小于被保護器件的允許值。</p><p>　　為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。</p><p>　　快熔對器件的保護方式可分為全保護和短路保護兩種。全保護是指不論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場合。短路保護方式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用，此方式需與其他過電流保護措施相配合。</p&

78、gt;<p>　　根據(jù)上述的規(guī)則，計算橋臂快熔的額定電流為：</p><p><b>　　同時 </b></p><p>　　所以選擇的橋臂快熔的型號為：RT0-600（熔體的額定電流是500A）.</p><p><b>　　緩沖電路</b></p><p>　　緩沖電路又稱為吸

79、收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、或者過電流和，減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和，減小器件的開通損耗?？蓪㈥P(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起，稱其為復(fù)合緩沖電路。還可以用另外的分類方法：緩沖電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則稱其為耗能式緩沖

80、電路；如果緩沖電路將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路，或成為無損吸收電路。</p><p><b>　　電流互感器的選擇</b></p><p>　　由于交流變壓器電流為636.48A，所選LQJ-10-0.5型，額定電流選擇800A，做計量保護用。</p><p>　　電流互感器的選擇平波電抗器的選擇</p>

81、;<p>　　由于本次設(shè)計中采用的是三相橋式電路</p><p>　　所以要求電流連續(xù)時電感最小為：</p><p>　　其中為電動機額定電流的5%~10%</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　取。</b></p><p>　　

82、平波電抗器電阻為=。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)其他功能單元分析</p><p>　　3.3.1 整流變壓器的選擇給定單元GJ</p><p>　　GJ給定單元由模擬電路組成，包含三級放大器，第一級為高倍放大器，第二級為積分器，經(jīng)過RC積分輸出電壓變?yōu)樾逼滦盘?，且為負相，與給定方向相反。積分變化率通過調(diào)節(jié)電位器RP來改變，積分快慢通過調(diào)節(jié)RC來控制，最

83、后一級為反相器。</p><p>　　3.3.2 無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC</p><p>　　無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是：當(dāng)需要切換到正組晶閘管VF工作時，封鎖反組觸發(fā)脈沖而開放正組脈沖；當(dāng)需要切換到反組VR工作時，封鎖正組而開放反組。</p><p><b>　　輸入信號的選擇</b></p>

84、<p><b>　?、俎D(zhuǎn)矩鑒別信號</b></p><p>　　選擇ASR的輸出信號作為轉(zhuǎn)矩鑒別信號，反轉(zhuǎn)運行和正傳制動都需要電機產(chǎn)生負的轉(zhuǎn)矩；反之，正轉(zhuǎn)運行和反轉(zhuǎn)制動都需要電機產(chǎn)生的正的轉(zhuǎn)矩，的極性恰好反映了電機電磁轉(zhuǎn)矩方向的變化。</p><p><b>　?、诹汶娏鳈z測信號</b></p><p>　　極

85、性的變化知識邏輯切換的必要條件，還不是充分的條件。從有環(huán)流可逆系統(tǒng)制動過程的分析中可以看出這個問題，例如當(dāng)正向制動開始時，的極性由負變正，但當(dāng)實際電流方向未變以前，仍須保持正組開放，以便進行本組逆變，只有在實際電流降到零的時候，才應(yīng)該給DLC發(fā)出命令，封鎖正組，開放反組，轉(zhuǎn)入反組制動。因此，在改變極性以后，還需要等到電流正真到零時，再發(fā)出“零電流檢測”信號，才能發(fā)出正、反組切換的指令，這就是邏輯控制環(huán)節(jié)的第二個輸入信號。</p&g

86、t;<p><b>　　輸出信號</b></p><p>　　無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)DLC的輸出信號用來控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放，用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。在任何情況下，兩個信號必須是相反的，均不允許兩組晶閘管同時開放脈沖，以確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。</p><p>　　3.3.3 零電流檢測單元DPT和轉(zhuǎn)矩極性單元DPZ</p&

87、gt;<p>　　轉(zhuǎn)矩極性檢測單元的零電流檢測單元在結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)電路方面完全相同，都是一個滯回比較器，但由于其功能不同：零轉(zhuǎn)矩檢測單元是檢測轉(zhuǎn)矩正負極性，零電流檢測單元檢測電流是否為零，所以具體的參數(shù)不同，特性曲線也就不同。</p><p><b>　　零速封鎖單元DZS</b></p><p>　　當(dāng)給定信號為零時，電動機應(yīng)不動，然而，由于各調(diào)節(jié)器存在零

88、點漂移將導(dǎo)致電動機爬行。為確保零位時電動機不會爬行，一定要將調(diào)節(jié)器嚴(yán)格鎖零，即通過控制場效應(yīng)管使調(diào)節(jié)器的輸出和輸入之間短接。</p><p><b>　　反號器AR</b></p><p>　　由于電流反饋信號的極性總是為“+”，而且，本系統(tǒng)只采用了一個電流調(diào)節(jié)器，為保證電流環(huán)為電流負反饋環(huán)，實現(xiàn)負反饋控制，必須采用一個反號器AR。為此，由無環(huán)流邏輯控制單元DLC的兩

89、個相反端的和信號分別控制電流的給定信號，以使電流反饋永遠是負反饋。</p><p>　　電流變化及電流反饋BC</p><p>　　由三個同型號（5A/0.3A）的交流電流互感器LH接成星形接法，經(jīng)三相橋式整流后變成極性不可變的直流電壓，并分路送出：</p><p>　　過流推β信號和過流跳閘控制信號；</p><p>　　2、DPZ的零電流

90、輸入信號；</p><p>　　3、電流反饋信號（或）；</p><p>　　其中電磁開關(guān)J1為主回路的一級保護開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)過電流時，常閉開關(guān)J1得電而跳開主回路，起到保護整個電路的作用。</p><p>　　晶閘管觸發(fā)單元CT和脈沖放大電路MT三相移相觸發(fā)器</p><p>　　本次設(shè)計中采用了TC787A型芯片，它是目前國內(nèi)市場上廣泛流行

91、的TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與TCA785及KJ（或KC）系列集成電路相比，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點，而且安裝調(diào)試簡便、使用可靠，只需一個這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042）（或KC）系列器件組合才能具有的三相移相功能，然后經(jīng)脈沖放大和脈沖門MT，去觸發(fā)三相全控

92、橋晶閘管。</p><p>　　三相移相觸發(fā)器有兩路輸入信號，一路是三相交流電源，以保主電路的交流電壓和觸發(fā)脈沖保持同步，去正確觸發(fā)各相晶閘管。另一路是脈沖移動的控制信號，用它來控制觸發(fā)器脈沖發(fā)出的時刻，從而達到控制晶閘管觸發(fā)角的目的。</p><p>　　為了從根本上消除系統(tǒng)的靜態(tài)環(huán)流和動態(tài)環(huán)流，則必須在任何時刻只允許開放一組晶閘管脈沖，另一組晶閘管脈沖被嚴(yán)格封鎖，為達到此目的，電路上設(shè)

93、計了兩個模擬電子開關(guān)脈沖門MT1、MT2。邏輯控制器根據(jù)系統(tǒng)的工作情況正確發(fā)出指令（或）來接通一脈沖門而同時切斷另一脈沖門。</p><p>　　第四章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的常規(guī)工程設(shè)計</p><p>　　通過第二章的分析可知，直流電機的調(diào)速系統(tǒng)選擇為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)組成，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，結(jié)構(gòu)框圖如下：</p><p><b&g

94、t;　　4.1 設(shè)計準(zhǔn)備</b></p><p>　　1. 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　圖4-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示，它與前述的圖2-7不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中：</p><p>　?、?

95、 — 電流反饋濾波時間常數(shù)</p><p>　?、?— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)</p><p>　　在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用可歸結(jié)如下幾點：</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小

96、轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；</p><p>　　對負載變化起抗擾作用；</p><p>　　其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器的作用：</b></p><p>　　(1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器

97、的輸出量）變化。</p><p>　　(2)對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。</p><p>　　(3)在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。</p><p>　　(4)當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。</p>&

98、lt;p>　　2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計方法</p><p>　　在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電動機、晶閘管整流裝置、觸發(fā)裝置都可按負載的工藝要求來選擇和設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)機械和工藝的要求提出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)，而系統(tǒng)的固有部分往往不能滿足性能指標(biāo)的要求，所以需要設(shè)計合適的校正環(huán)節(jié)來達到。</p><p>　　校正方法有許多種類，而且對一個系統(tǒng)來說，能夠滿足性能指標(biāo)的校正方案也不是唯一

99、的。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，常用的校正方法有串聯(lián)校正和并聯(lián)校正兩種。其中串聯(lián)校正簡便，且可利用系統(tǒng)固有部分中的運算放大器構(gòu)成有源校正網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計問題提出的必要性和可能性：</p><p>　　必要性：用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學(xué)者則

100、不易掌握，于是有必要建立實用的設(shè)計方法。</p><p>　　可能性：大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計方法的可能性。</p><p>　　有了必要性和可能性，各種工程設(shè)計方法便相繼推出。其中有德國西門子公司提出的“調(diào)節(jié)器最佳整定”

101、法，包括“模最佳”和“對稱最佳”兩種參數(shù)設(shè)計方法，傳入我國后，習(xí)慣上分別稱作“二階最佳”和“三階最佳”設(shè)計。這種方法已在國際上普遍應(yīng)用，其公式簡明好記，但也存在一些問題，如：只有所謂的“最佳”參數(shù)計算公式，調(diào)試系統(tǒng)時，如果系統(tǒng)性能不夠滿意，不能明確調(diào)整參數(shù)的方向；特別是沒有考慮到調(diào)節(jié)器飽和這一關(guān)鍵問題，使計算結(jié)果存在不小的誤差。在運控課程學(xué)習(xí)中，我們學(xué)習(xí)了一種新的、有效的調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法，此方法吸取了隨動系統(tǒng)設(shè)計用的“振蕩指標(biāo)法”和我

102、國學(xué)者提出的“模型系統(tǒng)法”的長處。</p><p>　　建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：</p><p>　　(1)概念清楚、易懂；</p><p>　　(2)計算公式簡明、好記；</p><p>　　(3)不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；</p><p>　　(4)能考慮飽和非線性控制的情況，同

103、樣給出簡單的計算公式；</p><p>　　(5)適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.系統(tǒng)設(shè)計步驟 </b></p><p>　　工程設(shè)計方法的基本思路如下：</p><p>　　第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)典型化，確保系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。</p>

104、<p>　　第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”。 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　設(shè)計分為以下幾個步驟：</p><p><b>　　(1)</b>

105、</p><p>　　從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-23c可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。</p><p>　　從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 </p><p>&

106、lt;b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇</b></p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見圖 2-26b），現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 </p><p>　　第五章 恒張力

107、控制系統(tǒng)</p><p>　　在冷軋帶鋼控制系統(tǒng)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝過程穩(wěn)定，無論是冷連軋機還是可逆冷軋機均需恒張力軋制。在可逆軋鋼機張力控制系統(tǒng)中，開卷機、卷取機張力控制精度直接影響成品的板形及厚度公差。因此，生產(chǎn)線最突出的問題是軋制過程中要求開卷，卷取控制系統(tǒng)不僅在穩(wěn)速軋制過程中維持張力恒定，而且在加減速動態(tài)過程中也要保持張力恒定，要求系統(tǒng)能準(zhǔn)確地補償加、減速等因素引起的動態(tài)力矩。按照不同的工藝要求，較典

108、型的張力控制方法有間接張力控制和直接張力控制，1050mm高速六輥可逆冷軋機開卷機控制系統(tǒng)采取的是間接張力控制方法。</p><p>　　以往張力控制大多采用模擬系統(tǒng)，難以實現(xiàn)精確控制，且實現(xiàn)方法較為麻煩，隨著數(shù)字電路及微處理器技術(shù)的發(fā)展，直流傳動的控制技術(shù)正逐步由模擬向全數(shù)字控制方式過渡。目前廣泛應(yīng)用的方法是以16位微處理器全數(shù)字直流傳動系統(tǒng)配以專用的張力控制軟件，構(gòu)成不同的張力控制系統(tǒng)，來完成復(fù)雜的控制運算并

109、實現(xiàn)快速動態(tài)補償。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的張力控制系統(tǒng)是模擬器件組成。原理圖如下：</p><p>　　圖5-1 張力控制原理圖</p><p>　　角速度給定，通過計算線速度/卷徑（實際測量或計算）得出；開卷、卷取中應(yīng)用，張力給定（To）隨卷徑變化進行修正，可按線性也可按非線性進行修正，該功能封鎖時，張力給定直接進入比較端；卷徑計算為卷徑值通過計算線速

110、度與角速度的比值獲得或由外部卷徑檢測器提供；慣量補償，與速度變化、卷徑機械加速度時間、材料密度和鋼帶寬度相關(guān)；機械損失補償，由一個常數(shù)項和一個速度有關(guān)項組成。</p><p>　　5.1 開卷機恒張力控制實現(xiàn)</p><p>　　開卷張力產(chǎn)生的張力矩與電機電磁力矩應(yīng)相等，則張力的機電參數(shù)表達式：</p><p><b>　　(5-1)</b>&

111、lt;/p><p>　　式中：為常數(shù)；為開卷電動機磁通量；為開卷電動機電樞電流；為帶卷瞬時卷徑。由式(5-1)得：</p><p><b>　　(5-2)</b></p><p>　　結(jié)論1：在基速以下，開卷機電機磁通保持恒定，即全磁狀態(tài)，電樞電流與卷徑成正比，可實現(xiàn)恒張力控制。</p><p><b>　　由式(

112、5-2)得：</b></p><p><b>　　(5-3)</b></p><p>　　結(jié)論2：在基速以上，若保持反電勢恒定，控制電樞電流與帶鋼線速度成正比，可實現(xiàn)恒張力控制。</p><p>　　5.2 張力的動態(tài)補償</p><p>　　在間接張力控制中，為保證張力控制的準(zhǔn)確性，要充分考慮開卷機在加、

113、減速過程中轉(zhuǎn)動慣量以及本身固有的摩擦力對轉(zhuǎn)矩的影響。因此，在系統(tǒng)中設(shè)計了加減速和摩擦轉(zhuǎn)矩補償環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩補償量即為轉(zhuǎn)矩預(yù)控值與轉(zhuǎn)矩設(shè)定值疊加，作為開卷機系統(tǒng)的合力矩，對開卷機進行張力控制。由于摩擦轉(zhuǎn)矩可視為常量，這里只討論動態(tài)慣量補償，由電機拖動原理可得：</p><p><b>　　(5-4)</b></p><p>　　式中：為動態(tài)補償力矩；為帶鋼速度；為系統(tǒng)折算到