運(yùn)控畢業(yè)設(shè)計(jì)-四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、前言隨著軋制技術(shù)和機(jī)械制造水平的提高，高精度的冷軋薄板軋機(jī)獲得長(zhǎng)足發(fā)展。而作為軋機(jī)的控制系統(tǒng)越來(lái)越得到重視。直流調(diào)節(jié)控制技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軋制領(lǐng)域?？赡胬滠垯C(jī)要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。為了深入地分析控制原理在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文對(duì)可逆冷軋機(jī)的主傳動(dòng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。 首先，介紹了四輥可逆冷軋機(jī)的機(jī)械配置和直流調(diào)速原理，詳細(xì)論證了該系統(tǒng)的應(yīng)該采用的調(diào)速電路。應(yīng)用控制理論，對(duì)該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制方案及其控

2、制過(guò)程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究?；谥绷髡{(diào)速技術(shù)，完成了四輥可逆冷軋機(jī)的主軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。其次，對(duì)組成該系統(tǒng)的各單元進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。并對(duì)主電路的主要設(shè)備進(jìn)行了選擇，計(jì)算了參數(shù)如整流變壓器的容量S，電抗器的電感量L等，并說(shuō)明保護(hù)元件的作用。然后，設(shè)計(jì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，確定ASR和ACR的結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其參數(shù)。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，論述該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性?？傊?，本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。目錄前言I第一章 緒論11.1課程設(shè)計(jì)的背景及意義11.1.1設(shè)計(jì)的背景11.1.2設(shè)計(jì)的意義21.2國(guó)內(nèi)

3、外研究的歷史及現(xiàn)狀21.2.1國(guó)內(nèi)外冷軋板帶狀況21.2.2國(guó)內(nèi)外冷帶鋼軋機(jī)發(fā)展?fàn)顩r41.3課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求51.3.1設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)要求51.3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容6第二章 四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)分析72.1 直流調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)72.2 四輥冷軋機(jī)控制要求72.3 四輥冷軋機(jī)張力控制基礎(chǔ)上的調(diào)速82.3.1 從工藝角度82.3.2 恒張力調(diào)速控制92.4 主軋機(jī)92.4.1 主扎機(jī)的工作狀態(tài)92.4.2 主軋機(jī)調(diào)速控制原理102.5 主軋機(jī)雙閉環(huán)直流調(diào)速控制11第三章 主電路和控制電路方案論證123.1 系統(tǒng)工作原理123.1.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)133.1.2 調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)基本矛盾

4、133.2 調(diào)速系統(tǒng)組成153.3主電路方案論證153.3.1勵(lì)磁反接可逆電路153.3.2電樞反接可逆電路163.4 控制電路方案論證183.4.1帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)183.4.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)193.4.3 a = b 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)203.4.4 無(wú)環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)213.4.5檢測(cè)電路和反饋電路23第四章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的各功能模塊設(shè)計(jì)244.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述244.1.1 主電路及化簡(jiǎn)244.1.2額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)描述254.2速度調(diào)節(jié)器274.3電流調(diào)節(jié)器284.4鋸齒波同步移相觸發(fā)電路294.5電流反饋與過(guò)流保

5、護(hù)304.6轉(zhuǎn)速變換314.7零速封鎖器324.8轉(zhuǎn)矩極性鑒別(DPT)334.9零電平檢測(cè)(DPZ)344.10邏輯控制(DLC)35第五章 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算365.1 主電路的主要設(shè)備及參數(shù)計(jì)算375.1.1晶閘管的參數(shù)計(jì)算和選擇375.1.2平波電抗器的選擇385.1.3 整流變壓器的選擇385.1.4 主電路的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)395.1.5電流互感器的選擇405.2 控制電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算405.2.1 ACR的設(shè)計(jì)425.2.2 ASR的設(shè)計(jì)445.2.3 DLC的設(shè)計(jì)46第六章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試、校正及其結(jié)果驗(yàn)證486.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?86.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容486.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備486.4

6、 實(shí)驗(yàn)步驟486.4.1 雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試原則：486.4.2 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)調(diào)試496.4.3 系統(tǒng)各單元的調(diào)試和參數(shù)整定496.4.4 電流環(huán)閉環(huán)調(diào)試（電動(dòng)機(jī)不加勵(lì)磁）506.4.5 速度環(huán)閉環(huán)調(diào)試（電動(dòng)機(jī)加額定勵(lì)磁）506.5 觸發(fā)器的整定506.6 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行及特性測(cè)試516.7 系統(tǒng)單元調(diào)試536.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)論55第八章 結(jié)論57參考文獻(xiàn)58第一章 緒論1.1課程設(shè)計(jì)的背景及意義1.1.1設(shè)計(jì)的背景冷軋的薄板、帶鋼具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、良好的機(jī)械和工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于宇航技術(shù)、武器、航空、電子、汽車(chē)、化工、家用電器、造船、建筑、石油以及民用五金等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。由

7、于冷軋薄板具有較高的利潤(rùn)值，近年來(lái)越來(lái)越多的鋼鐵企業(yè)進(jìn)入冷軋行業(yè)，首鋼、邯鋼、唐鋼、馬鋼、昆鋼等鋼鐵集團(tuán)紛紛上馬冷軋項(xiàng)目，并且寶鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼等傳統(tǒng)的冷軋產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)也通過(guò)擴(kuò)建、技術(shù)改造的方式不斷擴(kuò)大生產(chǎn)能力。隨著中國(guó)加入WTO，國(guó)外的冷軋產(chǎn)品也將大量地進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。本鋼冷軋廠(chǎng)至2000年年產(chǎn)量已達(dá)78萬(wàn)噸，其中鍍鋅產(chǎn)品26萬(wàn)噸，創(chuàng)利潤(rùn)達(dá)1億多元。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)薄板質(zhì)量要求越來(lái)越高，產(chǎn)量要求越來(lái)越大，對(duì)冷軋板帶生產(chǎn)也提出了更高的要求，進(jìn)一步促進(jìn)了冷軋生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。主要特點(diǎn)表現(xiàn)在卷重加大、軋速提高、機(jī)架數(shù)增加、快速換輥、液壓裝置、自動(dòng)控制等幾個(gè)方面。在此形勢(shì)下，發(fā)達(dá)國(guó)

8、家傳統(tǒng)工作所面臨的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，利潤(rùn)越來(lái)越低，國(guó)外現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的最直接目的是降低成本，能夠降低成本的技術(shù)就有生命力。因此，當(dāng)前軋鋼過(guò)程的主要?jiǎng)酉蚴情_(kāi)發(fā)以節(jié)約能源、節(jié)省勞動(dòng)力、提高產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)的自動(dòng)化技術(shù)。通過(guò)廣泛使用計(jì)算機(jī)，安裝高精度，高響應(yīng)的傳感器與控制器，不斷改進(jìn)軋機(jī)及其傳動(dòng)電機(jī)的性能，加上控制理論與軋制理論的進(jìn)步及其數(shù)學(xué)模型的具體完善和實(shí)施，提高自動(dòng)控制技術(shù)，品質(zhì)管理技術(shù)，工程管理技術(shù)的水平，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量、多品種的鋼材制品。因此，軋鋼過(guò)程的自動(dòng)化，高精度化的重要性就顯而易見(jiàn)了1。在軋制速度越來(lái)越高，產(chǎn)品范圍越來(lái)越大，質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格的情況下，軋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能及其檢測(cè)儀表的性

9、能，必須進(jìn)一步提高和完善，才能與之相適應(yīng)。比如：速度的自動(dòng)控制、厚度的自動(dòng)控制、張力的自動(dòng)控制和板形的自動(dòng)控制等。通過(guò)高水平的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以保證生產(chǎn)的高效率、高效益、高質(zhì)量和低功耗。冷軋機(jī)的自動(dòng)控制是一種復(fù)雜的機(jī)一電一工藝的綜合控制系統(tǒng)，變量較多，參數(shù)變化快，并且彼此相互影響，相互制約，為獲得高質(zhì)量的成品帶鋼(厚度偏差5“m)，必須設(shè)有相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這一系列的自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：帶鋼張力自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)，主傳動(dòng)的速度自動(dòng)控制系統(tǒng)(ASC)，帶鋼厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)(AGC)等等。通過(guò)這些基本的控制系統(tǒng)就可以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品的質(zhì)量，改善系統(tǒng)的過(guò)程穩(wěn)定性，減少意外事故的發(fā)生等。與此同時(shí)，隨著

10、工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，上述的基本控制系統(tǒng)也將不斷更新、發(fā)展和完善。1.1.2設(shè)計(jì)的意義此次課程設(shè)計(jì)針對(duì)我們所學(xué)的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安排的，目的明確，學(xué)以致用。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主干專(zhuān)業(yè)課，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、實(shí)踐性和工程背景，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)和理論分析和解決運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，使學(xué)生建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)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(xiàn)及正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等工具書(shū)的能力，理解分析、制定設(shè)計(jì)方案的能力，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的能力。1.2國(guó)內(nèi)外研究的歷史及現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)外冷軋板帶狀況鋼板和帶鋼是國(guó)民

11、經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中最廣泛使用的鋼材，按其厚度可以分為兩大類(lèi)，即厚板和薄板，尺寸范圍如表1所示：表格 1鋼板分類(lèi)對(duì)帶鋼而言最主要的技術(shù)指標(biāo)是：(1)尺寸精確性：板厚精度和板形是決定板、帶鋼幾何尺寸精度的兩大質(zhì)量指標(biāo)。隨著各行業(yè)對(duì)板、帶材質(zhì)量要求的提高，板厚和板形控制具有十分重要的意義；(2)表面質(zhì)量：板鋼是表面積很大而相對(duì)體積很小的鋼材，又多用作外圍構(gòu)件，故必須保證表面質(zhì)量；(3)準(zhǔn)確的化學(xué)成分、良好的工藝性能和機(jī)械性能。在鋼鐵工業(yè)中，采用冷軋的方式生產(chǎn)薄板、帶鋼從1926年就開(kāi)始了。由于其表面質(zhì)量好、具有強(qiáng)度高、厚度薄、尺寸精度準(zhǔn)確、深沖性好、易加工、和良好的機(jī)械、工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于宇航技術(shù)

12、、飛機(jī)、汽車(chē)、化工、造船、建筑、石油、家用電器以及日用小五金等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面。近幾十年來(lái)冷連軋板、帶鋼在軋鋼生產(chǎn)中的迅速發(fā)展，亦為各種新技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了一個(gè)領(lǐng)域，而生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是迅速提高生產(chǎn)產(chǎn)量和獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的重要途徑2。我國(guó)作為鋼鐵大國(guó)，鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)超27億噸，但是總體上來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)不是鋼鐵強(qiáng)國(guó)。近幾十年來(lái)，我國(guó)宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)生了重大變化，買(mǎi)方市場(chǎng)已經(jīng)基本形成，內(nèi)需不足的問(wèn)題日益突出。與此同時(shí)，由于自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力弱，工業(yè)發(fā)展缺少新技術(shù)的支撐，高技術(shù)含量和高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)滯后，生產(chǎn)能力明顯不足。比如，90年代以來(lái)，我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)品貿(mào)易一直保持逆差，1994年最高達(dá)到1426億美元。就是在國(guó)

13、內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模很大的時(shí)候，一些產(chǎn)業(yè)的主體設(shè)備和技術(shù)也嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。我國(guó)作為鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，年產(chǎn)鋼已經(jīng)突破27億噸，且已出現(xiàn)產(chǎn)品嚴(yán)重積壓和價(jià)格走低的現(xiàn)象，但冷軋薄板、冷軋帶鋼、冷軋硅鋼、鍍鋅板、不銹鋼薄板等技術(shù)含量高、附加值高的生產(chǎn)用材則嚴(yán)重短缺。由于冷軋板帶的消費(fèi)市場(chǎng)前景廣闊，應(yīng)用極其廣泛，其產(chǎn)量占軋材的比例逐年不斷攀升。但與國(guó)外相比，差距還是很大。世界上美、俄、日等主要產(chǎn)鋼國(guó)家，冷軋板卷占軋材總產(chǎn)量的比例大都在30以上，而我國(guó)冷軋板卷占軋材總產(chǎn)量比例僅為4，每年都需要大量進(jìn)口冷軋板卷，自給率僅達(dá)40左右。目前國(guó)內(nèi)需要的高精度帶材主要依賴(lài)進(jìn)口的局面與軋制控制技術(shù)落后有關(guān)。目前美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，不僅大力

14、推進(jìn)薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)，生產(chǎn)低成本薄規(guī)格的熱軋寬帶鋼，同時(shí)還加速建設(shè)和改造冷軋寬帶鋼軋機(jī)，擴(kuò)大冷軋寬帶鋼和涂鍍層板等高附加值產(chǎn)品在鋼材生產(chǎn)中的比例。建設(shè)冷軋寬帶軋機(jī)模型多樣化，例如美國(guó)近年來(lái)除新建和改造冷軋寬帶鋼連軋機(jī)組外，還大量在新建的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)后建設(shè)現(xiàn)代化的高產(chǎn)量高效率的單(雙)機(jī)架可逆式軋機(jī)，形成“小鋼廠(chǎng)”冷軋寬帶鋼生產(chǎn)模式，節(jié)省了中間退火環(huán)節(jié)，降低了成本3。1.2.2國(guó)內(nèi)外冷帶鋼軋機(jī)發(fā)展?fàn)顩r鋼的冷軋起始于德國(guó)，德國(guó)1917年二輥可逆式冷軋機(jī)、1932年四輥可逆式冷軋機(jī)的率先使用，掀開(kāi)了現(xiàn)代按常規(guī)工藝生產(chǎn)板帶材的序幕，此后冷軋帶鋼的最大有效寬度迅速增大，而且在一定寬度條

15、件下，其最小軋制厚度也不斷減小。日本1938年在東洋鋼板松下工廠(chǎng)安裝了第一臺(tái)可逆式冷軋機(jī)，開(kāi)始了冷軋薄板生產(chǎn)。1940年在新日鐵廣佃廠(chǎng)建立了第一套四機(jī)架1420mm冷連軋機(jī)。帶鋼的連續(xù)冷軋的首次記錄要追溯到大約1904年，當(dāng)時(shí)，韋斯特利奇播哥(WestLeechburg)鋼公司安裝并開(kāi)動(dòng)了一臺(tái)四機(jī)架二輥連軋機(jī)，每個(gè)機(jī)架單獨(dú)用速度可調(diào)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。而具有機(jī)架間張力和張力卷取機(jī)的真正的連軋機(jī)操作，大約于1915年在匹茲堡的莫里斯一貝利(Morris&Bailey)鋼公司和蘇必利爾(Superior)鋼公司安裝的軋機(jī)上才得到發(fā)展。第一臺(tái)四機(jī)架四輥冷軋機(jī)由美國(guó)軋機(jī)公司于1926年在巴特勒工廠(chǎng)投入生產(chǎn)

16、。70年代后，由于世界性的能源問(wèn)題，美、日、英、德、俄等鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的冷軋板帶生產(chǎn)不太景氣，因而新建的冷軋機(jī)較少。這一階段這些國(guó)家的投資基本上都花在冷軋機(jī)的改造上，改善板帶產(chǎn)品的板形，減少板厚，降低能耗，提高軋速，增大卷重。盡量提高軋機(jī)的裝備水平，增設(shè)必要的控制手段，采用新技術(shù)，局部采用新設(shè)備、新工藝，從而提高冷軋板帶的質(zhì)量和產(chǎn)量。這一時(shí)期，世界上出現(xiàn)了控制板形的多種新型軋機(jī)，也同時(shí)出現(xiàn)了各生產(chǎn)工序連續(xù)化的全連續(xù)式冷軋機(jī)。由于汽車(chē)、家電等行業(yè)的迅猛發(fā)展，這一趨勢(shì)稍有改觀(guān)，不少?lài)?guó)家又開(kāi)始新建或準(zhǔn)備新建一些冷軋機(jī)。我國(guó)冷軋板帶工業(yè)起步較晚，直到1906年，鞍鋼建立了第一臺(tái)1700mm單機(jī)可逆式

17、冷軋機(jī)，以后又陸續(xù)投產(chǎn)了1200mm單機(jī)可逆式冷軋機(jī)、MKWl400mm偏八輥軋機(jī)、1500mm二十輥冷軋機(jī)和1250mm單機(jī)架可逆式HC冷軋機(jī)，70年代武漢鋼鐵公司投產(chǎn)了我國(guó)第一套1700mm五機(jī)架冷連軋機(jī)，1988年在寶鋼建成了2030mm五機(jī)架冷連軋機(jī)。此后，又陸續(xù)新建了寶鋼1420mm、攀鋼1220mm、寶鋼1550mm工程，以及寶鋼三期后工程1800mm五機(jī)架冷軋機(jī)。縱觀(guān)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的冷軋機(jī)，除了新建的如寶鋼2030mm、1420mm、1550mm等幾套軋機(jī)控制水平較高、技術(shù)較先進(jìn)外，還有一大批技術(shù)落后，控制水平低的軋機(jī)，為了能夠生產(chǎn)出高精度的冷軋帶鋼，這些軋機(jī)迫切需要進(jìn)行技術(shù)改造45。

18、1.3課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.3.1設(shè)計(jì)題目及設(shè)計(jì)要求150/500400四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。A) 生產(chǎn)工藝和機(jī)械性能四輥冷軋機(jī)是供冷軋紫銅及其合金成卷帶材之用。為提高生產(chǎn)效率，要求往返均要軋制，其軋機(jī)工藝參數(shù)如下：工作輥的最大和最小直徑： 156/136毫米；支持輥的最大和最小直徑： 500/470毫米；輥身長(zhǎng)： 400毫米；軋制時(shí)軋件對(duì)軋輥的最大壓力： 60噸；壓下時(shí)軋件對(duì)軋輥的最大壓力： 120噸；軋制速度： 0.510米/秒；基速： 7米/秒；帶材寬度： 300毫米；帶材坯料厚度： 1毫米；帶卷內(nèi)徑（卷筒直徑）： 500毫米；軋制成成品： 8道次以上；傳動(dòng)比： i=1；輥機(jī)原理圖

19、如圖1- 1所示：圖1 1 輥機(jī)原理圖B)設(shè)計(jì)要求： 穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量5%；空載啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量%10%；能實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。C)直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)： =120Kw，=230v，=780A，=1000r /min, =0.05，電樞回路總電阻R=0.12，電流過(guò)載倍數(shù)=2.25，=87.5。1.3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容1、根據(jù)工藝要求，論證、分析、設(shè)計(jì)主電路和控制電路方案，繪出該系統(tǒng)的原理圖（2號(hào)圖紙）。2、設(shè)計(jì)組成該電路的各單元，分析說(shuō)明。3、選擇主電路的主要設(shè)備，計(jì)算其參數(shù)（含整流變壓器的容量S，電抗器的電感量L，晶閘管的電流、電壓定額，快熔的容量等），并說(shuō)明保護(hù)元件的作用（必須有電流和電

20、壓保護(hù)）。4、設(shè)計(jì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)（或張力環(huán)），確定ASR和ACR（或張力調(diào)節(jié)器ZL）的結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其參數(shù)。5、結(jié)合實(shí)驗(yàn)，論述該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。第二章 四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)分析冷軋機(jī)是軋鋼行業(yè)中的核心設(shè)備，可逆扎鋼機(jī)主要用于各種薄鋼板（帶）的 冷壓扎制，通過(guò)一對(duì)壓輥，把各種厚度不同的鋼板（帶）壓制到所需的規(guī)格。可 逆，顧名思義即鋼板（帶）可以雙向通過(guò)壓輥，經(jīng)過(guò)多次的壓制，不用換卷一次使鋼板帶壓制成型。與單向壓機(jī)相比，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化程度。正因?yàn)槿绱?，可逆壓機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)也提出了比較高的技術(shù)要求。2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)在電流相同的條件下，不同的調(diào)速方法輸出的

21、轉(zhuǎn)矩和輸出功率不盡相同，所以按充分利用電動(dòng)機(jī)的觀(guān)點(diǎn)可將調(diào)速方法分為以下兩種：(1)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。轉(zhuǎn)矩M和電流I保持正比關(guān)系的調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(2)恒功率調(diào)速。調(diào)速過(guò)程中，功率P與電流I保持正比關(guān)系的調(diào)速方法為恒功率調(diào)速。直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變磁通調(diào)速，保持電流不變，則轉(zhuǎn)矩M與磁通成正比。而轉(zhuǎn)速n與磁通成反比。 （2-1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速狀態(tài)保持不變，張力即不變，要向調(diào)節(jié)張力只需要調(diào)節(jié)電樞電流。而恒功率調(diào)速狀態(tài)即弱磁調(diào)速。如應(yīng)用與磨切等設(shè)備時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象不會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而損壞電機(jī)。2.2 四輥冷軋機(jī)控制要求可逆冷軋機(jī)的兩邊都有卷軸，一邊為收卷，另一邊為放卷，當(dāng)扎制方向改變時(shí)，轉(zhuǎn)換收放卷的運(yùn)行方向，

22、收卷改成放卷，放卷改成收卷，因收放卷過(guò)程中卷徑會(huì)發(fā)生變化，所以收放卷一般都用力矩控制方式。其次根據(jù)扎制要求，為了使壓制后的鋼板（帶）保持平直，收放卷都需要保持一定的張力，使鋼板在進(jìn)出扎輥時(shí)都保持平直。一般根據(jù)實(shí)際的張力大小，需要實(shí)時(shí)調(diào)整張力，使鋼板帶既保持一定的張力，又不致被拉斷。第三，為了調(diào)整鋼板（帶）的厚度 ，在開(kāi)始階段，系統(tǒng)的工作速度通常會(huì)很慢，但這時(shí)候壓制力不會(huì)因?yàn)樗俣嚷鴾p少，反而 會(huì)因?yàn)樗俣嚷黾屿o態(tài)摩擦力，所以，低速時(shí)候所需要的力矩會(huì)比高速時(shí)更大 。這給傳動(dòng)和控制提出了很高的要求，特別是傳動(dòng)系統(tǒng)的低速力矩要足夠大， 保證低速時(shí)運(yùn)行的平穩(wěn)，張力的穩(wěn)定。當(dāng)然控制系統(tǒng)還應(yīng)有鋼板（帶）

23、厚度測(cè)量裝置以及調(diào)整厚度系統(tǒng)，直觀(guān)的顯示并能方便地調(diào)整進(jìn)出壓輥的鋼板厚度，如Error! Reference source not found.所示。圖2 1四輥冷軋機(jī)工作原理可逆冷軋機(jī)的傳動(dòng)大多數(shù)是傳統(tǒng)型直流傳動(dòng)系統(tǒng)， 由直流傳動(dòng)系統(tǒng)的特性可知，在額定轉(zhuǎn)速以下，直流系統(tǒng)是恒力矩輸出， 通過(guò)雙閉環(huán)控制， 可以很好的保證低速輸出力矩。但是，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，決定了直流電機(jī)的維護(hù)工作量比較大，檢修難度大。所以， 在最新的控制系統(tǒng)中，已開(kāi)始逐步使用直流調(diào)速器2； 通過(guò)雙閉環(huán)直流調(diào)速器作一些輔助控制和運(yùn)算， 實(shí)現(xiàn)恒張力的工作要求。下面介紹四棍可逆軋機(jī)中應(yīng)用雙閉環(huán)直流調(diào)速器的最基本的控制方法。2.3 四輥

24、冷軋機(jī)張力控制基礎(chǔ)上的調(diào)速目前的纏繞式機(jī)組控制恒張力方法基礎(chǔ)特性分為：直接張力控制，間接張力控制，最大轉(zhuǎn)矩控制，復(fù)合張力控制，最大轉(zhuǎn)矩遞變張力控制。國(guó)內(nèi)四輥冷軋機(jī)一般均采用間接張力控制。2.3.1 從工藝角度一般軋機(jī)自動(dòng)軋制模式分為以下2種模式：(1)GAP：輥縫恒定，此時(shí)前后張力設(shè)定恒定值，軋制力不斷變化，(2)LOAD：軋制力恒定，出口張力保持不變，入口張力不斷變化。無(wú)論是哪種模式都是建立在直流電機(jī)恒張力控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制。接下來(lái)對(duì)電機(jī)恒張力控制進(jìn)行具體分析。2.3.2 恒張力調(diào)速控制我們知道，電動(dòng)機(jī)輸出的力矩為： （2-2）其中：一帶材靜態(tài)張力矩，一動(dòng)態(tài)加減速力矩，一摩擦力矩等。最終控

25、制結(jié)果是使由所產(chǎn)生的張力保持恒定。由 （2-3）式中：一張力，一電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，一卷徑，一電動(dòng)機(jī)的磁通，韋伯, 一電樞電流。一機(jī)械傳動(dòng)比?？梢钥闯鲆S持張力恒定有兩種方法：第一種是電流電勢(shì)方式，其控制原則是在穩(wěn)速軋制時(shí)電樞電流保持恒定，勵(lì)磁磁通與鋁卷直徑成正比(=常數(shù))，隨卷徑增大而增大，該控制方式在最大卷徑以下均處于弱磁狀態(tài)，這就帶來(lái)了電機(jī)力矩利用不充分，功率因數(shù)差等缺點(diǎn)，現(xiàn)在已很少采用。第二種是最大力矩方式，該控制方式的指導(dǎo)思想是：電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通與鋁卷直徑變化無(wú)關(guān)，僅僅取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速。在基速以下，電動(dòng)機(jī)是滿(mǎn)磁狀態(tài)，電流與卷徑成正比，可以輸出最大力矩。在基速以上，電動(dòng)機(jī)按弱磁升速，即電樞

26、電流恒定，隨卷徑增加加大勵(lì)磁電流。該控制方式電機(jī)在基速以下可以輸出最大力矩，基速以上又可以輸出最大功率使電機(jī)得到充分利用，完全滿(mǎn)足冷軋機(jī)低速大張力，高速小張力的工藝要求。因此采用最大力矩方式控制主電機(jī)。2.4 主軋機(jī)2.4.1 主扎機(jī)的工作狀態(tài)軋制過(guò)程是靠旋轉(zhuǎn)的軋輥與鋼帶之間形成的摩擦力將鋼帶拖進(jìn)輥縫之間，并使之受到壓縮產(chǎn)生塑性變形的過(guò)程2。入、出口卷取電機(jī)通過(guò)減速箱分別連接到卷取機(jī)膨脹芯軸上，鋼卷被芯軸脹緊，鋼帶經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輥穿過(guò)軋機(jī)上下工作輥。當(dāng)軋制方向由左到右時(shí)，入口卷機(jī)電機(jī)速度給定相對(duì)于軋制方向速度相反，即電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向同實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向相反，從而形成入口張力；出口卷取電機(jī)速度給定超前軋制方向速

27、度，處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，形成出口張力。上部電機(jī)和下部電機(jī)輸出軸通過(guò)減速箱分別連接上、下支撐輥，支撐輥和工作輥之間通過(guò)軋制力緊緊壓靠在一起，支撐輥的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作輥的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整上下部電機(jī)速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程中的穿帶、加速、穩(wěn)速軋制和減速等狀態(tài)。2.4.2 主軋機(jī)調(diào)速控制原理從操作流程分析機(jī)列調(diào)速原理：上料一穿帶一建立靜張力一爬行一加速一保持設(shè)定速度一減速一制動(dòng)。不考慮卷徑變化，且張力設(shè)定不變的情況。要保持張力不變，需要保持電流不變。系統(tǒng)中電流反饋到電流調(diào)節(jié)器輸出到可控硅觸發(fā)角，從而改變電壓U，從而得出新的電流，保持恒張力的過(guò)程就是電流調(diào)節(jié)器調(diào)整反饋與基準(zhǔn)電流一致的調(diào)解過(guò)程。至此，我們考慮卷徑變化：扎

28、機(jī)隨著軋制過(guò)程卷徑的逐漸變小，為了保證卷徑變化時(shí)張力恒定，這就要求主電機(jī)其他參數(shù)必須跟隨卷徑的變化而處于動(dòng)態(tài)調(diào)整之中，現(xiàn)在分析板材張力與這些參數(shù)的關(guān)系：M=D2由電機(jī)學(xué)可知，扎機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的阻力矩M與張力T及卷徑D的關(guān)系為：M=TD2。由電機(jī)學(xué)可知，扎機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的阻力矩M與勵(lì)磁磁通及電機(jī)電樞電流有如下關(guān)系：式中為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為一常數(shù)。聯(lián)立以上兩式則有： （2-4） 式中K=2為一常數(shù)。在基速以下時(shí)，為一常數(shù)，則?？梢?jiàn)保持電流隨卷徑成正比例變化，即可實(shí)現(xiàn)張力恒定。以上分析為基速以下，當(dāng)可控硅調(diào)節(jié)到電機(jī)額定電壓時(shí)，由 （2-5）基速即電樞電壓到達(dá)額定電壓的速度，此時(shí)避免無(wú)限調(diào)整

29、U造成反電勢(shì)E=UIR過(guò)高、電橛電流過(guò)大而對(duì)電機(jī)的絕緣、線(xiàn)圈等系統(tǒng)造成危害。此時(shí)要繼續(xù)提高速度只能改變磁通中，進(jìn)行弱磁調(diào)速。以下分析基速以上的速度及恒張力的調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)為外環(huán)，只需根據(jù)速度基準(zhǔn)形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。由于為定值即反電勢(shì)恒值的調(diào)節(jié)過(guò)程，此時(shí)電流調(diào)節(jié)器保持不變，但我們要考慮卷徑變化：由電機(jī)學(xué)公式： （2-6）即 （2-7）同時(shí)已知 （2-8） 所以 （2-9）又知卷徑與板材線(xiàn)速度及開(kāi)卷機(jī)角速度，有如下關(guān)系式： （2-10）將其帶入上式得：（2-11）式中為常數(shù)，所以在基速以上，只要保證主軋機(jī)電樞電流I與板材線(xiàn)速度成正比例變化，即可實(shí)現(xiàn)恒張力。無(wú)論是LODA模式還是GAP模式都是建立在此基礎(chǔ)

30、(恒張力控制)上進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.5 主軋機(jī)雙閉環(huán)直流調(diào)速控制機(jī)架的速度反饋即機(jī)列速度，以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)邏輯無(wú)環(huán)流控制器及電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)，通過(guò)邏輯控制器實(shí)現(xiàn)可逆冷軋機(jī)的主傳動(dòng)控制。如Error! Reference source not found.。圖2 2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變換器雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線(xiàn)性控制：根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)

31、，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于A(yíng)SR采用了飽和非線(xiàn)性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)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(fù)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)。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：起動(dòng)過(guò)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(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。第三章 主電路和控制電路方案論證3.1 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)由機(jī)械

32、部分和電氣部分組成，軋制系統(tǒng)為一臺(tái)四輥可逆冷軋機(jī)，其機(jī)械部分的配置簡(jiǎn)圖如Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.所示。圖3 1軋制系統(tǒng)機(jī)械配置簡(jiǎn)圖該軋機(jī)具有兩個(gè)小直徑工作輥和兩個(gè)直徑較大的支承輥，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，軋件在兩工作輥間往復(fù)軋制。它集中了二輥和三輥勞特軋機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既降低了軋制壓力，又大大增強(qiáng)了軋機(jī)剛性，并且生產(chǎn)靈活，軋制的產(chǎn)品范圍廣，故適用于軋制各種尺寸規(guī)格的中厚板，尤其是軋制寬度較寬，精度和板形要求較嚴(yán)格的中厚板，更離不開(kāi)它。3.1.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)性能的要

33、求經(jīng)量化和折算后可以表達(dá)為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標(biāo)的要求。深刻理解這些指標(biāo)的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設(shè)計(jì)思路。在以下四項(xiàng)中，前兩項(xiàng)屬于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，后兩項(xiàng)屬于動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即 （3-1）靜差率s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)作靜差率，即 （3-2）靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)：上

34、升時(shí)間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間.抗擾性能指標(biāo) 此項(xiàng)指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力，它由以下兩項(xiàng)組成：動(dòng)態(tài)降落，恢復(fù)時(shí)間.3.1.2 調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)基本矛盾在理解了本設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足的各項(xiàng)指標(biāo)之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標(biāo)的兩個(gè)矛盾，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；起動(dòng)快速性與防止電流的沖擊對(duì)電機(jī)電流的要求互相矛盾5。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，解決了第一個(gè)矛盾。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程中

35、的電流和轉(zhuǎn)矩。無(wú)法解決第二個(gè)基本矛盾。在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如Error! Reference source not found.a)所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idl

36、圖3 2調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形a) b)a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程 b) 理想快速啟動(dòng)過(guò)程當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過(guò)載能力,最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來(lái),使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如Error! Reference source not fou

37、nd.b所示,起動(dòng)電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線(xiàn)性增長(zhǎng)的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，Error! Reference source not found.b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實(shí)現(xiàn)。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。3.2 調(diào)速系統(tǒng)組成在V-M直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器一般均采用比例積分調(diào)節(jié)器，并且調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算方法較多采用

38、以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的“電子最佳調(diào)節(jié)原理”和“頻率特性設(shè)計(jì)方法”。實(shí)踐表明：應(yīng)用這些工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，其實(shí)際電流特性與預(yù)期的比較接近。但是，由于這兩種設(shè)計(jì)方法從理論上來(lái)講都只適用于零初始條件下對(duì)線(xiàn)性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于含有非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的V-M調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于存在飽和與退飽和過(guò)程引起的非零初始條件問(wèn)題，因此，速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際調(diào)試結(jié)果相差比較大，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降(升)缺乏有效的抑制能力，存在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中超調(diào)量大，突加(減)負(fù)載時(shí)，動(dòng)態(tài)速降(升)大等缺點(diǎn)。3.3主電路方案論證系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)需要可逆運(yùn)行。即要求電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生正向和反向轉(zhuǎn)矩。由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

39、矩公式Te = CmF Id 可知：有兩種方法可改變轉(zhuǎn)矩方向，一是改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁F 的方向（即勵(lì)磁可逆），二是改變電樞電流的方向（即電樞可逆）。 3.3.1勵(lì)磁反接可逆電路采用接觸器開(kāi)關(guān)或晶閘管開(kāi)關(guān)切換方式，也可采用兩組晶閘管反并聯(lián)供電方式來(lái)改變勵(lì)磁方向進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向。晶閘管反并聯(lián)勵(lì)磁反接可逆線(xiàn)路如Error! Reference source not found.所示。電動(dòng)機(jī)電樞用一組晶閘管裝置供電，勵(lì)磁繞組由另外的兩組晶閘管裝置供電。圖3 3 晶閘管反并聯(lián)勵(lì)磁反接可逆線(xiàn)路雖然采用勵(lì)磁反接方案，所需晶閘管裝置的容量小、投資少，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，但是由于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的電感大，勵(lì)磁

40、反向的過(guò)程較慢，改變轉(zhuǎn)向時(shí)間長(zhǎng)，這將很難滿(mǎn)足四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)快速性的要求。也就很難使得生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求。所以我們不能選擇勵(lì)磁反接這一控制方案。3.3.2電樞反接可逆電路電樞反接可逆線(xiàn)路的形式有多種，主要有以下3種方式：（1）接觸器開(kāi)關(guān)切換的可逆線(xiàn)路圖3 4 接觸器開(kāi)關(guān)切換的可逆線(xiàn)路接觸器開(kāi)關(guān)切換的可逆線(xiàn)路如Error! Reference source not found.所示。KMF閉合，直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；KMR閉合，直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)僅需四個(gè)接觸器，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。但系統(tǒng)是有觸點(diǎn)切換，開(kāi)關(guān)壽命短；需自由停車(chē)后才能反向，時(shí)間長(zhǎng)；而且系統(tǒng)的容量較小。不能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)快速起停、

41、正反轉(zhuǎn)、大容量的要求，所以該方案不適用于本系統(tǒng)。（2）晶閘管開(kāi)關(guān)切換的可逆線(xiàn)路圖3 5晶閘管開(kāi)關(guān)切換的可逆線(xiàn)路晶閘管開(kāi)關(guān)切換的可逆線(xiàn)路如Error! Reference source not found.所示。VT1、VT4導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)； VT2、VT3導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。該方案只能適用于中、小功率的系統(tǒng)，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。（3）兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線(xiàn)路。圖3 6兩組晶閘管反并聯(lián)裝置兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線(xiàn)路。其線(xiàn)路圖如Error! Reference source not found.所示。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由

42、兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對(duì)控制電路提出了嚴(yán)格的要求。它在快速性和容量上都可滿(mǎn)足系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要求，可適用于各種可逆系統(tǒng)。所以系統(tǒng)主電路最終設(shè)計(jì)成兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線(xiàn)路。結(jié)論：主電路采用正、反兩組晶閘管全控橋式整流裝置(和)反并聯(lián)線(xiàn)路，為平波電抗器，以減小紋波和電流連續(xù)。為()聯(lián)結(jié)的三相整流變壓器(可抑制三次階波對(duì)電網(wǎng)的影響)。3.4 控制電路方案論證我們要確定可逆直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的方案，就要先確定其控制電路為單閉環(huán)還是多閉環(huán)。其次再確定控制電路的控制方法。3.4.1帶電流截止負(fù)反饋的

43、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖3 7帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如Error! Reference source not found.所示，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋加電流截止負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足需要。因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值Idcr以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。由Error! Reference sou

44、rce not found.可知：起動(dòng)電流達(dá)到最大值Idm后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。不能滿(mǎn)足快速性的要求，所以這種方案不可取。圖3 8 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形由可知：理想的快速起動(dòng)過(guò)程，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線(xiàn)性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程。為了在起動(dòng)過(guò)程中能夠得到這個(gè)最大的恒定電流，得設(shè)計(jì)一個(gè)電流負(fù)反饋。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行串級(jí)控制。所以系統(tǒng)控制電路的結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)。3.4

45、.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)以上分析，系統(tǒng)已基本上確定為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。如第二章的軋機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分析所述。具體圖形見(jiàn)Error! Reference source not found.。然而采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱(chēng)作環(huán)流，如下圖中所示（Ic 為環(huán)流、Id 為負(fù)載電流）。圖3 9 環(huán)流這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無(wú)益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。這對(duì)控制方法提出了更高的要求。這里我主要論證兩套在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到

46、廣泛應(yīng)用的控制方案：a = b 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)和無(wú)環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)。3.4.3 a = b 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)采用a = b 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖如Error! Reference source not found.所示，圖中主電路是三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線(xiàn)路，控制電路為典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。ASR和ACR都設(shè)置了雙向輸出限幅值，以限制最大起制動(dòng)電流和最小控制角amin 和最小逆變角 bmin 。圖3 10 a = b 配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng) a = b 配合控制已經(jīng)消除了直流平均環(huán)流，但由于上下兩橋整流與逆變的瞬時(shí)電

47、壓不一樣，所以主電路還存在脈動(dòng)的環(huán)流。這一環(huán)流對(duì)系統(tǒng)及有好處也有壞處。它使電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)的過(guò)程完全銜接起來(lái)，沒(méi)有間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于要求快速正反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)；但需要向系統(tǒng)添加環(huán)流電抗器，而且晶閘管等器件都要負(fù)擔(dān)負(fù)載電流和環(huán)流。對(duì)于大容量的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些缺點(diǎn)就會(huì)比較明顯。而四輥冷軋機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的容量比較大，所以將a = b 配合控制的這種控制方法應(yīng)用于本系統(tǒng)不太合適。我們的選擇其它的控制方法。3.4.4 無(wú)環(huán)流控制的可逆V-M系統(tǒng)通過(guò)上一小節(jié)的分析可知：有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過(guò)渡平滑等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅。因此，當(dāng)工藝過(guò)程對(duì)系統(tǒng)正反

48、轉(zhuǎn)的平滑過(guò)渡特性要求不很高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒(méi)有直流平均環(huán)流又沒(méi)有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流控制可逆系統(tǒng)。按照實(shí)現(xiàn)無(wú)環(huán)流控制原理的不同，無(wú)環(huán)流控制的可逆系統(tǒng)又分為兩大類(lèi)：錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)和邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。在錯(cuò)位控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)中，同樣采用配合控制的觸發(fā)移相方法，但兩組脈沖的關(guān)系是ar +a f = 300，甚至是ar +a f = 360，也就是說(shuō)，初始相位整定在ar = a f = 150或180。這樣，當(dāng)待逆變組的觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導(dǎo)通，當(dāng)然就不會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流了。鑒于目前錯(cuò)位控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)較少，本系統(tǒng)不予以

49、考慮。我們主要來(lái)探討邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)工作原理：當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路（硬件）或邏輯算法（軟件）去封鎖另一組晶閘管的觸發(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(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路，這就是邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如Error! Reference source not found.所示。圖3 11 邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 由于沒(méi)有環(huán)流，不用設(shè)置環(huán)流電抗器；仍保留平波電抗器 Ld ，以保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形連續(xù)；控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案；電流環(huán)分設(shè)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，1A

50、CR用來(lái)控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR；1ACR的給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR作為2ACR的給定信號(hào)，因此電流反饋信號(hào)的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測(cè)方法。為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無(wú)環(huán)邏輯控制環(huán)節(jié)DLC，這是系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行正、反組的自動(dòng)切換，其輸出信號(hào) Ublf 用來(lái)控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開(kāi)放，Ublr 用來(lái)控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開(kāi)放。在邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器和兩套觸發(fā)裝置分別控制正、反組晶閘管。實(shí)際上任何時(shí)刻都只有一組晶閘管在工作，另一組由于脈沖被封鎖而處于阻斷狀態(tài)，這時(shí)它的電流調(diào)節(jié)器和觸發(fā)

51、裝置都是等待狀態(tài)。采用模擬控制時(shí)，可以利用電子模擬開(kāi)關(guān)選擇一套電流調(diào)節(jié)器和觸發(fā)裝置工作，另一套裝置就可以節(jié)省下來(lái)了。這樣的系統(tǒng)稱(chēng)作輯選觸無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)，其原理圖如Error! Reference source not found.所示。圖中：SAF，SAR分別是正、反組電子模擬開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)節(jié)省了一套電流調(diào)節(jié)器和觸發(fā)裝置。而且實(shí)際系統(tǒng)都是邏輯選觸系統(tǒng)，所以系統(tǒng)的控制方法選為邏輯選觸無(wú)環(huán)流控制。圖3 12 邏輯選觸無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)的原理框圖本章主要講述系統(tǒng)方案的論證。我們先確定系統(tǒng)為調(diào)壓調(diào)速，然后經(jīng)論證系統(tǒng)主電路確定為兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆電路，最后我們論證控制電路的方案。在控制電路的方案論證中，

52、我們先確定系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)，然后根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和工程實(shí)際應(yīng)用確定控制電路的控制方法為邏輯選觸無(wú)環(huán)流控制。通過(guò)以上的分析和論證，系統(tǒng)的方案確定為邏輯選觸無(wú)環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)。原理框圖如Error! Reference source not found.所示。結(jié)論：控制線(xiàn)路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，只是電流環(huán)分設(shè)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，IACR用來(lái)控制正組觸發(fā)裝置GTF，2ACR控制反組觸發(fā)裝置GTR1ACR的給定信號(hào)Ui*經(jīng)反號(hào)器作為2ACR的給定信號(hào)，這樣可是電流反饋信號(hào)Ui的極性在正反轉(zhuǎn)時(shí)都不必改變，從而可采用不反應(yīng)極性的電流檢測(cè)器。3.4.5檢測(cè)電路和反饋電路檢測(cè)電路和反饋

53、電路：TG為永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，它將轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)Ufn反饋到速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端。TA為三相電流互感器，U為三相整流橋，它將與電樞電流Id成正比的電流檢測(cè)信號(hào)Ufi分送到電流調(diào)節(jié)器1ACR、2ACR和邏輯控制器DLC的輸入端。DLC按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)指揮系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)切換，或允許正組觸發(fā)器輸出觸發(fā)脈沖而封鎖反組，或允許反組觸發(fā)器輸出觸發(fā)脈沖而封鎖正組。在任何情況下，決不允許兩組觸發(fā)器同時(shí)開(kāi)放，確保主電路沒(méi)有產(chǎn)生環(huán)流的可能。第四章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的各功能模塊設(shè)計(jì)4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述4.1.1 主電路及化簡(jiǎn)主電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，為了保證可逆冷軋機(jī)的卷取機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)

54、定的正反運(yùn)行特性，則需要設(shè)計(jì)可逆的調(diào)速系統(tǒng)，采用六個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)方式如Error! Reference source not found.所示。圖4 1 主電路的原理圖及化簡(jiǎn)a)三相橋式整流電路的主電路b)等效電路c)化簡(jiǎn)后的等效電路其中： Rb變壓器兩相繞阻的等效內(nèi)阻 Ra變壓器兩相繞阻漏抗引起換向壓降所對(duì)應(yīng)的電阻 Rn兩個(gè)可控硅原件的正相等效電阻 Rp平波電抗器等效電阻 Rd電動(dòng)機(jī)電樞等效內(nèi)阻 Lb變壓器兩相繞阻的漏感 Lp平波電抗器電感 Ld電動(dòng)機(jī)電樞繞阻電感 Ud0=2.34U2COS理想空載整流電壓 E=Ce

55、*n直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì) RN=Rb+Ra+Rn整流裝置內(nèi)阻 RS =Rp+Rd電動(dòng)機(jī)電樞電阻 R=RN+RS主電路總電阻 L=Lb+Lp+Ld主電路總電感對(duì)于系統(tǒng)的供電，可將無(wú)窮大電網(wǎng)電壓經(jīng)三相變壓器變?yōu)?20V，再通過(guò)一系列熔斷器等保護(hù)措施，輸入給橋式整流電路，進(jìn)而給直流電機(jī)和其他裝置供電。變壓器繞組采用 /Y接法，具體方法見(jiàn)主電路變壓器的參數(shù)計(jì)算。主電路的保護(hù)措施尤為重要，設(shè)計(jì)多重保護(hù)電路成為必要。在起動(dòng)開(kāi)關(guān)電路里面設(shè)置自鎖回路和，在控制電路中發(fā)現(xiàn)電流過(guò)大，這可使主電路常閉開(kāi)關(guān)KM跳開(kāi)而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)KM跳開(kāi)失敗后，由于電流過(guò)大，一段時(shí)間后快速熔斷器受熱而熔化使電路跳開(kāi)，從而避免燒壞電機(jī)等設(shè)

56、備。上框圖中起動(dòng)開(kāi)關(guān)KM部分電路圖如Error! Reference source not found.所示。 圖4 2 起動(dòng)開(kāi)關(guān)電路圖4.1.2額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)描述 由Error! Reference source not found.中的c)可列出微分方程如下： (主電路,假定電流連續(xù)) (額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)) (牛頓動(dòng)力學(xué)定律,忽略粘性摩擦) (額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)式中 TL包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；GD2電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2； Cm=30Ce/電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時(shí)間常數(shù)：TL=L/R電樞回路電