四辊冷轧机直流调速系统毕业论文

四辊冷轧机直流调速系统毕业论文 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直流调速系统设计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:i1; 下附轧机原理简图: 辊机原理简图设计要求: 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。直流电动机参数: 120Kw,230v,780A,1000r /min, 0.05,电枢回路总电阻R0.12,电流过载倍数2.25,87.5、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: 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); ?由电机结构决定的电动势常数; 在上式中,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: 调节电枢供电电压U; 减弱励磁磁通; 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: 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。2.3 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 nKp*Ks*U1/Ce1+K-Id*R/Ce1+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; ?转速反馈系数 U1?给定电压 设K Kp* Ks*/ Ce 闭环系统的转速降 NclR*Id/Ce1+K 闭环系统的静差率 SclNcl/Nn 调速范围 DclNn*s/ Ncl*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。当后,引入了电流截止负反馈,静特性变为: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 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 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 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。转速调节器不饱和:CA段静特性从理想空载状态的0一直延续到,而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。转速调节器ASR饱和:这时ASR输出达到限幅值,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。 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。 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。对于电网电压扰动,双闭环系统中,由于增设了电流内环,电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节,不必等它影响到转速以后才能反馈回来,抗扰性能大有改善。 由以上分析可以得出,要使该系统具有良好的动态性能和静态特性,双闭环直流调速系统是最佳选择。 、双闭环调速系统结构以及各功能模块概述3.1双闭环调速系统结构概述 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。其实现方式如图3-1-1所示。图3-1-1主电路框图 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备。上框图中起动开关KM部分电路图如图3-1-2所示。图3-1-2起动开关电路图3.2速度调节器 速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成,对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算。其原理如图3-2-1所示:。图3-2-1速度调节器 在图中“1、2、3”端为信号输入端,二极管VD1和VD2起运放输入限幅,保护运放的作用。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节,有助于抑制振荡,减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节。改变R7的阻值改变了系统的放大倍数,改变C5的电容值改变了系统的响应时间。RP3为调零电位器。 3.3电流调节器 电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成,工作原理基本上与速度调节器相同,其原理图如图3-2-2所示。图3-3-1电流调节器 电流调节器与速度调节器相比,增加了几个输入端,其中“3”端接推信号,当主电路输出过流时,电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推信号(高电平)信号,击穿稳压管,正电压信号输入运放的反向输入端,使调节器的输出电压下降,使角向180度方向移动,使晶闸管从整流区移至逆变区,降低输出电压,保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端,当有高电平输入时,击穿稳压管,三极管V4、V5导通,将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端,其输入的值正好相反,如果两路输入都有效的话,两个值正好抵消为零,这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻,只有一路信号输入起作用,另一路信号接地不起作用。 3.4锯齿波同步移相触发电路图3-4-1锯齿波同步移相触发电路 锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节,其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路,当V3截止时,恒流源对C2充电形成锯齿波;当V3导通时,电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小,从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加,从而构成移相控制环节,RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节,C5为强触发电容改善脉冲的前沿,由脉冲变压器输出触发脉冲。 3.5电流反馈与过流保护图3-5-1电流反馈与过流保护原理图 本单元有两个功能,一是检测主电源输出的电流反馈信号,二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源 TA1,TA2,TA3为电流互感器的输出端,它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小,面板上的三个园孔均为观测孔,不需再外部进行接线,只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接,那么TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出端相连,当打开挂件电源开关,过流保护即处于工作状态。 1电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3,来自电流互感器的输出端,反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7组成的3条支路上,其中: R2与VD7并联后再与R1串联,在其中点取零电流检测信号从1脚输出,供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候,“1”端的输出由R1、R2分压所得,VD7截止。当电流反馈的电压升高的时候,“1”端的输出也随着升高,当输出电压接接近0.6V左右时,VD7导通,使输出始终保持在0.6V左右。 将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号,从“2”端输出,电流反馈系数由RP1进行调节。 RP2的滑动触头与过流保护电路相连,调节RP2可调节过流动作电流的大小。 2当电路开始工作时,由于电容C2的存在,V3先与V2导通,V3的集电极低电位,V4截止,同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低,保证V2一直处于截止状态。 3当主电路电流超过某一数值后,RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值,击穿稳压管,使三极管V2导通,从而V3截止,V4导通使继电器K动作,控制屏内的主继电器掉电,切断主电源,挂件面板上的声光报警器发出告警信号,提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节RP2的抽头的位置,可得到不同的电流报警值。 4过流的同时,V3由导通变为截止,在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出,作为推信号供电流调节器使用。 5SB为解除过流记忆的复位按钮,当过流故障己经排除,则须按下SB以解除记忆,才能恢复正常工作。当过流动作后,电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通,V3截止、V4导通、继电器保持吸合,持续告警。只有当按下SB后,V2基极失电进入截止状态,V3导通、V4截止,电路才恢复正常。3.6转速变换 转速变换用于有转速反馈的调速系统中,它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图3-6-1速度变换图 使用时,将电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经R1和RP1分压,调节电位器RP1可改变转速反馈系数。 图3-6-2电压给定原理图 电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关,输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节,其输出电压范围为0士l5V,S2为输出控制开关,打到“运行”侧,允许电压输出,打到“停止”侧,则输出为零。 按以下步骤拨动S1、S2,可获得以下信号: 1将S2打到“运行”侧,S1打到“正给定”侧,调节RP1使给定输出一定的正电压,拨动S2到“停止”侧,此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。 2将S2打到“运行”侧,S1打到“负给定”侧,调节RP2使给定输出一定的负电压,拨动S2到“停止”侧,此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。 3将S2打到“运行”侧,拨动S1,分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压,当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧,得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧,得到从负电压到正电压的跳变。 元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上,方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。要注意的是不允许长时间将输出端接地,特别是输出电压比较高的时候,可能会将RP1、RP2损坏。3.7零速封锁器 零速封锁器的原理图如下: 图3-7-1零速封锁器原理图 零速封锁器由两个具有“山”型继电器特性的电平检测器,逻辑门及延时环节组成,其原理如图3-2-7。 零速封锁器的作用是:当给定电压及速度反馈电压均为零时(即调速系统在停车状态),封锁电压调节器的输出,保证电机不会低速爬行或者系统在零速时出现振荡。 两个“山”型电平检测器分别对给定和速度反馈信号进行检测,当输入信号为正值时,通过二极管VD1和VD3分别进入运放的反向输入端,而当输入信号为负值时,则通过VD2和VD4进入运放的正相输入端。故当输入信号绝对值大于某值时(0.3V左右)时,运放输出始终为负值,通过二极管VD9和VD10钳位至-0.7V,作为“0” 信号,当输入信号的绝对值小于某一整定值时(0.2V左右),则运放输出正电压,作为“1”信号。因此可得到如图3-2-8所示的“山”型继电特性。 图3-7-2零速封锁器的“山”型继电特性 当电平检测到输入电压大于0.3V时,其输出为低电平“0”,当电平检测到输入电压小于0.2V时,其输出为高电平“1”。两个电平检测器的输出经与门和非门后,V2的基极为低电平,V2导通,零速封锁器输出约为-15V的电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极,使其关断,从而使电压调节器开放工作,在出现故障时,电平检测器输出低电平“1”,V2基极为低电平,则V2截止,零速封锁器输出0V电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极,使其导通,使调节器的反馈环节短路,输出为“0”。 电容C3和电阻R25起延时作用,当与门输出由低电平跳变到高电平时,该电电位由正电源向C3和R25充电,其电位逐渐升高,从而避免在低速运行或换向过程中引起误封锁。 面板上装有S1开关,当开关拨到“封锁”时,零速封锁器处于工作状态;当S1开关拨到“解除”时,零速封锁器处于关闭状态。3.8转矩极性鉴别DPT 转矩极性鉴别为一电平检测器,用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个由比较器组成的模数转换器,可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图G所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图H所示,具有继电特性。 调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环宽度为:Uk Usr2一Usr1 K1Uscm2一Uscm1 式中,K1为正反馈系数,K1越大,则正反馈越强,回环宽度就越小;Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压; Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V,环宽大时能提高系统抗干扰能力,但环太宽时会使系统动作迟钝。 图3-8-1 转矩极性鉴别原理图 图3-8-2转矩极性鉴别器的输入输出特性3.9零电平检测DPZ 零电平检测器也是一个电平检测器,其工作原理与转矩极性鉴别器相同,在控制系统中进行零电流检测,当输出主电路的电流接近零时,电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零,输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图3-2-10和图3-2-11所示。 图3-9-1零电平检测器原理图3-9-2零电平检测器输入输出特性3.10逻辑控制DLC 逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统,其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进行逻辑运算,切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲,以实现系统的无环流运行。其原理图如图3-2-12所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推电路和功放电路等环节组成。图3-10-1逻辑控制器原理图1逻辑判断环节 逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态,正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换由UM是否变换状态决定及切换条件是否具备由UI 是否从“0”变“1”决定。即当UM变号后,零电平检测到主电路电流过零UI “1”时,逻辑判断电路立即翻转,同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。2延时环节 要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作,必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF 后,经关断等待时间t1(约3ms)和触发等待时间t2约lOms之后才能执行切换指令,故设置相应的延时电路,延时电路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延时作用,VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用。 3逻辑保护环节 逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时,UZ、UF的输出同时为“1”状态,逻辑控制器的两个输出端Ulf和Ulr全为“0”状态,造成两组整流装置同时开放,引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当UZ、UF全为“1”状态时,使逻辑保护环节输出A点电位变为“0”,使Ulf和Ulr 都为高电平,两组触发脉冲同时封锁,避免产生短路和环流事故。4推环节 在正、反桥切换时,逻辑控制器中的G8输出“1”状态信号,将此信号送入调节器的输入端作为脉冲后移推信号,从而可避免切换时电流的冲击。 5功放电路 由于与非门输出功率有限,为了可靠的推动Ulf、Ulr,故增加了V3、V4组成的功率放大级。 第四章、双闭环调速系统的设计及参数计算4.1设计准备图4-1-1 直流电动机变流装置系统结构框图 设直流电动机的规格如下:PN120KW,IN780A,nN1000r/min,Ra0.05,R0.12。折算到直流电动机轴的飞轮力矩惯量GD287.5N?m2。 变流装置采用三相桥式整流电路,晶闸管触发整流装置放大倍数Ks40平均延迟时间D0.0017s。 平波电抗器电阻电感 Ls0.639*230/(0.05*IN)3.77mH。 给定电压Usn、速度调节器限幅电压Usim、电流调节器限幅电压Ucm取UsnUsimUcm10V。系统固有部分的主要参数计算(1)电动机的电磁时间常数0.032s(2)电动机的电动势常量0.191Vmin/r(3)电动机的转矩常量0.1911.8241Nm/A(4)转速惯量0.2333Nmsmin/r(5)机电时间常数 0.0804s2.预先选定的参数(1)调节器输入回路电阻R0 为简化起见,调节器的输入电阻一般均取相同数值,通常选用1060K,本实例取R010 K+10 K 20K(2)电流反馈系数设最大允许电流Idm2.5IdN,有Idm2.57801950A0.005V/A(3)速度反馈系数0.01Vmin/r(4)电流滤波时间常数Tfi及转速滤波时间常数Tfn 由于电流检测信号和转速检测信号中含有谐波分量,而这些谐波分量会使系统产生振荡。所以需加反馈滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号中的谐波分量,但同时也给反馈信号带来惯性的影响,为了平衡这一惯性的影响,在调节器给定输入端也加入一个同样参数的给定滤波环节。电流滤波时间常数Tfi一般取13ms,转速滤波时间常数Tfn一般取520ms。对滤波时间常数,若取得过小,则滤不掉信号中的谐波,影响系统的稳定性。但若取得过大,将会使过渡过程增加,降低系统的快速性。 本例中取 Toi2ms0.002s Ton10ms0.01s4.2电流调节器的设计电流环框图的建立及化简 电流环框图如图所示,由于转速对给定信号的响应时间较电流对给定信号的响应时间长得多,因此在计算电流的动态响应时,可以把电动机的转速看成恒量。而恒量对动态分量是不起作用的,因此,为简化起见,可把反电势略去。 将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。 由于Tfi(0.002)和D(0.0017)较Ta(0.032s)小得多,所以可把前两者构成的小惯性环节合并。Ti0.002+0.00170.0037s电流调节器的设计确定系统的类型 对电流环,可以校正成典I系统,也可以校正成典II系统应根据生产机械的要求而定,一般对抗扰性能要求不是特别严格时均采用典I系统设计即可。现将电流环校正成典I系统。电流调节器的选择 显然,欲校正成典I系统,电流调节器应选用PI调节器。其传递函数为 而 电流调节器参数的选取按二阶最佳系统设计,取TiTa0.032s根据要求,稳态无静差:i5%,选择0.707,得电流开环增益:KI0.5/ Ti0.5/0.0037135ACR比例系数:2.595 设取调节器的输入电阻R060 K,则RiKiR02.59560 155.7K0.21F0.051F4.3转速调节器的设计 1转速环结构框图的建立及化简图4-3-1转速环的动态结构图(用等效环节代替电流环)图4-3-2转速环的动态结构图(等效成单位负反馈系统和小惯性环节近似处理)图4-3-3 转速环的动态结构简化图(校正后成为典型II型系统) 电流环简化后可视为转速环中的一个环节,为此需求出它的闭环传递函数。由4-3-3可得,忽略高次项,可以降阶近似成。接入转速环内,电流环等效环节的输入量应该为,因此电流环在转速环中应等效为 。这样,原来是双惯性环节的电流环控制对象,经闭环控制后,可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节,如图4-3-1。这就表明,电流的闭环控制改造了控制对象,加快了电流的跟随作用,这是局部闭环(内环)控制的一个重要功能。速度环框图如图4-3-2所示,将非单位负反馈变换成单位负反馈系统,并把两个小惯性环节合并。 2速度调节器的设计 和电流环中一样,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内,同时将给定信号改成,再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为的惯性环节,其中,则速度换结构框图可简化为图4-3-2。 为了实现转速无静差,在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节,它应该包含在转速调节器ASR中,见图4-3-2,现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节,因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节,所以应该设计成典型型系统,这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。显然,欲校正成典II系统,速度调节器应选用PI调节器。其传递函数为: 式中,表示转速调节器的比例系数;表示转速调节器的超前时间常数。 这样调速系统的开环传递函数为: 2转速调节器参数的选取 由图4-3-3与上两式比较可得: 按三阶最佳系统设计,跟随和抗扰动性能都较好的原则,取,则ASR的超前时间常数为:。 可求得转速开环增益: 比较式4-22与式4-23进而可得ASR的比例系数: 2.21 3检验近似条件 转速环截止频率为: 1电流环传递函数简化条件为: ,满足简化条件。 2转速环小时间常数近似处理条件为: ,满足简化条件。 3验证调速系统空载起动到额定转速时的转速超调量: ,满足设计要求。 4计算调节器电阻和电容 已知转速调节器的输入电阻,则 2.212044.2取40。 2.2F ,取 至此,双闭环直流调速系统的理论设计初步完成,但还需实际调试和修正。4.4系统设计小结 在实验室模拟条件下,所设计的直流双闭环调速系统可以满足四辊冷轧机所要求的性能指标:(1),;(2)稳态时,转速无静差;(3)能够快速起动、制动;由于进行实验调试的实际系统有很大差别,并且目前我们所学有限,能力有限,所以设计中对实际问题的一些方面考虑不多,主要放在了双闭环直流调速系统的设计上。 第五章、小结 三周的课程设计,让我进一步巩固了这一学期来的所学,也回顾了一下电力电子及电机拖动等方面的相关知识,锻炼了自己对知识综合运用的能力,也加强了自己发现问题和解决问题的能力。 在运动控制系统的实验过程中,从一开始的整定相位到后面的综合调试,我们碰到了许许多多的问题,也曾经积极的思考,再结合同学、研究生师兄以及老师的帮助,我们最终成功地完成了实验任务。 课程设计过程中,我们遇到了许多的难题,比如触发电路的设计,在老师的指导下,我们才知道在调节器中必须加入零速封锁器才能让系统安全稳定的运行。一度觉得想要在三周里完成有点不可能,幸好我们在做实验的时候,无意中发现了一幅双闭环直流调速系统的原理图,令我们茅塞顿开,许多问题迎刃而解,这才能较好完成此次课设任务。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,才能真正掌握技术,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在课程设计伊始,申教授就告诉我们这次课程设计是跟实际工厂控制系统调试差不多的,对我们帮助非常大。我们也非常努力认真地完成了这次课程设计。 总而言之,此次课程设计让我受益良多,让我知道了知识结合运用的重要性,又一次体会到了团队合作的重要性,当然也少不了向老师和同学请教的重要性。参考文献电力电子技术(第4版)王兆安,黄俊机械工业出版社电力控制自动控制系统?运动控制系统(第3版)陈伯时机械工业出版社电机原理与拖动彭鸿才机械工业出版社自动控制原理胡寿松科学出版社自动控制系统实验指导书 欧阳昌华、刘建良中南大学教材科附录:逻辑无环流系统的调试6.1系统实验调试概述实验目的:熟悉和掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试方法和步骤;通过实验,分析和研究系统的动、静态特性,并研究调节的参数对动态品质的影响;通过实验,提高自身实际操作技能,培养分析和解决问题的能力。实验内容:各控制单元调试;整定电流反馈系数,转速反馈系数,整定电流保护动作值;测定开环机械特性及高、低时速的静特性;闭环控制特性的测定;改变调节器参数,观察、记录电流和速度走动、制动时的动态波形。技术指标:电流超调量,并记录有关参数对的影响;转速超调量,并记录有关参数对的影响;用示波器测定:系统走动、制动、由正转到反转的过渡时间;稳态转速无静差。实验调节步骤:双闭环可逆调速系统调试原则: 先单元,后系统; 先开环,后闭环; 先内环,后外环 先单向(不可逆),后双向(可逆)。系统开环调试系统开环调试整定:定相分析:定相目的是根据各相晶闸管在各自的导电范围,触发器能给出触发脉冲,也就是确定触发器的同步电压与其对应的主回路电压之间的正确相位关系,因此必须根据触发器结构原理,主变压器的接线组别来确定同步变压器的接线组别。90的整定制定移相特性带动电机整定和系统的单元调试ASR、ACR和反相器的调零、限幅等逻辑单元(DLC)的转矩特性和零电流检测的调试电流闭环调试(,等相关参数的整定)转速闭环调试(,等相关参数的整定)6.2触发器的整定先将DJK02的触发脉冲指示开关拨至窄脉冲位置,合DJK02中的电源开关,用示波器观察A相、B相、C相的三相锯齿波,分别调节所对应的斜率调节器,使三相锯齿波的斜率一致。观察DJK02中VT1VT6孔的六个双窄脉冲,使间隔均匀,相位间隔60度。触发器移相控制特性的整定; 如图6-1所示,系统要求当时,电机应停止不动。因此要调整偏移电阻,使。 图6-2-1触发器移相控制特性测得当时所对应的值,该值将作为整定ACR输出最大正限幅值的依据;测得当时所对应的值,该值将作为整定ACR输出最大负限幅值的依据。6.3系统的开环运行及特性测试高速特性的测试:逐步增加给定电压,使电动机启动、升速。调节和滑动变阻器的阻值,使电机电流,转速。给定保持不变,做得高速特性如表6-1所示。 改变滑动变阻器,使负载电流由1.2A下降,并记录所对应的转速和整流电压,即可测出高速时的开环机械特性。表6-3-1 电机高速特性Id1.210.80.6Ud266267269271nr/min1617165316961736低速特性的测试:调节和滑动变阻器的阻值,使电机电流,电机仍然旋转,转速左右。测得低速特性如表6-3-2所示。 表6-3-2 电机低速特性Id1.210.80.60.40.2Ud777880828388nr/min336379418460505565电机高低速开环特性如图所示:图6-3-3 电机高低速开环特性图速度反馈特性的测试:改变uct,使电动机的转速分别为下列表中所示,读出所对应的反馈电压ufn的大小,作出uf(n)特性,并检查其反馈的线性度表6-3-4 电动机的转速反馈特性n(转/分)1600140012001000800600400200Ufn(V-6.0-5.3-4.5-3.8-3.0-2.3-1.5-0.8 图6-3-5 电机转速反馈的线性度6.4系统单元调试电流调节器ACR的调试先切断主电路和励磁电源开关,切断DJK02中的电源开关;合电源总开关和DJK04中的电源控制开关,DJK04中的电源控制开关,DJK04中的给定电位器逆时针调至零位,使给定为0V。将ACR接成比例调节器,给定为0V,调节放大器调零电位器RP4,使其输出为0V。给定 为正信号,其输出应为负,调节负限幅电位器RP2,使给定继续增大,其值不变。给定为负信号,其输出应为正,调节负限幅值3V。当给定继续增大,其值不变。速度调节器ASR的调试调试方法同ACR的调试方法,但输出的正负限幅值为。反相器AR的调试将输出给定单元输出直接输入AR的输入端,用万用表测量输入与输出,特性就满足式(6-1)。 4、 系统整体调试合保护电路开关电动机励磁开关控制电源开关合直流高速主电源开关。系统动态波形的观察与性能指标分析。 闭环机械特性的测定:先将系统停下来,将发电机输出接滑动变阻器,调节调动变阻器和速度给定,使,给定不变,调节滑动变阻器使下降,从而测出其高速机械特性。 低速机械特性仿照开环系统方法进行。 调节活动变阻器,使左右,观察系统从原始突加正向起动正向运行突给正向停车的转速和电流的波形。测试系统对扰动信号的抵抗能力。电机起动后在稳态情况下,先使主回路电流左右。 突加负载(使),用示波器观察电动机转速变化情况; 突降负载(使左右),同样用示波器观察电动机转速变化情况。 目 录第一章 、设计概述11.1、设计目的11.2、设计内容11.3、课题设计要求1第二章 、调速方案选择32.1 直流调速的一般原理32.2 开环直流调速系统32.3 转速负反馈直流调速系统52.4 带电流截止负反馈的直流调速系统62.5 双闭环直流调速系统7第三章 、双闭环调速系统结构以及各功能模块概述113.1 双闭环调速系统结构概述113.2速度调节器123.3电流调节器133.4锯齿波同步移相触发电路143.5电流反馈与过流保护153.6转速变换163.7零速封锁器173.8转矩极性鉴别DPT193.9零电平检测DPZ193.10逻辑控制DLC20第四章、双闭环调速系统的设计及参数计算224.1设计准备224.2电流调节器的设计234.3转速调节器的设计244.4系统设计小结27第五章、小结28参考文献29附录:逻辑无环流系统的调试306.1系统实验调试概述306.2触发器的整定316.3系统的开环运行及特性测试326.4系统单元调试33