中南大学 四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计

第一章总的设计概述

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个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

（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）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

四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计

（1）生产工艺和机械性能

四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高其生产效率，冷轧机要往、返轧制其金属材料。直到达到要求的厚度时才停止。因为要求冷轧机左右两边的两台卷取机在从左往右的正向轧制过程中，左边一台卷取机用，其

工作在发电机状态，右边一台卷取机作卷取机用，工作在电动状态。若逆向轧制（从左往右轧制），右边卷取机作开卷机，工作在发电机状态，左边卷取机则作卷取机用，工作在电动状态。

两台卷取机的电动机参数完全一样，机械参数如下：

带卷内径（卷筒直径）：500mm 带卷外径：680~1100mm

带卷最大重量：2000kg 带卷最大张力：2000kg

卷取机传动比：i=1.87

图一 设备结构简图

（2）设计要求

1、两台卷取机控制原理完全一样，仅设计其中一台；

2、技术指标：稳态无静差，电流超调量

%5≤σi ，空载启动至额定转速时的转速超调量

%10≤σn 能实现快速制动。 （3）直流电动机参数：

150n P kw

=、230n U V =、165n I A =、1400min n n r =、0.08a R =Ω 电枢回路电阻

0.18R =Ω、电流过载倍数 2.5λ=、22121.5.GD N M =。

第二章方案设计与比较论证

2.1 调速方案比较论证

根据四辊可逆冷轧机的卷宗取机直流调速系统设计的要求，以及根据其性能特点要求可以研究其如下设计方案。

我们采用晶闸管—电动机调速系统，即V—M系统。V是晶闸管可控整流器，它可以是单相、三相或多相的，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压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。即采用调压调速的方式，以实现无级基速以下调速。

晶闸管—电动机调速系统是在控制作用时间毫秒级的，完全满足系统动态性要求；而且其技术较成熟，成套设备多，成本较低，设计使用相对容易。

由于晶闸管的单向导电性它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的dv/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。而在下面的设计中我们会针对以上的不足加以改进。

此轧机要求既能正转、反转，又能快速制动，所以需采用可逆调速系统；它又带负载，所以需采用无环调速系统。由一组晶闸管装置供电的单闭环和多环调速系统中，电动机都只朝着一个方向旋转的，因此只能获得单象限的运行，而要求电动机既能正转、反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。

在有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。

2.2 具体方案和模块设计及电路设计

2.2.1 主回路设计

此系统是直流调速系统，为了获得较好的直流采用三相整流；由于生产工艺要求电机正反转，考虑到晶闸管的单向导电性，可用正反两组晶闸管反并联可逆控制系统。

其实现方式如下图：

图二主回路设计图

可逆的调速系统能满足电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，即需要电力拖动系统具有四象限运行的特性的要求。

2.2.2 控制回路设计

（1）电机控制回路的整体设计

为了满足生产工艺对电流的电流超调量的要求，并且为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。必需采用电流闭环调节环ACR。

为了满足生产工艺对电流的转速超调量和转速无静差的要求。必需采用转速闭环调节环ASR。

因此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。

有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。而本系统的容量较大，工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很，因而采用无环流控制可逆系统。即当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）根据零转矩和零电流逻辑的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，从根本上切断环流的通路。因此需要增加一个控制正反组工作的逻辑控制单元DLC。

通过分析可以确定控制系统控制回路由以下几个模块组成：给定模块、转速调节器ASR、电流调节器ACR、电流反馈模块，转速反馈模块，逻辑控制单元DLC、零转矩和零电流检测单元DPT、DPZ和一个为避免元件温升和零点漂流的零速封锁单元DZS。

图三控制系统框图