某钢厂可逆冷轧机主传动晶闸管直流调速系统设计.docx

某钢厂可逆冷轧机主传动晶闸管直流调速系统设计 1绪论1.1课题的背景、目的及意义电机自动限制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业这些行业中绝大局部生产机械都采纳电动机做原动机有效地限制电机，提高其运行性能，对国民经济具有非常重要的现实意义在20世纪90年头大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动限制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为限制供应了便捷的方式，使得电动机具有优良的启动，制动和调速性能尽管近年来直流电动机不断受到沟通电动机及其他电动机的挑战，但至今直流电动机仍旧是大多数变速运动限制和闭环位置服侍限制首选因为它具有良好的线性特征，优异的限制性能，高效率等优点直流调速仍旧是目前最牢靠，精度最高的调速方法本次设计的主要任务就是应用自动限制理论和工程设计的方法对直流调速系统进展设计和限制，设计出能够到达性能指标要求的电力拖动系统的调整器1.2本课题国内、外探究应用状况近30年来，电力拖动系统得到了快速的开展，但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动限制系统的性能，有关探究工作正围绕以下几个方面绽开： 〔1〕采纳新型电力电子器件电力电子器件的不断进步，为电机限制系统的完善供应了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向开展。

智能功率模块的广泛应用，使得新型电动机自动限制系统的体积更小，牢靠性更高传统直流电动机的整流装置采纳晶闸管，虽然在经济性和牢靠性上都有必须优势，但其限制困难，对散热要求也较高电力电子器件的开展，使称为其次代电力电子器件之一的大功率晶体管得到了越来越广泛的应用〔2〕应用现代限制理论在过去，人们感到自动限制理论的探究开展很快，但是在采纳方面却不尽人意但近年来，现代限制理论在电动机限制系统的应用探究方面却出现了蓬勃开展的兴隆景象，这 1 主要归功于两个方面缘由：第一是高性能处理器的应用；其次是在辨识，参数估值以及限制算法性能方面的理论和方法的成熟，使得应用现代限制理论能够取得更好的限制效果1.3 本课题采纳的技术及应用方案依据本课题的实际状况，宜从以下两个方面入手分析： 〔1〕直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型； 〔2〕双闭环直流调速的工程设计本课题所涉及的调速方案本质上是变更电枢电压调速，该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采纳的主要调速方案但电机的开环运行性能远远不能满意要求按反应限制原理组成转速闭环系统是减小或消退静态转速着陆的有效途径转速反应闭环是调速系统的根本反应形式。

要实现高精度和高动态性能的限制，不仅要限制速度，同时还要限制速度的改变率也就是加速度由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比因而同时对速度和电流进展限制，称为实现高动态性能电机限制系统所必需完成的工作因而也就有了转速、电流双闭环的限制构造关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统，其设计特别困难本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进展了分析 2 2 调速方案的总体选择及论证以下介绍在直流调速系统中比拟常用的开环限制、转速负反应限制、转速、电流双闭环限制等限制方法2.1直流调速的一般原理志向化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为：n?U?IR Ke?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〕Ke——由电机构造确定的电动势常数在上式中，Ke是常数，电流I是由负载确定的，因此调整电动机的转速可以有三种方法：调整电枢供电电压；减弱励磁磁通；变更电枢回路电阻对于要求在必须范围内无级平滑调速的系统来说，以调整电枢供电电压的方式为最好，变更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，往往只是协作调压方案，在基速以上小范围的弱磁升速。

因此，自动限制的直流调速系统往往以变压调速为主2.2 开环直流调速系统图2-1中VT是晶闸管可控整流器，通过调整触发装置GT的限制电压来移动触发脉冲的相位，即可变更整流电压，从而实现平滑调速 3 图2-1晶闸管——电动机调速系统(V——M系统)原理图锯齿波同步移相触发电路将在第3章介绍，其整流原理为三相桥式全控整流，通过变更触发角从而变更整流电压以进展调速，根本原理见下列图2-2所示 图2-2三相桥式全控整流电路 开环直流调速系统限制电路简洁，有利于在试验室实现，并且能实现必须范围内的无级调速，假如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限制结果的反应，限制精度不高，在须要调速的生产机械对静差率有必须的要求的场合往往不能满住要求例如龙门刨床，由于毛坯外表粗糙不平，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外表干净度，加工过程中的速度却必需根本稳定，也就是说，静差率不能太大，这时就不能运用开环直流调速系统了2.3转速负反应直流调速系统 4 为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采纳闭环限制系统(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，采纳单闭环系统，而对调速指标较高的那么采纳多闭环系统按反应的方式不同可分为转速反应，电流反应，电压反应等在单闭环系统中，转速单闭环运用较多转速单闭环系统原理图和转速单闭环系统构造框图如图2-3和2-4所示 图 2-3转速单闭环系统原理图 图2-4转速单闭环系统构造框图可见转速单闭环系统事实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改变的电压信号作为反应信号，经检测转化与给定信号相比拟并经放大后，得到移相限制电压，用作限制整流桥的“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，以变更“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反应闭环系统电机的转速随给定电压改变，电机最高转速由速度调整器的输出限幅所确定，速度调整器采纳P调整对阶跃输入有稳态误差，要想消退上述误差，那么需将调整器换成PI(比例积分)调整这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度改变起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在必须的范围内改变 5 与开环系统相比，转速单闭环直流调速系统性能更为稳定转速负反应闭环直流调速系统的静特性方程式：n=Kp*Ks*U1/Ce(1+K)-Id*R/Ce(1+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α—转速反应系数 U1—给定电压设K= Kp* Ks*α/ Ce闭环系统的转速降：ΔNcl=R*Id/(Ce(1+K))闭环系统的静差率：Scl=ΔNcl/Nn调速范围：Dcl=Nn*s/( ΔNcl*(1-s))可见经过适当调整Kp、Ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。

2.4 带电流截止负反应的直流调速系统直流电动机全电压起动时，假如没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载实力低的电力电子器件来说，更是不能允许的采纳转速负反应的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不行能马上建立起来，反应电压仍为零这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就到达它的最高值，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状况，例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时遇到坚硬的石块等等由于闭环系统的静特性很硬，假设无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值假如只依靠过流继电器或熔断器爱护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便为了解决反应闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反应，简称截流反应，保持电流根本不变，使它不超过允许值带电流截止负反应的闭环直流调速系统的稳态构造框图如图2-5所示 6 图2-5带电流截止负反应的闭环直流调速系统的稳态构造框图这种电流负反应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Id?Idcr时，电流截止负反应环节不起作 用，静特性与只有转速负反应系统的一样；当Id?Idcr后，引入了电流截止负反应，静特性变为：KpKs(Un*?Ucom)(R?KpKsRs)IdRId n??(RsId?Ucom)???Ce(1?K)Ce(1?K)Ce(1?K)Ce(1?K)Ce(1?K)KpKsKpKsUn*2.5 双闭环直流调速系统采纳转速负反应和PI调整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，假如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意须要这主要是因为单闭环系统不能为所欲为地限制电流和转矩的动态过程于是产生了通过转速、电流双闭环来限制电流和转矩的双闭环限制直流调速系统在单闭环直流调速系统中，电流截止负反应环节是特地用来限制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠剧烈的负反应作用限制电流的冲击，并不能很志向地限制电流的动态波形带电流截止负反应的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图2-6所示 7 图2-6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，受电流负反应的作用，电流只能再提升一点，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，因而加速过程势必拖长为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应当充分利用电机的过载实力，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，马上让电流降下来，使转矩立刻与负载相平衡，从而转入稳态运行，这样的志向起动过程波形示如图2-7所示。

图2-7系统志向起动过程波形这时，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应分别起作用，可在系统中设置两个调整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反应和电流负反应二者之间实行嵌套〔或称串级)联接，如下图2-8所示 8 图2-8 转速、电流双闭环直流调速系统ASR——转速调整器 ACR——电流调整器 TG——测速发电机TA——电流互感器 UPE——电力电子变换器把转速调整器的输出当作电流调整器的输入，再用电流调整器的输出去限制电力电子变换器UPE从闭环构造上看，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展分析，为分析静特性我们参考如下的系统稳态构造框图如图2-9所示 图2-9 双闭环调速系统的稳态构造图在正常运行时，电流调整器是不会到达饱和的因此，对于静特性来说，只有转速调整器饱和与不饱和两种状况，〔1〕转速调整器不饱和：CA段静特性从志向空载状态的Id=0 9 始终持续到n?ned?1600rpm。

这就是静特性的运行段；〔2〕转速调整器ASR饱和：这时ASR输出到达限幅值，转速外环呈开环状态，转速的改变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整系统，其静特性如下列图2-10。