中南大学运控课设-四辊冷轧机直流调速系统的设计(共39页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上运动控制课程设计四辊冷轧机直流调速系统的设计学院： 信息科学与工程学院 班级： 自动化1002班 姓名： * 学号： * 指导老师： 董 密 日期： 2013年1月7日 目录前言直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促使电力传动控制技术迅猛发展。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高品质的动力。尽管目前交流调速技术日趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性使得交流调速受到广泛用户的欢迎；但是直流调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场。四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，属于冷轧机械技术领域。四辊可逆冷轧机直流调速系统已广泛应用于工业生产。它提高了生产效率，减少了能耗，为社会带来极大的效益。所以设计合理、高效的四辊冷轧机直流调速系统是非常有必要的，也是工业实际生产所迫切要求的。晶闸管电动机调速系统（简称V-M 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。在许多大型的钢铁行业和材料生产行业中，为获得良好的控制性能，大量使用直流电动机调速系统，尤其是直流双闭环调速系统，它具有调

2、速性能好，调速范围宽，动态性能好等优点。因此本次课程设计选择用逻辑无环流控制的可逆晶闸管电动机调速系统来调节电动机的速度以满足生产工艺要求。本文结构组织如下：第一章为课程设计的要求，第二章为主电路和控制电路的设计方案及其论证，第三章为组成该系统各单元的分析说明，第四章为主电路的主要设备的设计，第五章为电流环和转速环的设计，第六章为系统的调试和校验，第七章作为本次课程设计的总结。由于时间仓促及水平有限，设计中不妥或疏漏之处在所难免，恳请各位老师和同学批评指正。 徐陈锋 2013年1月 第一章 四辊冷轧机直流调速系统的设计概述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（1）根据工艺要求，论证、分析、设

3、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 1.3.1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：i=1；四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，属于冷轧机械技术领域。其工作原理如图1所示。四辊冷轧机由机架上、下支持

4、辊和上、下工作辊组成。上支持辊安装在机架的工作窗口的上方，下支持辊安装在机架的工作窗口的下方，上、下工作辊安装在工作窗口的中部，并且共同位于上、下支持辊之间。其中，上工作辊分别与上支持辊和下工作辊辊面接触，而下工作辊与下支持辊辊面接触。该冷轧机的特点是：在机架上并且在对应于上、下工作辊的长度方向的进带口一侧设有一对彼此保持前后对应关系的第一、第二带材张力调整机构。优点是：由于在机架上和对应于上、下工作辊的进带口一侧设置了第一、第二带材张力调整机构，从而能使带材在保持所需的张力下进入上、下工作辊进行轧制，保证轧制出的带材具有整体匀致的效果。为了提高生产效率，要求轧机能够往返轧制金属材料。故冷轧机左右两边的两台卷取机在从左往右正向轧制过程中，左边卷取机作开卷机用，电动机工作在发电状态；右边卷取机作卷取机用，电动机工作在电动状态。如果逆向轧制，右边卷取机作开卷机，电动机工作于发电状态；左边卷取机作卷取机用，电动机工作于电动状态。因此，两台电动机的参数完全一样。四辊冷轧机的两台直流电动机既需要正转，也需要反转；而且常常还需要快速的起动和制动。所以其直流调速系统必须能够四象限运行，即设计成可逆调

5、速系统。下附轧机原理简图： 带材 V负 V正 作开卷机 作卷取机轧机（轧辊）作开卷机用 作卷取机用图1 辊机原理简图1.3.2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。1.3.3直流电动机参数=120Kw，=230v，=780A，=1000r /min, =0.05，电枢回路总电阻R=0.12，电流过载倍数=2.25，=87.5第二章 主电路和控制电路的设计直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流调速系统方案的论证主要包括三部分：调速方法的确定；主电路的确定；控制电路的确定。2.1 调速方法的设计由直流电机转速方程 可知有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通 F；（3）改变电枢回路电阻 R。2.1.1调压调速图2-1 调压调速特性曲线 图2-2 调磁调速特性曲线工作条件： 保持励磁 F = FN；保持电阻 R = Ra ;调节过程： 改变电压 UN U n ， n0 ;调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移，机械特性较硬

6、。将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以 得到的调速范围可以达到很宽，而且能实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。 2.1.2 调磁调速 工作条件：保持电压 U =UN ；保持电阻 R = R a ；调节过程：减小励磁 FN F n ， n0 ;调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。其特性如图2-2所示。保持电源电压为恒定额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁能力，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而且更重要是可以实现无级调速，但由于电动机的换向能力有限以及机械强度的限制，速度不能调节太高，从而电动机的调速范围也就受到限制。2.1.3 调阻调速 图2-3 调阻调速特性曲线图 工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电压 U =UN ；调节过

7、程：增加电阻 Ra R n ，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。其特性如图2-3所示。在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢中串不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即斜率不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，成本低，但外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，只能适应对调速要求不高的中小功率电动机。通过以上分析，我们知道弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围。串电阻调速只能是分段调节，不能实现无级调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制，严重影响生产的效率和质量。而本系统要求电动机能够实现快速起、制动，且要可逆运行和无静差。所以以上两种调速方案都不可行。调压调速的方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向

8、是基速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。这种方法完全可以满足四辊冷轧机的生产工艺要求。所以本系统的电机调速方案确定为调压调速。2.2 系统主电路方案的设计 由设计要求可知：系统的直流电动机需要可逆运行。即要求电动机能够产生正向和反向转矩。由电动机转矩公式Te = CmF Id 可知：有两种方法可改变转矩方向，一是改变电动机励磁F 的方向（即励磁可逆），二是改变电枢电流的方向（即电枢可逆）。 2.2.1励磁反接可逆电路我们可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向进而使电动机改变转向。晶闸管反并联励磁反接可逆线路如图2-4所示。电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。虽然采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少，可以实现电动机的正反转，但是由于电动机励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢，改变转向时间长，这将很难满足四辊冷轧机直流调速系统快速性的要求。也就很难使得生产出来的产品达到生产工艺的要求。所以我们不能选择励磁反接这一控制方案。图2-4 晶闸管反并联励磁反接可逆线路2.2.2 电枢反接可逆电路电枢反接可逆线路的形式有多种，主要有以下3种方式：（1）接触器开关切换的可逆线路（2）晶闸管开关切换的可逆线路（3）两组晶闸管装置反

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