四辊压延机直流调速系统的设计

1、 中南大学本科课程设计题 目 四辊压延机主传动直流调速系统的设计 专 业 班级学号 学生姓名 指导老师 完成时间 中南大学信息科学与工程学院前 言直流电动机双闭环调速系统在工程中应用广泛，为了使系统具有良好的静态性能和动态性能必须对系统进行设计。特别是大型的钢铁行业和材料生产行业，为达到很高的控制精度，速度的稳定性，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，尤其是直流双闭环调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。在此本人就飞机生产制造行业中的对必不可少的四辊压压延机主传动直流电机的调速，作了以下设计，以满足飞机轮胎制造工艺的生产要求。目录1. 概述31.1 设计目的与背景31.2 设计任务31.3 设计要求42 设计方案比较论证52.1 直流电机调速方法论证52.2 主电路方案论证72.

2、3 控制电路方案论证82.4 方案的确定123 参数计算143.1 主电路参数计算143.2 控制电路参数计算164 系统各模块功能分析204.1 信号给定单元204.2 速度调节器（ASR）204.3 电流调节器（ACR）214.4 反号器单元224.5 零速封锁单元234.6 转矩极性单元244.7 零电流单元254.8 无环流逻辑控制单元254.9 触发电路265 实验调试275.1 实验题目275.2 实验目的275.3 实验内容275.4 双闭环可逆调速系统调试原则275.5 实验步骤及实验数据275.6 实验总结306 设计总结31参考文献32附录：系统原理图1. 概述1.1 设计目的与背景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、查阅文献以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

3、设计说明书的能力。1.2 设计任务四辊压延机主传动直流调速系统的设计：压延机生产线主要是生产飞机轮胎的生产线，而四辊压延机又是飞机轮胎生产厂家的最关键的生产设备。它运行的质量直接影响生产出来的飞机轮胎的质量的好坏，也同时直接对对飞机安全性有重大的影响，所以对四辊压延机的控制是至关重要的。生产工艺流程如下：帘布放布机 接头疏化机 前三辊电动机 储布机 前四辊电机 干燥辊 四辊压延主机（主机1，2） 后四辊电机 2套卷取机 仓库 放 接 前 储 前 干 四 后 2 布 头 三 布 四 燥 辊 四 套 机 疏 辊 架 辊 辊 压 辊 卷 化 电 电 延 电 取 机 动 机 主 机 机 机 机 1.3 设计要求1、控制要求1）在压延前，必须给干燥辊加热6080度，给主辊加热到70度左右（不至于使得橡胶冷却硬化）。 2）所有直流电机可单动也连动，并要求电枢可逆。3）联动时，前四辊主机与后四辊不允许单动，而前三电机可单独停（便于帘布的疏化接头），因有储布机架，也不影响后面的工作，卷取机也可以单独停（便于两台卷取换卷）。4）两台压延主机必须同时启动，停车，或者加速，减速，而且它们的技术指标完全相同。

4、5）前张力区的张力（最大为1000KG）通过前四辊电动机来控制，后张力区的张力（最大为1500K）由后四辊电动机来控制。6）在给定压延张力情况下，其压延速度由操作人员通过改变主机的速度来达到。例如压延速度升高，使得前张力升高，通过控制器使前四辊电动机升速，使前张力维持不变。同理后张力减少了，使后四辊电动机升速，使得后张力维持不变。从而联动时使主机的前后张力基本维持不变下，速度也达到协调。2、技术指标四辊压延机主传动机1，2其电动机参数完全一致，要求相同只设计其中一个即可，稳态无静差，电流超调量, 空载启动至额定转速时的转速超调量 ，且启动时尽量避免电流的过大冲击。电机有关参数：， ，电枢回路总电阻 ，电流过载倍数2 设计方案比较论证2.1 直流电机调速方法论证对于直流电动机调速的方法有很多，而且各有它自己的优点和不足。根据直流电机转速方程： 由上式可以看出，电动机有三种调节转速的方法：1、弱磁调速通过改变励磁线圈中的电压，使磁通量改变（增大，磁通量增大；反之亦然）。特点：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

5、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。由弱磁调速方法的特点可以看出，功率损耗小，特别是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，为生产节约了生产成本。这是它的优点。但同时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的范围要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求大约在 750r/min,转速实现可逆，很明显这种调速方法难以做到这一点，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。2、串电阻调速在电枢回路中串入电阻(大小根据实际需要)，使电机特性变软特点：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢中串如不同阻值的电阻时，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

6、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。串电阻调速，这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。但它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，容易产生张力不平稳，难以控制，造成经常断带，严重影响轮胎生产的效率和质量。3、调压调速特点：在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，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。采用调压调

7、速的调速方法，这种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，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。这种方法完全满足了飞机轮胎生产工艺的要求，它是基速下，运行平稳，可实现正反转运行。鉴于以上对各种调速可行性方案的论述，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。2.2 主电路方案论证主电路主要是指电源装置和执行机构（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以在此就电源装置进行可行性和优越性比较论证。直流电动机的调压调速方法有两种，具体是：1、晶闸管可控整流装置调速通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。电路如下图所示。电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置是SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠性也比较高，技术成熟等优点。设计的对象电机系统的容量是125KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来

8、相对简单。不过由于也存在正反组问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。2、脉宽调制晶体管功率放大器（PWM调压调速控制）电源装置采用PWM调压，利用的基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出响应相同。SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。上图为PWM可逆电路，正反组分别对电动机供电，实现电动机的正反转运行。首先它需要先将交流转换为直流，再通过H桥式电路直流斩波，调节输出电压的平均值。这里同样需要逻辑控制正反组IBGT的导通与关断，以免发生直流直通短路。这种方法虽然可以实现，但实现相对复杂，而且制动控制较为复杂，关键是IGBT容量相对晶闸管容量小，限制了电动机的容量不能做的很大。综上所述，综合考虑比较两者的优缺点、可实现性以及课程设计实验，可调电源电路采用前者，既使用晶闸管可控整流装置调压调速。 控制电路方案论证对电动机运行的控制调节方法有几种控制策略方法：1、采用开环控制直流调速系统其系统原理图如下：开环控制直流调速系统调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行

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