四辊压延机传动直流调速系统 本科课程设计

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  题    目：四辊压延机传动直流调速系统

专业班级：自动化0301班

学    号：    0901030116              

  学生姓名：           谢  明  磊            

  指导教师：申群太

  完成时间：2017-1-29

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，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。近年来，在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代，因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制（PWM）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。然而，直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统，所以它在工业生产中还占有相当大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

调速系统按照不同的标准又可分为不同的控制系统。但是，从一定角度上来说，可以把调速系统笼统的分为开环调速系统和闭环调速系统。开环调速系统结构简单、容易实现、维护方便，但是它的静态和动态性能往往不能满足生产和控制要求。而闭环控制系统可以很好的解决这些问题，因此在实际生产中得到了广泛的应用。其中，转速、电流双闭环控制直流系统是性能最好、应用最广的直流调速系统。

本次课程设计通过对四辊压延机主传动直流调速系统的设计对双闭环直流调速系统做一个基本的介绍。

关键词：直流拖动控制系统  双闭环直流调速系统

目录

• 设计目的和内容              5
  
  • 设计目的              5
  • 设计题目              5
    
    • 生产工艺流程              5
    • 控制要求              5
    • 设计要求              6
    • 主机1或2直流电动机参数              6
      

• 设计过程                            6
  

• 整体设计              6
  
  • 主电路方案设计              7
    
  • 控制电路方案设计              9
    

• 系统运行特性              11
  
  • 系统电路原理图              11
  • 系统静态和动态结构框图              12
    
  • 单元模块设计及参数计算              13
    

• 实验过程              18
  

• 实验目的              18
  

• 实验内容              18
  

• 实验设备              18
  

• 实验步骤              19
  
  
  
  
  
  
  • 双闭环可逆调速系统调试原则              19
  • 系统的开环调试              19
  • 系统各单元的调试和参数整定              19
  • 电流环闭环调试（电动机不加励磁）              20
  • 速度环闭环调试（电动机加额定励磁）              20
  • 实验数据              20
  • 分析与结论              21
    

• 结论                            22            
• 参考文献              22
  

一、设计目的和内容

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，运动控制系统的设计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、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、设计题目

压延机生产线主要是生产飞机轮胎的生产线，四棍压延机是飞机轮胎生产厂家最关心的生产设备。

1.2.1、生产工艺流程

帘布放布机              接头硫化机              前三辊电机              储布机            

前四辊电机     干燥      四辊压延主机     后四辊电机

2台卷机              仓库

1.2.2、控制要求

（1）在压延前，必须给干燥辊加热60到80的度（供帘布烘干水分），给主辊加热到70度左右。

（2）所有直流电机可单动也可连动，并均要求电枢可逆。

（3）连动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三点饥可单独停（便于帘布的硫化接头），因有贮布架，也不影响后面的正常工作，卷取机可单独停（便于2台卷取换卷）。

（4）两台压延主机必须同时起、停或加、减速，且控制要求和技术指标完全相同。

（5）前张力区的张力（最大为1000Kg）通过前四电机来控制，后张力区的张力（1500Kg）有后四电机来控制。

（6）在给定压延张力的情况下，其压延速度有操作人员通过改变主机速度来达到。

1.2.3、设计要求

四辊压延机主传动机1和2的参数相同，要求相同，只设计其中一台即可。稳定无静差，电流超调量s《5%，空载启动至额定转速时的转速超调量s《10%，且起动是尽量避免电流的过大冲击。

1.2.4、主机1或2直流电动机参数

Pnom=125kw, Unom=200V,Inom=640A,nnom=750r/min,Ra=0.08欧，电枢路总电阻R=0.15欧， ,电流过载倍数λ=1.5

二、设计过程

2.1、整体设计

因为生产机械要求压延机主传动电机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的起动和制动，这就需要所设计的电力拖动系统具有四象限运行的特性（如图1）。

2.1.1、主电路方案设计

针对上述工作机械特性，选取主电路设计方案：

方案一：G-M系统调速

G-M系统（国际上通称Ward-Leonard系统）是通过用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。其工作原理是由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流If即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。电路原理图见图2

图2旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）

由图可见，无论正转减速还是反转减速时都能实现回馈制动，因此G-M系统可以在允许转矩范围内四象限运行。但是该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大费用高，效率低，安装需打地基没，运行有噪声，维护不方便。

方案二：可逆V-M系统调速

晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VF、VR 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。

与G-M系统相比较,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10000以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，所以只好采用正、反两组全控整流电路并联来实现电机四象限工作，变流设备增加一倍。电路原理图见图3

图3 可逆晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）

另外，V-M系统中晶闸管对过电压、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。另外，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”。

方案三：桥式可逆PWM变换器调速系统

PWM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。

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图4所示。图中，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里选用的是最常用的双极式控制可逆PWM变换器调速系统。

可逆PWM系统主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。但是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，较由SRC做整流装置的V-M系统小的多。这对于所要求设计的四辊压延机传动调速系统是不利的。

综上所述，考虑到三种方案的优缺点，选择第二种方案。

2.1.2、控制电路方案设计

方案一：带电流截止负反馈和PI调节器的单闭环速度反馈调节方法

该调节方法实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等很简单。由于采用了PI调节器，能够实现无静差；采用了单闭环速度反馈，能够满足较高的调速范围和静差率的要求。但是，因为所要求设计的系统控制要求中，对张力的最大值有限制，所以采用了电流截止负反馈将电流截止的幅值位置顶在张力最大的位置，当电流值超过限幅值后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形，从而使加速过程拖长。这对于所设计的经常要求正、反转的调速系统很不利，不仅减慢了电动机的起、制动时间，还可能由于难以把握电流的动态过程，产生断带，张力不均匀等现象。

方案二：转速、电流双闭环直流调速方法

该方法的电流还（内环）和速度环（外环）均采用PI调节器，以实现稳态无静差。由于采用了双闭环结构，使电机在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后，只有转速负反馈，电流负反馈不再发生作用，从而获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，实现在允许的条件下最快起、制动。其起、制动时转速和电流波形分别见图5和图6

图5双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

图6 可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形

由上面两图可以看出，双闭环在起，制动过程中都有一段恒定电流的加速或减速的过程，可以很好的满足生产要求。

综合上面两种控制电路设计方案的优缺点，我选择第二种设计方案。

2.2、系统运行特性

2.2.1、系统电路原理图

由2.1中所述，本课程设计我采用可逆转速，电流双闭环直流调速系统，转速和电流调节器均采用PI调节器，以实现稳态无静差；为了限制可逆系统的环流，将系统设计成逻辑控制无环流可逆调速系统。基本电路原理图见图7

如图所示，该系统主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，以实现电机四象限工作。由于没有环流，不用设置环流电抗器，但仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续。控制系统采用转速、电流双闭环方案，电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR；

1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节；它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号Ublf用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放，以保证同同一时间内只有一组晶闸管装置工作，防止产生环流和逆变失败。

    实际电路中还需要加入零速封锁单元、转矩极性单元和相应的保护电路，以提高系统的鲁棒性。

图7逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图

2.2.2、系统静态和动态结构框图

当系统稳定工作在某一组晶闸管装置正常工作状态下（如正组起动过程），其静态和动态结构框图与不可逆直流调速系统的系统静态和动态结构框图基本相同。见图8和图9

图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有

    本课程设计的实际电路由很多单元模块组成，这里只对主要的几个模块的设计和参数进行阐述，如ASR，ACR和主电路的一些主要设备等

Pnom=125kw,Unom=200V,Inom=640A,nnom=750r/min,Ra=0.08欧，电枢路总电阻R=0.15欧，,电流过载倍数λ=1.5

（2）变压器的付边电压确定：

因为Unom=200V，由于电机是阻感负载故 整定的范围在0度和90度之间，按取 时对变压器的付边电压进行整定。可以由三相桥式全控整流公式： ，算出 ，所以选择变压器的付边电压

（3）变压器的容量大小计算：

由于电动机额定工作电流大小为Inom=640A，过载电流是大小为1.5*Inom=960A，利用功率守恒定理， 阻抗消耗 ，考虑晶闸管的损耗和自身的损耗以及变压器也有一定的过载能力，选择的变压器容量：

（4）晶闸管参数计算：

由电机的过载倍数，我们可以算出电动机的过载电流，即最大电流：

又由 整流输出电压 ，进线的线电压是120V。

由三相桥式全控整流电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即

晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即

考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系

所以工作的晶闸管的额定容量参数选择为：

（5）电枢回路的平波电抗器计算：

电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5 %~10%。

则电枢需要串入的电枢电抗器大小可以算：

  （其中 为电枢的固有电抗值）

（6）主电路保护器件：

电路中主要的保护器件有快速熔断器FU，压敏电阻过电压抑制器RV，阀器件换相过电压抑制用RC电路，直流侧RC抑制电路，阀侧浪涌过电压抑制用RC电路等用来进行电流和电压保护，具体的保护电路设计在工厂供电的相关课程设计已做简要叙述，在此就不展开论述了。

（7）ACR设计

为了提高电流环的跟随性能以及实现无静差，需要将电流环设计成典型I型系统，将ACR设计成PI调节器。其动态模型和电路原理图分别见图10和11

图10电流环的动态结构图

图11含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

a)设计系统使转速达到额定时，给定为 7.5V，输出的限幅值为 ，取

由此可以算出：

b)计算电机时间常数：     和  

                                 算出         

计算电磁时间常数 :由前面的参数计算可知电流连续时要求电枢回路电感为1.3mh, ,又因为采用的是三相桥式整流电路，故其平均失控时间 。又为了基本滤平波头取 ，故小时间参数之和

c)计算电流调节器参数：因为要求电流超调量不大于5%，故可得

    又         

取    可得 ，取40

d)检验近似条件： ；

按照上述参数，电流可以达到动态跟随性能指标 ，满足设计要求。

（8）ASR设计

为了提高转速环的抗负载扰动性能以及实现无静差，应将将电流速度环设计成典型II型系统，将ASR设计成PI调节器。其动态模型和电路原理图分别见图12和13

图12转速环的动态结构图

图13含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

a)确定时间常数：电流环等效时间常数为

根据所用测速发电机纹波情况，取

b)计算转速调节器参数：取 ，

有

取          取120

c)检验近似条件：  

；

d)校核转速超调量：由于突加阶越给定时，ASR饱和，不符合线形系统的前提，应该按ASR退饱和的情况来计算转速超调量。      

三、实验过程

3.1、实验目的

• 理论联系实际，把“自动控制系统”、“电力电子变流技术”等课程所学的理论应用于实际，掌握和巩固可逆调速系统的组成和工作原理和主要优缺点。
• 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、静特性，并研究调节器参数对动态品质的影响。
• 通过实验，使同学提高实际操作技能，培养分析和解决问题的能力。
  

3.2、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、低速时的静特性n=f(Id).
• 闭环控制特性n=f(Id)的测定。
• 改变调节器参数，观察、记录电流和速度起制的动态波形。
  

3.3、实验设备

LY101、LY102、LY103、LY104、LY105-1-1、LY105-1-2、LY121-LY124，直流电动机-发电机-测速发电机，示波器，万用表。

3.4、实验步骤

3.4.1、双闭环可逆调速系统调试原则：

（1）先单元、后系统

（2）先开环、后闭环

（3）先内环、后外环

（4）先单向（不可逆）、后双向（可逆）

3.4.2、系统的开环调试

a)定相分析：其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。

b)用双线示波器检查主电路电源电压和同步电压是否符合合适的相位关系。

c)检查主电路电压即同步电压的相序是否依次相差120度。

d)用双线示波器检查触发器的三相锯齿波的斜率是否一致，如不一致，调节斜率电位器；观察6个触发脉冲是否均匀间隔60度；

e)调整偏移电压Up整定系统初始相位（脉冲零位），即当Uct=0V时， ，并测出ACR输出的最大正、负限幅值。

f)按图连好实验线路，检查后合开关。先使系统处于初始相位，逐步增加给定电压，使电动机启动、升速，改变负载测量高速时系统的开环特性。

g)改变给定电压和负载，使电动机低速运行，测量低速开环特性。

3.4.3、系统各单元的调试和参数整定

a)将电流反馈系数 整定为2.5，并检查电流反馈的极性是否为正以及电流反馈输入—输出特性的线形度

b)根据实际情况，将过流保护整定在2.3A动作。

c)当电机转速为1450rpm时，使速度给定为6V，由此来整定速度反馈系数 并测试速度反馈特性。

d)检查零速封锁单元的工作是否正常。

e)调整电流调节器ACR、速度调节器ASR的正、负限幅电位器，使它们的输出限幅值满足要求；用示波器观察它们的PI特性。

f)调节电位器RP2,调试反向器AR。

g)调节电位器RP1，使转矩极性鉴别器DPT的输出回环波形宽度满足要求并对称纵坐标；调节电位器RP3，使回环向纵坐标右侧移动0.1V左右，以满足逻辑判断的准确度。

h)调试逻辑控制器DLC

3.4.4、电流环闭环调试（电动机不加励磁）

a)按系统图将与电流环有关的单元全部连接起来，合上开关；逐步增加给定信号，用示波器观察电压波形6个对称波头的平滑变化。

b)给ACR突加阶跃给定信号，用示波器观察电流超调量是否满足设计要求，不符合，则改变ACR的PI参数，直到满足要求为止并确定电流环跟随电流给定信号的能力。

c)正组调试完后，再调试反组；如两组均正常，则将两组反并联。

a)按系统图将系统所有单元全部连接起来，合上开关，由零逐步增加给定信号于速度调节器输入端，用示波器观察整流电压波形。

b)给ASR突加阶跃给定信号，用示波器观察测速反馈两端的起动速度波形超调量是否满足设计要求，不符合，则改变ASR的PI参数，直到满足要求为止并确定系统跟随速度给定信号的能力。

c)正组做完后，观察反组的速度启动波形，正、反组分别正常后，反并联运行，整个系统投入工作。

d)仿照开环系统测定闭环机械特性高速和低速时的n=f(Id)特性，并比较闭环和开环机械特性的调速范围D和静差率S。

3.4.6、实验数据

    由于是时间关系，本组只测量了开环机械特性的相关数据；闭环机械特性

的相关数据和波形只用示波器观察了，而未记录。

开环高速和低速机械特性数据表分别见下页表一和表二。

a)测量开环低速机械特性时，由于实验仪器的缘故，当电流升到一定值（小于2A）时电动机就几乎停止了，这在开环机械特性曲线上表现为低速特性曲线被截去了一段。所以在测低速特性时，没有像测高速特性一样将负载电流给到2A；因为要同时保证n=100rpm和Id=2.0A，这在我们这组实验设备上是无法达到的。

b)比较从示波器观察到的开环和闭环机械工作特性，可以看出闭环调速系统的调速范围比开环系统的大，而静差率却比开环系统小地多，机械特性也比开环系统硬得多；在突加扰动信号作用下，闭环系统的抵抗能力比开环系统强，双闭环系统的抵抗能力又比单闭环系统强。

c)系统运行的稳定性、动态波形的超调量和上升时间都与PI参数有很大关系，特别是超调量对参数非常敏感。减小PI的反馈电阻、增大PI的电容值都可以减小超调量，但是却牺牲了系统的快速性。要想使系统达到满意的性能，必须不断的凑试系统电流、转速调节器以及其它部分的参数，直到符合设计要求为止。整定参数的能力也正是我们在今后的学习、工作中所必须努力提高的。

d)实验调试零电流检测器DPZ时，我们是调节电位器RP3使回环右移0.1V左右的宽度。这个宽度体现的是逻辑控制单元的控制准确性。当宽度越小时，其准确度越高，灵敏度也越高，调节RP3的值可以改变准确度和灵敏度。我们这组实验时发现突加正转给定信号时，过流保护会动作，调节PI参数后成功解决了这个问题。随后突加反转给定信号，过流保护也不会动作了，但是电动机没有反转加速，而是出现了“爬行”现象。观察到这是逻辑控制单元出现逻辑判断混乱，这是由于逻辑控制单元的灵敏度太高了，因调整电位器RP3使回环宽度增大。但此时RP3已经调到尽头，不能达到增大回环宽度的目的了。所以，在此建议将RP3更换为变化范围更大的电位器。

四、结论

通过这两周的电力拖动课程设计，我觉得自己从中受益颇多。首先，我学会了对实际问题进行设计的基本思维流程，能够具体问题具体分析；其次，使我对具体系统设计方案和实际实验调试过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。它相当于实际电力拖动控制工作的模拟；再次，将我前三年所学的专业知识进行了一次系统的总结，并通过实验将理论知识和实际相结合起来了；最后，在实验过程中遇到了一些疑难问题，我们通过小组成员间的讨论和询问老师终于将它们解决了。这不但解决了一些一直困扰我的难题，使我明白了理论知识和实际情况并不是完全一样，它们是有差别有时甚至是相矛盾的；更重要的是培养了我团队协作精神。

总之，这次课程设计使我明白了自身的不足之处以及以后的发展方向，为今后的学习和工作打下了良好的基础。

五、参考文献

• 黄俊，王兆安.电力电子变流技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2005年，19~68页
• 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统（第三版）.北京：机械工业出版社，2005年，2~90页
• 彭鸿才主编.电机原理及拖动（第二版）.北京：机械工业出版社，2005年，20~163页
• 苏文成主编.工厂供电（第二版）. 北京：机械工业出版社，2003年，115~174页