直流调速在连轧机控制系统中的应用

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1、第一章 绪 论 1.1 直流调速系统概述 直流调速是只人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。 调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。这种调速系统的电动机的转速要受到负波动及电源电压波动等外界扰动的影响。电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保

2、持一致的调速系统称为闭环控制系统。这是由于闭环控制系统具有反馈环节。 电气传动控制系统通常由电动机，控制装置和信息装置三部分组成。它能按照规定的指令，及时的控制电动机的启动，制动，运转方向，位置和加速度等，以满足工作机械及生产过程的要求。 随着电机，感器，控制器件，变流技术和控制理论的发展，电气传动控制系统也得到了很大的发展。目前，所以电机的单机容量从几百瓦发展到数百万千瓦，变流设备从旋转式电机变流机组发展到大功率晶闸管静止变流装置：中小功率自关断器件静止变频装置；控制单元从模拟量触发器，调节器。给定积分器发展到以微处理器芯片为核心的交，直流通用的数字量控制模块；系统的控制方式从手动操作的开关

3、控制发展到闭环多参量控制；电气传动以单纯的调速系统扩展为实现位置，速度，加速度控制的运动控制中的重要分支。 1.2 课题背景与研究目标 直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛的应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受到外界干扰影响，并在线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。从而致使系统的运行特性也随之变化，故系

4、统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是： （1） 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便； （2） 动态参数调整方便 （3） 系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性； （4） 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能； （5） 可采用数字反馈来提高系统的精度； （6） 容易与上一级计算机交换信息； （7） 具有信息存储、数据通信的功能； （8） 成本较低。 此次课题设计一个直流调速系统，包括主电路和控制回路。

5、主电路由晶闸管构成，控制回路主要由单片机，检测电路，驱动电路，按键输入，数码显示等构成，检测电路又包括电流检测，转速检测，电源逻辑状态检测等部分。 1.3 课题的实际意义 随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机，借助软件来实现。 即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展，最后实现全数字化。 在数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及显示等功能，同时，数字系统通常具有较强的通信能力，通过选配适当的通信接口模板，可方便地实现主站（如上一级PLC或计算机系统）和从站（单机交，直流传动控制装置）间的数字通信，组成分级多机的自动化系统

6、。为易于调试，数字系统的软件，一般设计有调节器参数的自化优化，通过启动优化程序，实现自动寻优和确定系统的动态参数以及实现如直流电动化磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用，新开发的调速系统几乎全是数字式的。与模拟系统类似，全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点，技术更先进，操作方便。 数字调速系统与模拟调速系统相对比，技术性能有如下优点： 1）静态精度高且能长期保持。 2）动态性能好，借助于丰富的软件，易于实现各类自适应和复合控制。

7、3）调速范围宽。 4）电压波动小。 5）参数实现软件化，无漂移影响。 6）所用元件数少，不易失效。 7）设定值量化程度高，且状态重复率好。 8）放大器和级间耦合噪声很小，电磁干扰小。 9）调试即投产灵活方便，易于设计和修改设计。 10）标准及通用化程度高，除主CPU模块外，仅数种附加模块。可实现，包括工艺参数在内的多元闭环控制。 11）适用范围广，可实现各类变速控制及易于实现与PLC系统通信。 由此，数字化将在未来的调速设备中得到大量应用。直流调速在连轧机控制系统中的应用 目录连轧机工作原理结构特点需要调速系统分析调速系统元器件整流模块给定模块反馈模块控制模块调控分析（1）原始条件（2）原始指

8、标（3）常用公式（4）常用基准参数综合分析（1）单环转速调控系统如何调速（2）单环转速调控系统的优缺点 第一章 连轧机（1） 工作原理 在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，而连轧则是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法。其主要特点是被轧金属同时处于若干机架之中，并沿着同一个方向进行轧制最终形成一定的断面形状。其轧制原理和过程如图所示：（2）结构特点 连续轧制的基本条件是物质流量的不变性，即S1v1=S2v2=Snvn=常数，这里 S1Sn和v1.vn分别为被轧金属的横断面积和线速度。而连轧机的电气传动则应在保证物质流量恒定的前提下承受咬钢和轧制时的冲击性负载，实现机架

9、的各部分控制和协调控制。每个机架的上下轧锟共用一台电动机实行集中拖动，不同机架采用不同电动机实行部分传动，各机架轧锟之间的速度则按物质流量恒定原理用速度链实现协调控制。 物质流量不变的要求应在稳态和过渡过程中都得到满足，因此，必须对过渡过程时间和超调量都提出相应的限制。连轧机采用计算机控制，控制功能主要包括轧件跟踪、计算机操作指导和对轧制过程各种参数设定、连续检测、控制和最优管理。第二章 调速系统元器件在我们电子设计的过程中会用到很多的电子元器件，常用的一般有电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、压敏电阻，运算放大器等。 一）电阻1碳膜电阻器：稳定性好，负温度系数低，受电压频率影响小，噪

10、声小，脉冲负荷稳定，电阻范围大（110M）。其作用：因制作简单，价格廉价，体积小，常用在精度要求不高的，电子仪器上。 2. 金属膜电阻器：有碳膜相同的特征外，还有比碳膜精度高，稳定性更好，比碳膜有明显的耐热性，体积较小，阻值范围（1-200M）。其作用：因工作频率范围大，噪声小，可用在高频电路中，但制作成本较高，主要用在高端精密的电子设备中。3. 金属氧化膜电阻器：与金属电阻相比，具有阻燃，导电膜均匀，抗氧化能力强，抗酸，抗盐，耐热。其作用：可在超高频下工作，由于电阻较小，用来补缺低电阻。4. 热敏电阻器：对热度极为敏感的半导体材料，具有灵敏度高，精度高。其作用：分为正温度系（ptc）和负温度

11、系数（ntc），常作为温度传感。5. 可变电阻器：可变电阻器是指其阻值在规定的范围内可任意调节的变阻器，它可分为半可调电阻器和电位器两类。半可调电阻器半可调电阻器是指电阻值虽然可以调节，但在使用时经常固定在某一阻值上的电阻器。这种电阻器一经装配，其阻值就固定在某一数值上，如晶体管应用电路中的偏流电阻应用：它常在收音机中作电源滤波和调整偏流用。电位器电位器是通过旋转轴来调节阻值的可变电阻器。应用：常用作分压器和变阻器，如收录机的音量调节及电视机的亮度与对比度调节等都用电位器来控制。电位器的种类很多，常见的有模式电位器、实心式电位器、绕线式电位器等三大。电容常见电容器：纸介电容器、有机薄膜电容、云

12、母电容、陶瓷电容、电解电容器、表贴电容器、空气介质可变电容等。具体的分类如下：从结构分：固定电容器、可变电容器和微调电容器。从电解质分：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。从用途分：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。三）电感1. 分类： a按电感形式分类：固定电感、可变电感。 b按导磁体性质分类：空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。c按工作性质分类：天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。d按绕线结构分类：单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。2.主要参数：电感量，品质因数，额定电流3.应用：滤波、振荡、延迟、陷波等，阻交流通直

13、流,阻高频通低频(滤波) 滤波用的。4.常用的电感有: 常用电感主要分插件(CIP)与贴片电感(SMT)两大类, 插件主要有:色环电感,扼流线圈,工字形功率电感等. 贴片电感主要有:塑封电感,功率电感,屏蔽电感.四）二极管二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管多用于开关、脉冲及高频电路

14、中。五）三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 在数字电路中常用做电子开关。三极管的分类:a.按材质分: 硅管、锗管b.按结构分: NPN 、 PNPc.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等d. 按功率分：小功率管、中功率管、大功率管e.按工作频率分：低频管、高频管、超频管f.按结构工艺分：合金管、平面管g.按安装方式:插件三极管、贴片三极管。六）压敏电阻 压敏电阻是一种过压保护元件，它有体积小，质量轻、安装简便和可恢复的优点，因此得到了广泛的应用。 七）运算放大器运算放大器是调速系

15、统中构成调节器的常用线性集成电器路，运算放大器性能好坏对调速系统的控制性能有着相当程度的影响。对高精度系统，必须选用高精度运算放大器。选择运算放大器时，首先必须考虑输入失调电压和输入失调电流要尽可能小，以提高系统的调节精度；其次，运放的输入电压峰一峰值和输出电压峰峰值范围必须满足控制电压的幅度要求；再次，运放的开环放大系数与共模抑制比要足够大，以提高灵敏度和抗扰能力；并且运放的输入电阻要大，输出电阻要小，以消除负载效应；此外，尽量选用无需外部补偿、接线简单的运放来构成调节器为好。总之，要根据系统的具体要求来选用合适的运算放大器。 第三章 调控分析（1）原始条件考虑到课程设计的时间有限，所以直接

16、给出各部分电动机的额定参数作为设计条件，并作出若干假设，不再提及诸如轧制力、轧制转矩、轧锟直径等概念和参数，一遍简化设计计算。电动机的参数以十个机架为准，每个机架对应一台电动机，由此形成10个部分，各部分电动机参数集中列于下表中，其中Pn(kW)为额定功率、Un(V)为额定电压、In（A）为额定电流、nn （r/min）为额定转速、Ra（）为电动机内阻、GD2a（Nm2）为电动机飞轮力矩、P为极对数、Ifn（A）为额定励磁电流。 各部分电动机额定参数机架序号电动机型号Pn/kWUn/VIn/Ann/（r/min）Ra/GD2a/Nm2Ifn（A）P/对1Z2-926723029114500.2

17、4.9868.6012Z2-914823020914500.33.7758.0213Z2-823523015214500.42.6731.3614Z2-812623011314500.52.76527.4415Z2-721923082.5514500.63.0511.7616Z2-71142306114500.72.179.817Z2-621123047.814500.80.9566.3918Z2-618.52303714500.91,145.4919Z2-52623026.114501.01.113.92110Z2-514.223018.2514501.11.0453.431若干假设电枢回路

18、总电阻取为R=2Ra,亦可按经验公式估计Ra=（1/21/3）(UnIn-Pn)/I2n 。折合到电动机轴上的总飞轮力矩取为GD2=2.5GDa2。（2）原始指标稳态指标：无静差动态指标:电流超量5%；启动到额定转速时的转速超调量5%（按退饱和方式计算）。（3） 常用公式 整流变压器的计算与选择 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交直流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置间的相互干涉，要求它们相互隔离，故通常均要配用整流电压器。. 整流变压器的电压 整流变压器的一次侧直接与电网相连，当一次侧绕组星接时，一次侧相电压U1等于电网相电压；当一次侧绕组角接时，一次侧相电压U

19、1等于电网线电压。整流变压器的二次侧相电压U2与整流电路形式、电动机额定电压Un、晶闸管装置压降、最小控制角min及电网电压波动系数有关，可按下式近似计算U2=KzUn/AB式中，Kz为安全系数，一般取1.051.10左右。. 整流变压器的电流 整流变压器的二次侧相电流I2和一次侧向电流I1与整流电路的形式、负载性质和电动机额定电流In有关，可分别计算如下I2=K2InI1=K1U2In/U1. 整流电压器的容量 整流变压器的二次侧容量S2、一次侧容量S1和平均计算容量S可分别计算如下S2=m2U2I2S1=m1U1I1S=S1+S2) 式中，m1 、m2分别为一次侧与二次侧绕组的相数。 整流

20、电压器的计算系数计算系数单相全控桥三项可靠半波三相全控桥三相半控桥A=Ud0/U20.91.172.342.34B=Ud/Ud0cosmincosmincosmincosminK2=I2/In10.5770.8160.816K1=I1/In10.4720.8160.816表中Ud0、Ud分别为=0及=min时的整流电压平均值。根据以上计算得出整流变压器的额定参数后，可以选用成品整流变压器，或自行设计制造。整流原件的计算与选择 正确选择晶闸管和整流管，能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择整流原件主要是合理选择它的额定电压Ukn和额定电流(通态平均电流)IT，它们与整流电路形式、负

21、载性质、整流电压及整流电流平均值、控制角的大小等因数有关。一般按=0计算，且同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。. 整流原件的额定电压Ukn 整流原件的额定电压Ukn与元件实际承受的最大峰值电压Um有关。即： Ukn=（23）Um式中23为安全系数，要求可靠性高时取较大值。. 整流元件的额定电流IT 整流元件的额定电流IT与最大负载电流Im有关，即: IT=（1.52.0）KfbIm式中，Kfb为计算系数：1.52.0为安全系数。. 调速范围生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即： . 静差率调速系统在某一转速下稳定运行时

22、，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落n与理想转速n0之比，用s表示。即： . 他励直流电动机的转速公式： . 直流电动机由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电压方程： (4) 常用基准参数 整流电压器的计算参数计算系数负载形式单相桥式三相半波三相半控桥Kfb（=0）电阻负载0.50.3740.368Kfb（=0）电感负载0.450.3670.367 计算电感的有关参数计算系数单相全控桥三相半波三相全控桥Fd/Hz100150300Su120880.46K12.851.460.693KB3.186.753.9 稳压二极管的主要电参数型号额定电压/V最大工作电流/mA正向降压

23、/V最大功耗/W502CW（100）12.883(330)1.00.25(1.0)512CW（100）2.53.571(280)1.00.25(1.0)522CW（101）3.24.555(220)1.00.25(1.0)532CW（102）4.05.841(165)1.00.25(1.0)542CW（103）5.56.538(150)1.00.25(1.0)552CW (104)6.27.533(130)1.00.25(1.0)562CW (105)7.98.827(110)1.00.25(1.0)572CW (106)8.59.526(100)1.00.25(1.0)582CW (107)

24、9.210.523(95)1.00.25(1.0)592CW (109)1011.820(83)1.00.25(1.0)2CW 60(110)11.512.519(76)1.00.25(1.0)开关二极管的主要电参数型号正向压降正向电流最高反向电压2CK70（A、B、C、D、E）2CK 72（A、B、C、D、E）2CK 73（A、B、C、D）2CK 74（A、B、C、D）0.80.81.01.010305010020、30、40、50、6020、30、40、50、6020、30、40、5020、30、40、502CK 75（A、B、C、D、E）2CK 78（A、B、C、D、E）IN4148FR

25、103FR1071.01.01.01.015027010100020、30、40、5020、30、40、5020200、400、600、800、1000 场效应管的主要电参数型号最大功耗夹断电压跨导饱和漏电流击穿电压3DJ6G、H1009100015203DJ7I、J100930001020 压敏电阻的主要参数型号标准电压通流容量残压比漏电流MYL1-14710001380MYL1-24710002380MYL1-34710003380MYL1-54710005380MYL1-105682010410MYL1-1510068015410MYL1-2033066020410MY211008200

26、.5101.930MY2310010000.5201.930 综合分析单环转速调控系统如何调速通过引入转速负反馈并且有了足够大的放大倍数后，就可以减少稳态速降满足系统的稳态要求。但是，放大系数过大可能引起闭环系统不稳定，必须采取适当校正措施才能是系统正常工作并满足动态性能要求。为此，必须分析系统的动态性能。单闭环调速系统的动态数学模型，为了进行系统的动态分析，必须搞清楚组成系统各环节的特性，建立各环节的传递函数，最终建立起整个系统的动态数学模型。（2） 单环转速调控系统的优缺点优点： 系统中的晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。缺点： 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。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。