四輥壓延機主傳動直流調速系統的設計課程設計報告

ID:112317 · 發表于 2016-4-6 21:00

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前言

1957年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡稱可控硅）問世，到了60年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術產生根本性的變革，開始進入晶閘管時代。到今天，晶閘管－電動機調速系統（簡稱V-M系統）已經成為直流調速系統的主要形式。直流電動機雙閉環調速系統在工程中應用廣泛，為了使系統具有良好的動態性能必須對系統進行設計。特別是大型的鋼鐵行業和材料生產行業，為達到很高的控制精度，速度的穩定性，調速范圍等要求，又由于交流調速在當時尚未解決好調速控制問題，調速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標不滿足生產工藝的要求，所以當時大量使用的是直流電動機調速系統，尤其是直流雙閉環調速系統，它具有調速性能好，范圍寬，動態性能好等優點，特別是設計簡單方便，雖然隨著控制技術以及電力電子技術的的發展，制造工藝技術的提高，大量出現交流調速的傳動系統，但直流傳動所具有的優點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調速。在此本人就飛機生產制造行業中的對必不可少的四輥壓壓延機主傳動直流電機的調速，作了以下設計，以滿足飛機輪胎制造工藝的生產要求。

設計任務與要求

1．1 設計任務

1．2設計要求與技術指標

1．3方案比較論證

1．3．1總體方案比較

1．3．2單元方案比較

主電路設計

2．1 主電路工作設備設計

2．2主電路保護設備

控制電路設計

3．1電流調節控制器（ACR）設計

3．2速度調節控制器（ASR）設計

實驗驗證

4．1 實驗目的、內容、參數的整定

4．2 實驗數據與曲線

4．3 實驗結論

總結
參考文獻

設計任務與要求

1.1 設計任務

四輥壓延機主傳動直流調速系統的設計

壓延機生產線主要是生產飛機輪胎的生產線，而四輥壓延機又是飛機輪胎生產廠家的最關鍵的生產設備。它運行的質量直接影響生產出來的飛機輪胎的質量的好壞，也同時直接對對飛機安全性有重大的影響，所以對四輥壓延機的控制是至關重要的。

生產工藝流程以及控制的要求

生產工藝流程

控制要求

1）在壓延前，必須給干燥輥加熱60~80度，給主輥加熱到70度左右（不至于使得橡膠冷卻硬化）。

2）所有直流電機可單動也連動，并要求電樞可逆。

3）聯動時，前四輥主機與后四輥不允許單動，而前三電機可單獨停（便于簾布的疏化接頭），因有儲布機架，也不影響后面的工作，卷取機也可以單獨停（便于兩臺卷取換卷）

4）兩臺壓延主機必須同時啟動，停車，或者加速，減速，而且它們的技術指標完全相同。

5）前張力區的張力（最大為1000KG）通過前四輥電動機來控制，后張力區的張力（最大為1500KG）由后四輥電動機來控制。

6）在給定壓延張力情況下，其壓延速度由操作人員通過改變主機的速度來達到。例如壓延速度升高，使得前張力升高，通過控制器使前四輥電動機升速，使前張力維持不變。同理后張力減少了，使后四輥電動機升速，使得后張力維持不變。從而聯動時使主機的前后張力基本維持不變下，速度也達到協調。

設計要求與技術指標

四輥壓延機主傳動機1，2其電動機參數完全一致，要求相同只設計其中一個即可，穩態無靜差，電流超調量δi﹪<=5﹪, 空載啟動至額定轉速時的轉速超調量δn﹪<=10﹪ ，且啟動時盡量避免電流的過大沖擊。

電機有關參數：

，電樞回路總電阻

，

，電流過載倍數λ=1.5

1．3 方案比較論證

1.3.1總體方案論證

對于直流電動機調速的方法有很多，而且各有它自己的優點和不足。各種調速方法大致如下：

（1）.弱磁調速通過改變勵磁線圈中的電壓Uf，使磁通量改變（Uf增大，磁通量增大；反之亦然）。

特點：保持電源電壓為恒定額定值，通過調節電動機的勵磁回路的勵磁能力，改變電動機的轉速。這種調速方法屬于基速以上的恒功率調速方法。在電流較小的勵磁回路內進行調節，因此控制方便，功率損耗小，用于調節勵磁的電阻器功率小，控制方便且容易實現，而且更重要是可以實現無級調速，但由于電動機的換向能力有限以及機械強度的限制，速度不能調節太高，從而電動機的調速范圍也就受到限制。
（2）.串阻調速顧名思義，在回路中串入一電阻（大小根據實際需要），使電機特性變軟

特點：在保持電源電壓和氣隙磁通為額定值，在電樞中串如不同阻值的電阻時，可以得到不同的人為機械特性曲線，由于機械特性的軟硬度，即斜率不同，在同一負載下改變不同的電樞電阻可以得到不同的轉速，以達到調速的目的，屬于基速以下的調速方法。這種方法簡單，容易實現，成本低，但外串電阻只能是分段調節，不能實現無級調速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗大，低速運行時轉速穩定性差，只能適應對調速要求不高的中小功率電動機。
（3）.調壓調速

特點：在保持他勵直流電動機的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻，將電樞兩端的電壓（電源電壓）降低為不同的值時，可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速方向是基速以下，屬于恒轉矩調速方法。只要輸出的電壓是連續可調的，即可實現電動機的無級調速，而且低速運行時的機械特性基本保持不變，所以得到的調速范圍可以達到很寬，而且實現可逆運行。但對于可調的直流電源成本投資相對其他方法較高。又由于電力電子技術的發展，出現了各種的直流調壓方法，大概有以下兩種：

1）使用晶閘管可控整流裝置調速
2）使用脈寬調制晶體管功率放大器

基于以上特點，我們當前有3種方法可供選擇。

方案1 弱磁調速

系統采用弱磁調速。由弱磁調速方法的特點可以看出：功率損耗小，特別是用于調節勵磁的電阻器功率小，控制方便且容易實現，而且更重要是可以實現無級調速，為生產節約了生產成本。這是它的優點。但同時要注意到弱磁調速方法難以實現低速運行，以及可逆運行。只能在基速以上運行，且電動機的換向能力以及機械強度的限制，速度不能調得太高，這就限制了它的調速的范圍要求，針對我們要設計的目標調速系統，速度要求大約在 750r/min,轉速實現可逆，很明顯這種調速方法難以做到這一點，必須要配合其他的控制方法才能實現，這樣成本將會升高，而且控制將會變得復雜，失去了弱磁調速本身所具有的優點。

方案2 串阻調速

系統采用串阻調速。這種方法最大的優點就是實現原理簡單，控制電路簡單可靠，操作簡便。這種調速屬于基速以下的調速方法，可以達到生產工藝對速度的要求。但它外串電阻只能是分段調節，不能實現無級調速，而且電阻在一定程度上消耗能量，功率損耗大，低速運行時轉速穩定性差，容易產生張力不平穩，難以控制，造成經常斷帶，嚴重影響輪胎生產的效率和質量。

方案3 調壓調速

系統采用調壓調速的調速方法。這種可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續可調的，即可實現電動機的無級調速，而且低速運行時的機械特性基本保持不變，所以得到的調速范圍可以達到很寬，而且實現可逆運行。這種方法完全滿足了飛機輪胎生產工藝的要求，它是基速下，運行平穩，可實現正反轉運行。

鑒于以上對各種調速可行性方案的論述，本系統將采用調壓調速的調速方法以滿足生產工藝的要求。

單元電路方案論證

1.3.2.1主電路方案論證：

主電路主要是指電源裝置和執行機構（直流電動機），由于電動機是我們的控制對象，所以在此就電源裝置進行可行性和優越性比較論證。

直流電動機的調壓調速方法有兩種，具體是：1）使用晶閘管可控整流裝置調速； 2）使用脈寬調制晶體管功率放大器，即 PWM 調壓調速控制。

方案比較：（1）PWM調壓調速

電源裝置采用PWM調壓，利用的基本思想是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載到具有慣性的環節上時，其效果相同。即慣性環節的輸出響應相同。

SPWM波形——脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形。

圖1 用PWM波代替正弦半波

要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。

圖 2 PWM 調壓電路圖

上圖為PWM可逆電路，正反組分別對電動機供電，實現電動機的正反轉運行。首先它需要先將交流轉換為直流，再通過H橋式電路直流斬波，調節輸出電壓的平均值。這里同樣需要邏輯控制正反組IBGT的導通與關斷，以免發生直流直通短路。這種方法雖然可以實現，但實現相對復雜，而且制動控制較為復雜，關鍵是IGBT容量相對晶閘管容量小，限制了電動機的容量不能做的很大。

（2） 使用晶閘管可控整流裝置調壓調速

通過晶閘管的導通角的移相，改變觸發角，從而改變電壓的導通時間，改變電壓的平均值。電路如下圖所示。

圖 3 晶閘管可控整流裝置電路圖

電路特點：電路直接由交流轉換為直流，所以效率比較高。其次，整流裝置是SRC，容量相對IGBT而言，比較大，電動機的容量就可以做的相對較大，可靠性也比較高，技術成熟等優點。設計的對象電機系統的容量是125KW，可以很好地滿足容量的要求，再次，觸發電路也比較簡單，有現成的集成觸發電路，設計起來相對簡單。不過由于也存在正反組問題，所以也要考慮邏輯控制問題，以免發生環路導通短路事故。

綜上所述，綜合考慮比較兩者的優缺點，可調電源電路采用后者，使用晶閘管可控整流裝置調壓調速。

控制電路方案論證：

對電動機轉速的控制調節方法有幾種控制策略方法：

（1）采用單環的速度反饋調節加上截止負反饋的方法

（2）采用雙閉環速度電流調節方法

方案論證：

1）采用單環的速度反饋調節加上電流截止負反饋方法，實現比較方便，快捷，成本低，而且系統調試等很簡單。但我們注意到，生產要求張力有最大的限制，如果采用這種方法，也就是說我們惟有將電流截止的幅值位置頂在張力最大的位置，但在啟動過程中系統是非線性的，而且是一個復雜的動態過程，不能簡單地將最大的張力時的電流值定為電流截止負反饋的限制值，不僅影響了電動機的啟動時間，而且難以把握電流的動態過程，容易產生斷帶，張力不均勻等缺點。

2）采用采用雙閉環速度電流調節方法，這種方法雖然初次頭次成本相對而言較高，但它保證了系統的性能，保證了對生產工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動時的電流的動態過程，又保證穩態后速度的穩定性，在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。

達到穩態后，只要轉速負反饋，不讓電流負反饋發揮主要作用很好地滿足了生產需要。

由圖4看出系統采用雙環調節的性能優于單環的速度反饋調節加上電流截止負反饋方法，所以我們采用的控制器將選擇為ACR與ASR。外環為ASR，內環為ACR。

圖 4 啟動時的動態電流速度波形圖

主電路設計
- 電機參數計算和晶閘管容量參數計算

電機有關參數：

，電樞回路總電阻，，電流過載倍數λ=1.5，

變壓器的付邊電壓確定：

因為，

整定的范圍在

之間，所以由三相全橋整流公式：

當在

時有最大值，算出

所以可以選擇

變壓器的容量大小計算：

由于電動機電流大小為640A，電流過載是大小為960A，變壓器在電動機過載運行時的電流大小為783A，利用功率守恒定理，

阻抗消耗

，考慮晶閘管的損耗和自身的損耗以及變壓器也有一定的過載能力，選擇的變壓器容量：

。

晶閘管參數計算：

由電機的過載倍數，我們可以電動機的過載電流，即最大電流：

又由整流輸出電壓

，進線的線電壓是120V。

由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即

晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即

考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為2倍關系，電流裕量為1.5倍關系

所以工作的晶閘管的額定容量參數選擇為：

電樞回路的平波電抗器計算：

電動機在運行時保證電流連續，取此時的電流為額定電流的5 %~10%。

則電樞需要串入的電樞電抗器大小可以算：

（其中

為電樞的固有電抗值）

主電路保護器件選擇

電路中主要的保護器件是快速熔斷器FU，壓敏電阻過電壓抑制器RV，閥器件換相過電壓抑制用RC電路，直流側RC抑制電路，閥側浪涌過電壓抑制用RC電路等，

圖5 保護電路

各保護單元符號解析：

F：避雷針；

D：變壓器靜電屏蔽層；

C：靜電感應過電壓抑制電容；

RV：壓敏電阻過電壓抑制器；

RC1：閥側浪涌過電壓抑制用RC電路；

RC2：閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路；

RC3：閥器件換相過電壓抑制用RC電路；

RC4：直流側RC抑制電路。

控制電路設計

本系統采用的是2環的調速控制系統，針對生產工藝的控制要求：在給定的壓延張力下，進行速度的調節，由這里我們可以認為張力反饋環只是一個輔助的反饋環節，以供操作人員參考，實質起作用的是在啟動電動機時的電流反饋環，和進入穩態運行后的速度反饋環節。由這種設計思想，我們可以進行ASR和ACR的設計。

系統的靜態結構框圖如下：

我們按照先內環后外環的設計步驟來設計：

設計要求：實現轉速無靜差，所以我們采用PI調節器，

系統的結構框圖

調節器的輸出限幅值確定：

轉速調節器ASR的輸出限幅電壓U*im決定電流給定電壓的最大值；電流調節器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm

本系統：設轉速達到額定時的給定為

7.5V，輸出的限幅值為

，

所以可以算：

又由計算電機時間常數：

和

算出

計算電磁時間常數

，因為有前面的參數計算要求電流連續時的電樞回路電感是 1.3mh,

, 有因為采用的是三相橋式整流電路，所以

數學模型和動態性能分析

圖8 系統的數學模型

技術指標是：

，所以由以上參數和技術指標要求為依據可以設計ACR控制器以及ASR控制器。

圖9 實際設計的控制器

設計的控制器的參數依據：

設計ACR控制器：

圖10 ACR設計的結構圖

令

，

選擇

驗證假定條件：

；

所以ACR控制器的設計在理論上滿足了要求。

ASR的設計：

令

，

所以有

，

驗證近似條件：

；

驗證轉速超調量：

圖11 超調量示意圖

所以設計的系統能滿足生產工藝的要求。

實驗室調試系統并驗證

4.1實驗目的、內容、參數的整定

4.1.1實驗目的：

1）理論聯系實際，將在理論上設計的調速系統在實驗室進行調試，鞏固理論知識，

2）熟悉和掌握邏輯無環流可逆調速系統調試的步驟方法，以及參數的整定與分析。

3）通過實驗，驗證設計的系統是否符合生產工藝，技術指標的要求，并修改整定參數，使得系統滿足要求。

4）在調試系統過程中學會分析問題，并作出合理的解釋，盡量解決問題。

4.1.2實驗內容：

各個單元的調試。
整定電流反饋系數

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，速度反饋系數

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，整定電流保護動作值。
測量開環機械特性以及高低速是的靜特性

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。
測定閉環控制特性

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。
改變調節器的參數，觀察，記錄電流速度啟動的動態波形。

參數整定：

整定

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：用萬用表調節ASR的輸出限幅值為5V，電動機的最大啟動電流為2A，調節Uct,使得Id=2A時，整定反饋電位器使得Ufi=5V，即

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過流保護電流的整定；

反復調節過流保護整定電位器，達到可靠動作為好。

速度反饋系統參數

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整定，將電動機的轉速調節到1450轉/MIN，考慮對應的是速度給定電壓是6V，調節速度反饋調節電阻，求得

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4．2 實驗數據與曲線

實驗結論：

經過實驗室的調試，系統最終能較好地運行，從零速開始速度給定，以及突加速度給定信號，系統都能夠正常地起動，升速至給定的速度值。

突加速度給定信號時，電流速度的動態運行曲線在示波器上看到，而且在未經過系統聯合調試，即使從零開始升速啟動時出現過流報警現象，而當時的轉速并不高，負載也不是很大。出現這種情形的，本人認為是首先雖然各個單元已經調試好，但不等于整個系統參數就已經很好這是不同的。系統的各個模塊單元之間有一定的耦合關系，系統表現出來的性能與各個模塊都相關的，它們之間的參數會互相牽制，一旦某個參數整定稍微不合理就有可能使得系統的性能大大降低，所以在此更顯出系統總體調試的必要性和關鍵性。針對出現的問題，本人反復整定，ACR 和 ASR的PI參數，特別是速度環的PI參數，稍微偏那么一點，系統表現出來的現象不一樣，由開始的在模擬電流表上看到指示針在比較大地左右擺動，而且幅度也比較大，到經過反復的調整ASR的PI參數，ACR的PI參數，速度反饋系數

和電流的反饋系數

，系統的電流電壓波形在示波器上看到的曲線也比較平穩，也基本沒有出現曲線的波動，速度也可以調上高速即額定轉速穩定運行。

第二個問題是，系統突加給定時，開始這個速度給定難以調到很高，否則也同樣出現過流跳閘報警，速度也只能在800左右突加速度給定，鑒于這個問題，我認為是系統的電流超調量過大，PI參數中，增大比較有利于系統的快速性，但與此同時也增加了系統的超調量，從而必須加大反饋的作用或者增加I的作用，稍微減少P的強度，，按照這樣，經過調試果然效果不一樣，突加給定的信號可以給到很大，基本上是0~額定速度的給定范圍，說明系統的參數經過整定后比較好，而且系統在正反轉的下都可以突加給定，正常運行。

第三個問題，就是電動機在零速時出現蠕動，現象是左右轉，這種現象有兩種可能性，一，系統的晶閘管的觸發的偏置電壓未調整好，另外一種就是系統的回環比較整定不理想，針對這個，我專門調試了偏置電壓的問題，所以不會偏置電壓的問題，所以應該是回環比較的問題。但在調試中發現實驗的那個系統它的電位器出現了誤差太大，難以整定的。所以在15轉/MIN以下系統很難正常運行。

不過最終系統基本能達到控制的要求很技術指標，滿足生產的要求。

總結

經過這次的課程設計，不僅在書上學到的知識得到鞏固，我認為最關鍵的是，我又在實際操作中動手能力，分析問題，解決問題的能力得到了更好的鍛煉，特別作為工科學生的我們更應該注重我們的動手能力和發現問題解決問題的能力。這次實習，雖然時間不長，但我個人認為這種課程是很有必要的，首先我們好多的同學學習了書上的知識，都認為這些知識好象都離我們很遙遠，甚至不知道，不清楚那些知識該用哪個地方，什么時候用。學校實驗室提供了這種環境，這種條件，讓我們清楚我們學的知識與現實工業生產聯系，使得我們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時，幾個人的團隊協作使我們在與人共事中學會交流學會合作。因為在今后工作中一個人獨立完成不與別人合作，基本是不可能的，所以在這種課程設計中也鍛煉了我們的團隊的協作精神，為今后的學習和工作積累經驗，也是難得的財富。

6. 參考文獻

《電力拖動自動控制系統》陳伯時機械工業出版社

《電機原理及拖動》彭鴻才機械工業出版社

《電力電子技術》王兆安機械工業出版社

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