直流調(diào)速在連軋機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[技巧]

1、第一章緒論1直流調(diào)速系統(tǒng)概述直流調(diào)速是只人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，以滿 足工作機械的要求。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參 數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變電動 機機械特性和工作特性機械特性的交點，使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速 度發(fā)生變化。調(diào)速通常通過給定環(huán)節(jié)，中間放大環(huán)節(jié)，校正環(huán)節(jié)， 反饋環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)等來實現(xiàn)。電動機的轉(zhuǎn)速不能自動校正與給 定轉(zhuǎn)速的偏差的調(diào)速系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)的電 動機的轉(zhuǎn)速要受到負(fù)波動及電源電壓波動等外界擾動的影響。電 動機的轉(zhuǎn)速能自動的校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差，不受負(fù)載及電網(wǎng)電 壓波動等外界擾動的影響，使電動機的轉(zhuǎn)速始終與給定轉(zhuǎn)速

2、保持 一致的調(diào)速系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。這是由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有 反饋環(huán)節(jié)。電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機，控制裝置和信息裝 置三部分組成。它能按照規(guī)定的指令，及時的控制電動機的啟動， 制動，運轉(zhuǎn)方向，位置和加速度等，以滿足工作機械及生產(chǎn)過程 的要求。隨著電機，感器，控制器件，變流技術(shù)和控制理論的發(fā) 展，電氣傳動控制系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展。目前，所以電機的 單機容量從幾百瓦發(fā)展到數(shù)百萬千瓦，變流設(shè)備從旋轉(zhuǎn)式電機變 流機組發(fā)展到大功率晶閘管靜止變流裝置：中小功率自關(guān)斷器件 靜止變頻裝置；控制單元從模擬量觸發(fā)器，調(diào)節(jié)器。給定積分器 發(fā)展到以微處理器芯片為核心的交，直流通用的數(shù)字量控制模塊;系統(tǒng)的控制方

3、式從手動操作的開關(guān)控制發(fā)展到閉環(huán)多參量控制； 電氣傳動以單純的調(diào)速系統(tǒng)擴展為實現(xiàn)位置，速度，加速度控制 的運動控制中的重要分支。1.2課題背景與研究目標(biāo)直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電 路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化 和在使用中易受到外界干擾影響，并在線路復(fù)雜、通用性差，控 制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。從而致使系統(tǒng)的運

4、行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚 至出現(xiàn)事故。直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?其主要特點是：（1）常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可 用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不 良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便；（2）動態(tài)參數(shù)調(diào) 整方便（3）系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動 復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性；（4 ）可采用數(shù)字濾波來提高 系統(tǒng)的抗干擾性能；（5）可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； （6 ）容易與上一級計算機交換信息；（7）具有信息存儲、數(shù) 據(jù)通信的功能；（8）成本較低。 此次課題設(shè)計一個直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路

5、和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由單片機，檢測電路，驅(qū)動電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構(gòu)成，檢測電路又包括電流檢測，轉(zhuǎn)速檢測，電源邏輯狀態(tài)檢測等部分。1.3課題的實際意乂隨著微電子技術(shù)，微處理機以及計算機軟件的發(fā)展，使調(diào)速控制的各種功能幾乎均可通過微處理機，借助軟件來實現(xiàn)。即從過去的模擬控制向模擬數(shù)字混合控制發(fā)展，最后實現(xiàn)全數(shù)字化。在數(shù)字化系統(tǒng)中，除具有常規(guī)的調(diào)速功能外，還具有故障報警,診斷及顯示等功能，同時，數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通信能力，通過選配適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌谀０澹煞奖愕貙崿F(xiàn)主站（如上一級plc或計算機系統(tǒng)）和從站（單機交，直流傳動控制裝置）間的數(shù)字通信，組成分級多機的自動化系統(tǒng)

6、。為易于調(diào)試，數(shù)字系統(tǒng)的軟件，一般設(shè)計有調(diào)節(jié)器參數(shù)的自化優(yōu)化，通過啟動優(yōu)化程序，實現(xiàn)自動尋優(yōu)和確定系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)以及實現(xiàn)如直流電動化磁化特性曲線的自動測試等，有利于縮短調(diào)試時間和提高控制性能。國外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)整系統(tǒng)相對應(yīng)的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用，新開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù) 字式的。與模擬系統(tǒng)類似，全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成為緊湊式和 模塊式兩大類，但全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)還是有模擬調(diào)速系統(tǒng)無法比擬 的優(yōu)點，技術(shù)更先進，操作方便。數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)與模擬調(diào)速系統(tǒng) 相對比，技術(shù)性能有如下優(yōu)點：1 ）靜態(tài)精度高且能長期保持。2 ） 動態(tài)性能好，借助于豐富的軟件，易于實現(xiàn)各類自適應(yīng)和復(fù)合

7、控 制。3）調(diào)速范圍寬。4）電壓波動小。5）參數(shù)實現(xiàn)軟件化， 無漂移影響。6）所用元件數(shù)少，不易失效。7）設(shè)定值量化程 度高，且狀態(tài)重復(fù)率好。8）放大器和級間耦合噪聲很小，電磁 干擾小。9 ）調(diào)試即投產(chǎn)靈活方便，易于設(shè)計和修改設(shè)計。10 ） 標(biāo)準(zhǔn)及通用化程度高，除主cpu模塊外，僅數(shù)種附加模塊?？蓪?現(xiàn)，包括工藝參數(shù)在內(nèi)的多元閉環(huán)控制。11 ）適用范圍廣，可實 現(xiàn)各類變速控制及易于實現(xiàn)與plc系統(tǒng)通信。由此，數(shù)字化將 在未來的調(diào)速設(shè)備中得到大量應(yīng)用。直流調(diào)速在連軋機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用連軋機工作原理結(jié)構(gòu)特點需要調(diào)速系統(tǒng)分析調(diào)速系統(tǒng)元器件整流模塊給定模塊反饋模塊控制模塊調(diào)控分析（1 ）原始條件（2

8、） 原始指標(biāo)（3 ）常用公式（4 ）常用基準(zhǔn)參數(shù)綜合分析（1 ）單環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)如何調(diào)速（2）單環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點第一章連軋機（1 ）工作原理在冶金工業(yè)中，軋制過程是金屬壓力加工的一個主要工藝過程，而連軋則是一種可以提高勞動生產(chǎn)率和軋制質(zhì)量的先進方法。其主要特點是被軋金屬同時處于若干機架之中，并沿著同一個方向進行軋制最終形成一定的斷 面形狀。其軋制原理和過程如圖所示：（2 ）結(jié)構(gòu)特點 連續(xù)軋制 的基本條件是物質(zhì)流量的不變性,即s1v1=s2v2=.=snvn=常數(shù)，這 里s.sn和v.vn分別為被軋金屬的橫斷面積和線速度。而連軋機的電氣傳動則應(yīng)在保證物質(zhì)流量恒定的前提下承受咬鋼和軋制 時的

9、沖擊性負(fù)載，實現(xiàn)機架的各部分控制和協(xié)調(diào)控制。每個機架 的上下軋規(guī)共用一臺電動機實行集中拖動，不同機架采用不同電 動機實行部分傳動，各機架軋規(guī)之間的速度則按物質(zhì)流量恒定原 理用速度鏈實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。物質(zhì)流量不變的要求應(yīng)在穩(wěn)態(tài)和過 渡過程中都得到滿足，因此，必須對過渡過程時間和超調(diào)量都提 出相應(yīng)的限制。連軋機采用計算機控制，控制功能主要包括軋件 跟蹤、計算機操作指導(dǎo)和對軋制過程各種參數(shù)設(shè)定、連續(xù)檢測、控制和最優(yōu)管理。第二章 調(diào)速系統(tǒng)元器件在我們電子設(shè)計的過程中會用到很多的電子元器件，常用的一般有電阻、電容、電感、二極管、 三極管、場效應(yīng)管、壓敏電阻，運算放大器等。 一）電阻1 碳 膜電阻器：穩(wěn)定性好

10、，負(fù)溫度系數(shù)低，受電壓頻率影響小，噪聲小，脈沖負(fù)荷穩(wěn)定，電阻范大（110mq l其作用：因制作簡單，價格廉價，體積小，常用在精度要求不高的，電子儀器上。2.金屬膜電阻器：有碳膜相同的特征外，還有比碳膜精度高，穩(wěn)定性更好，比碳膜有明顯的耐熱性，體積較小，阻值范1-200mq b其作用：因工作頻率范圍大，噪聲小，可用在高頻電路中， 但制作成本較高，主要用在高端精密的電子設(shè)備中。3.金屬氧化 膜電阻器：與金屬電阻相比，具有阻燃，導(dǎo)電膜均勻，抗氧化能 力強，抗酸，抗鹽，耐熱。其作用：可在超高頻下工作，由于電 阻較小，用來補缺低電阻。4.熱敏電阻器：對熱度極為敏感的半導(dǎo)體材料，具有靈敏度高，精度高。其作

11、用：分為正溫度系（ptc ） 和負(fù)溫度系數(shù)（ntc ）,常作為溫度傳感。5.可變電阻器：可變電 阻器是指其阻值在規(guī)定的范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)的變阻器，它可分為 半可調(diào)電阻器和電位器兩類。半可調(diào)電阻器半可調(diào)電阻器是指電 阻值雖然可以調(diào)節(jié)，但在使用時經(jīng)常固定在某一阻值上的電阻器。這種電阻器一經(jīng)裝配，其阻值就固定在某一數(shù)值上，如晶體管應(yīng) 用電路中的偏流電阻應(yīng)用：它常在收音機中作電源濾波和調(diào)整偏 流用。電位器電位器是通過旋轉(zhuǎn)軸來調(diào)節(jié)阻值的可變電阻器。應(yīng) 用：常用作分壓器和變阻器，如收錄機的音量調(diào)節(jié)及電視機的亮 度與對比度調(diào)節(jié)等都用電位器來控制。電位器的種類很多，常見 的有模式電位器、實心式電位器、繞線式電位

12、器等三大。電容常 見電容器：紙介電容器、有機薄膜電容、云母電容、陶瓷電容、 電解電容器、表貼電容器、空氣介質(zhì)可變電容等。具體的分類如 下：從結(jié)構(gòu)分：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器。從電解 質(zhì)分：有機介質(zhì)電容器、無機介質(zhì)電容器、電解電容器和空氣介 質(zhì)電容器等。從用途分：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器。三）電感1.分類：a .按電感形式分類：固定電感、可變電感。b按導(dǎo)磁體性質(zhì)分類：空芯線圈、鐵氧體線圈、鐵芯線圈、銅芯線圈。c 按 工作性質(zhì)分類：天線線圈、振蕩線圈、扼流線圈、陷波線圈、偏 轉(zhuǎn)線圈。d .按繞線結(jié)構(gòu)分類：單層線圈、多層線圈、蜂房式線圈。 2.主要參數(shù)

13、：電感量，品質(zhì)因數(shù)，額定電流3.應(yīng)用：濾波、振蕩、延遲、陷波等，阻交流通直流,阻高頻通低頻（濾波）濾波用的。4.常用的電感有：常用電感主要分插件（ctp）與貼片電感（smt）兩大類，插件主要有：色環(huán)電感，扼流線圈，工字形功率電感等貼片電感主要有:塑封電感，功率電感，屏蔽電感四）二極管二極管種類有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為錯二極管（ge管）和硅二極管（si管b根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、 整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。點接觸型二極管適用于高頻小電流電如收音機的檢波等。面接觸型二極管主要用于把交流電變換成直流

14、電的“整流"電路中。平面型 二極管多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。五）三極管三極管，全 稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管，晶體三極管，是一種電 流控制電流的半導(dǎo)體器件其作用是把微弱信號放大成輻值較大 的電信號，在數(shù)字電路中常用做電子開關(guān)。三極管的分類:a.按材質(zhì)分：硅管、錯管b.按結(jié)構(gòu)分：npn 、 pnpc.按功能分：開關(guān)管、功率管、達林頓管、光敏管等d.按功率分：小功率管、 中功率管、大功率管e按工作頻率分：低頻管、高頻管、超 頻管f.按結(jié)構(gòu)工藝分：合金管、平面管g按安裝方式：插件三 極管、貼片三極管。六）壓敏電阻 壓敏電阻是一種過壓保 護元件，它有體積小，質(zhì)量輕、安裝簡便和可

15、恢復(fù)的優(yōu)點，因 此得到了廣泛的應(yīng)用。七）運算放大器運算放大器是調(diào)速系 統(tǒng)中構(gòu)成調(diào)節(jié)器的常用線性集成電器路，運算放大器性能好壞對調(diào)速系統(tǒng)的控制性能有著相當(dāng)程度的影響。對高精度系統(tǒng),必須選用高精度運算放大器。選擇運算放大器時先必須考慮輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流要盡可能小，以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度；其次，運放的輸入電壓峰一峰值和輸出電壓峰一峰值 范圍必須滿足控制電壓的幅度要求；再次，運放的開環(huán)放大系 數(shù)與共模抑制比要足夠大，以提高靈敏度和抗擾能力；并且運 放的輸入電阻要大，輸出電阻要小，以消除負(fù)載效應(yīng)；此外， 盡量選用無需外部補償、接線簡單的運放來構(gòu)成調(diào)節(jié)器為好。總之，要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求來選用合適的運

16、算放大器。 第三章 調(diào)控分析(1)原始條件考慮到課程設(shè)計的時間有限， 所以直接給出各部分電動機的額定參數(shù)作為設(shè)計條件，并作出若 干假設(shè)，不再提及諸如軋制力、軋制轉(zhuǎn)矩、軋規(guī)直徑等概念和參 數(shù)，一遍簡化設(shè)計計算。電動機的參數(shù)以十個機架為準(zhǔn)，每個機 架對應(yīng)一臺電動機，由此形成10個部分，各部分電動機參數(shù)集中 列于下表中,其中pn(kw)為額定功率、ujv)為額定電壓、in( a ) 為額定電流、nn ( r/min )為額定轉(zhuǎn)速、ra ()為電動機內(nèi)阻、 gd2a ( n.m2 )為電動機飛輪力矩、p為極對數(shù)、g ( a )為額定勵機架序電動機型pn/kwun/vin/ann/(r/min)ra/g

17、d2a/n.m2ifn(a)p/對1z2-926723029114500.24.9868.6012z2-914823020914500.33.775&0213z2-823523015214500.42.6731.3614z2-812623011314500.52.76527.4415z2-721923082.5514500.63.0511.7616z2-71142306114500.72.179.817z2-621123047.814500.80.9566.3918z2-618.52303714500.91,145.4919z2-52623026.114501.01.113.92110

18、z2-514.22301&2514501.11.0453.431若干假設(shè)電樞回路總電阻取為rs=2ra,亦可按經(jīng)驗公式估計ra=(1/21/3 )(unin-pn)/i2no折合到電動機軸上的總飛輪力矩取為gd2z-2. 5gda2o ( 2 )原始指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差動態(tài)指標(biāo):電流超量&s5% ；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量&s5%(按退飽和方式計算>>(3 )常用公式整流變壓器的計算與選擇在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交直流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置間的相互干涉，要求它們相互隔離，故通常均要配用整流電壓器。|整流變

19、壓器的電壓 整流變壓器的一次側(cè)直接與電網(wǎng)相連，當(dāng)一次側(cè)繞組星接時，一次側(cè)相電壓山等于電網(wǎng)相電 壓；當(dāng)一次側(cè)繞組角接時，一次側(cè)相電壓山等于電網(wǎng)線電壓。整流變 壓器的二次側(cè)相電壓a與整流電路形式、電動機額定電壓山、晶閘管 裝置壓降、最小控制角cu及電網(wǎng)電壓波動系數(shù)£有關(guān)，可按下式近似 計算u2=kzun/eab式中比為安全系數(shù)，一般取1.05-1. 10左右。ii.整 流變壓器的電流整流變壓器的二次側(cè)相電流12和一次側(cè)向電流h與整流電路的形式、負(fù)載性質(zhì)和電動機額定電流in有關(guān)，可分別計算如下【2二二kuin/ulll整流電壓器的容量整流變壓器的二次側(cè)容量5、一次側(cè)容量si和平均計算容量s

20、可分別計算如下 s2=m2u2i2s1=m1u1i1s=（si+s2）式中，叫、囁分別為一次側(cè)與二次側(cè)繞組 的相數(shù)。整流電壓器的計算系數(shù)計算系數(shù)單相全控橋三項可靠半波三相全控橋三相半控橋a 二 udo/u?0.91. 172. 342. 34b 二 ud/%cosdmincosdmincosqmincosdmink2=i2/in10. 5770.8160.816kfl/l10. 4720.8160.816表中山。、山分另i為0（二0及a二m時的整流電壓平均值。根據(jù)以上計算得 出整流變壓器的額定參數(shù)后，可以選用成品整流變壓器，或自行設(shè)計 制造。整流原件的計算與選擇正確選擇晶閘管和整流管，能 夠使

21、晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇整流原件主要是合理選擇它魁轉(zhuǎn)s =x與整流電路形式負(fù)%惡葩蹄tag 瀏険的大小等因數(shù)有關(guān)。一般按a二0計算，且同一裝置中的晶閘管和整流 管的額定參數(shù)算法相同。1整流原件的額定電壓ukn 整流原件的 額定電壓ukn與元件實際承受的最大峰值電壓um有關(guān)。即： ukn= ( 23 ) um式中23為安全系數(shù)，要求可靠性高時取較大值。ii.整流元件的額定電流it 整流元件的額定電流it與最大負(fù)載電流g有關(guān)，即：it二(1.5-2.0 ) knjl式中，心為計算系數(shù):1.5-2.0為安全系數(shù)。iii.調(diào)速范圍生產(chǎn)機械在額定負(fù)載時要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nma

22、x與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用d表示。即：iv.靜差率調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時，負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n與理想轉(zhuǎn)速n()之比，用s表示。即： vii.他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速公式： viii.直流電動機由基爾霍夫定律,可得他勵直流電動機電樞回路的電壓方程:(4)常用基準(zhǔn)參數(shù)計算系數(shù)負(fù)載形式單相橋式三相半波三相半控橋心(a=0 )電阻負(fù)載0.50.3740.368kfb ( a-0 )電感負(fù)載0.450.3670.367整流電壓器的計算參數(shù)計算電感的有關(guān)參數(shù)計算系數(shù)單相全控橋三相半波三相全控橋fd/hz100150300su120880.46£2.851.

23、460.693kb3.186.753.9穩(wěn)壓二極管的主要電參數(shù)型號額定電壓/v最大工作電流/ma正向降壓/v最大功耗/w502cw(100)1-2.883(330)<1.00.25(1.0)512cw(100)2.53571(280)<1.00.25(1.0)522cw(101 )3.2 4.555(220)<1.00.25(1.0)532cw(102)4.0 5.841(165)<1.00.25(1.0)542cw(103)5.5 6.538(150)<1.00.25(1.0)552cw(104)6.2 7.533(130)<1.00.25(1.0)562cw(105)7.9-8.827(110)<1.00.25(1.0)572cw(106)&5 9.526(100)<1.00.25(1.0)582cw(107)9.2-10.523(95)<1.