孙啸：某冷轧机主传动直流调速系统设计
图表清单
图 2-1 三相桥式电枢反并联可逆电路原理图 ....................................................................... - 6 - 图 2-2 快速熔断器 ................................................................................................................... - 7 - 图 2-3 交流侧过电压保护 ....................................................................................................... - 7 - 图 2-4 直流侧过电压保护 ....................................................................................................... - 8 - 图 2-5 换相过电压保护 ........................................................................................................... - 8 - 图 2-6 系统主传动晶闸管整流电路 ....................................................................................... - 9 - 图 3-1 机床主传动调速系统的系统框图 ..............................................................................- 11 - 表4-1 变压器的各项数据 .......................................................................................................- 11 - 图 5-1 电流检测装置 ............................................................................................................. - 17 - 图 5-2 两个调节器（ACR1与ACR2）的电气原理图 ........................................................... - 18 - 图 5-3 转速检测和电压隔离装置原理图 ............................................................................. - 19 - 图 5-4 转速给定环节和给定积分器原理图 ......................................................................... - 20 - 图 5-5 无环流逻辑切换装置的结构 ..................................................................................... - 21 - 图 5-6 无环流逻辑切换装置的原理图 ................................................................................. - 22 - 图 5-7 逻辑判断与延时电路的结构 ..................................................................................... - 22 - 图 5-8 多“1”保护环节原理图 ........................................................................................... - 23 - 图 6-1 调速控制系统的动态结构图 ..................................................................................... - 24 - 图 6-2 电流闭环及其简化后的动态结构图 ......................................................................... - 25 - 图 6-3 电流调节器ACR的结构图 ...................................................................................... - 26 - 图 6-4 简化过后的电流内环 ................................................................................................. - 27 - 图 6-5 调节器ACR的结构图 .............................................................................................. - 28 - 图 6-6 转速环的动态结构图 ................................................................................................. - 29 - 图 6-7 简化后的转速环动态结构图 ..................................................................................... - 30 - 图 6-8 转速调节器ASR的原理图 ....................................................................................... - 32 - 图 6-9 系统起动过程的动态特性 ......................................................................................... - 32 -
IV
铜陵学院毕业设计（论文）
第1章 绪 论
1.1直流调速系统的概述
在生产和生活中，常常需要根据机械设备的性能要求，来手动或者自动地改变直流电机的速度，我们把这样的系统叫做直流调速系统。根据直流电动机的固有特性，可以得到通过改变直流电动机的固有参数或改变外加电压大小的方式改变其电枢电压的方式等，使直流电动机在稳定运行时的转速发生变化，这样就可以做到调速的功能。调速一般都是通过反馈的值与给定的值进行对比，然后根据偏差的值来对校正装置发出控制信号，以达到其目的。直流调速系统在现在，尤其是在需求高性能控制领域中依旧起着不可替代的作用。
1.1.1 直流调速的优缺点
使用直流电动机的设备非常容易实现速度的控制，易于构建控制模型。直流电动机调速具有在低转速时扭矩大的优点，这是交流电动机所无法媲美的。直流电机的适用领域相当的广，其一般可以在以下方面使用：加、减速要有一个缓冲过程；需要在低速时有大转矩；有良好的挖土机特性，能够过载电流限制设定电流。因为直流电机调速如此重要的作用，所以直流电机在很长一段时间内直流调速在生产机械中占主要地位。但是在平常使用中，直流电机容易发生故障，包括电刷打火、电驱变色、散热不充足、剧烈噪声和振动等问题，因此其需要经常地维护，这是一笔不小的开销，交流电机就没有这样的问题，而且直流电机也不能像交流电机一样构造简单，占地小巧，成本也很低廉。在现代，交流调速异军突起，开始渐渐蚕食直流调速的领地，但在高性能调速领域其依然能够固守国疆。
1.1.2 直流调速的发展历史
直流电动机电力拖动系大概统是在166年前诞生的，在上世纪中叶，由于技术尚不成熟，只有接近20%的高性能可调速拖动系统采用了直流电动机。在20世纪50年代左右，水银整流器与闸流管的出现促进了直流调速的发展，它们属于静止变流装置，替代了以前的老式整流装置，大大提升了整流的性能。但这样的变流装置也有很大的缺点，水银属于重金属，对人体和环境危害极大，并且其运行可靠性差，对直流电动机的稳定运行产生了极大的影响，但是限制于当时的科技水平，采用此静变流装置也是无可奈何，实属无奈之举。1960年之后，晶闸管诞生了，因为晶闸管整流装置优异的性能，其得到了广泛的应用，直流调速技术在这之后得到飞速的发展。晶闸管整流装置-直流电动机系统中的整流装置是由可控晶闸管构成的，晶闸管整流性能优异，工作稳定，在上世纪60年代起得到了大范围的应用，直流调速技术的发展迎来了春天。上世纪80年代以后，全控型器件器件诞生了，其整流性能较晶闸管更为优异，晶闸管渐渐被其替代。在控制器方面，数字电子控制已经开始逐渐取代模拟电子控制。在现代，生产设备需要更高的非线性和智能化控制，然而模拟电子控制在这方面就显得有些力不从心，模拟电子控制的处理量少、功能单一，不
- 1 -
孙啸：某冷轧机主传动直流调速系统设计
能实现非线性的控制，到了其退伍的时候了。用全控型电力电子器件可以组成直流变换器-直流电动机的系统，晶闸管-直流电动机系统现在越来越多地被其取代了。现在因为交流调速技术的迅猛发展势头，直流调速技术正在逐渐被淘汰，但是因为直流调速技术的调速性能比交流调速系统更为优异，至今依然活跃在很多的高性能调速领域。
1.2 直流电动机的调速方法
1.2.1 直流电机调速的理论依据
理想状态下，直流电动机在稳态状态下的转速为：
n?Ud?IR Ke?(1-1)
此式为调速理论的基础，根据此式可以分析得出以下几种调速方法。
1.2.2 三种常见的直流调速方法
在上面的公式中，Ke是一个常数，其不会影响到电机的速度，电流I的大小是根据电机拖动的负荷来决定的，也不会产生影响，所以只剩下三个参数可以影响电机的速度：
(1) 调节电枢端电压Ud：改变电枢电压能够起到改变转速的作用，机械特性曲线很 硬，能够在保证了输出转矩不变的情况下，调整转速，很容易实现高精度调速；
(2) 改变电枢回路总电阻R：转子串电阻一般用于低精度调速场合，串入电阻后由于 机械特性曲线会变得很软，不能实现无极调速和平滑调速、效率低，一般在倒拉反转型负载中使用；
(3) 减弱每极磁通量?：减弱每极磁通量后，电机的速度就会增加，其能够调速的区 间很小，只能加快而不能减慢速度，控制不好容易导致速度过快无法控制，其响应比较慢，不适合单独使用。
1.3双闭环直流调速系统简介
转速-电流双闭环直流调速系统的结构较为简单，可靠性较好，而且设计比较方便，在调速系统中应用非常的广泛。它也是《运动控制系统》这门课程中的的重要一环，对其进行研究，有利于我们加深对直流调速系统的深入理解，也能成为以后交流调速研究的垫脚石。转速-电流双闭环直流调速系统也是交流调速的理论基础，交流调速系统在近代已经越来越凸显其重要性，研究此系统为我们打下了坚实的基础，为以后的交流调速系统的学习
- 2 -
铜陵学院毕业设计（论文）
打下了坚实的基础，能将我们本专业的各门课的知识串接起来，形成一个完整的知识网，对以后的学习与工作都有很大的帮助。
1.4冷轧机简介
冷轧机是一种可以将钢筋加工成带钢的设备，可以大大提高钢筋的抗拉与抗压性，同时也一定程度地保留了钢的延展性，节约了用钢量，降低了用钢所需的成本。第一台冷轧机是由德国的施密茨公司在19世纪末期建造的，它的出现大大增强了生产力。冷轧机的性能与生产工艺代表着一个地区的重工业的等级。在生产过程中，可采用直流电动机来处理轧制过程中对速度调节的需求。
- 3 -
孙啸：某冷轧机主传动直流调速系统设计
第2章 系统主电路方案的选择与保护
系统地设计应该在满足设计提出的要求下，以较低廉的成本去获得更大的经济效益，来创造更高的价值。
2.1 系统主要部分采用方案的确定
2.1.1 传动及调速方案的选择
(1) 电动机的选择
电机的选择直接关系到机床的运行与产品的质量，应该根据设计的要求来确定，是系统设计的第一步。因为设计要求为生产机械工艺要求轧机传动系统要能实现可逆无级调速运行，且有较高的稳态控制精度，直流拖动很容易就能勾实现正反转功能，调起速来能在较广区间非常得平稳，过度自然，因此可以很好得满足能满足机床对电气控制系统提出的要求，所以这里我们选择直流电机作为本系统的执行机构。
(2) 电机直流调速方案的确定
根据1.2.1中的分析可以看出以调节电枢电压的调速方式最好，其它两种调速方式都有较大的缺点。因此，本系统将采用变压调速的方式进行设计。
2.1.2 整流电路的设计
(1) 整流方式的选择
使用晶闸管整流的调速系统具有很多的长处，如调速范围大、平滑性好、重量轻、噪音小、效率高、运行可靠、调速快、动态响应快等。晶闸管整流装置是变流装置供电的直流调速系统，它和其它整流装置相比，在经济性上和可靠性上有很大优势，而且在理论与实践方面相当得成熟。晶闸管整流也有一定的坏处，如因为使用变压器整流交流电得到直流，所以会有一定的电能损失，直流电机的运行会受到一定的影响；直流电机处于低速时，电路的损耗加大；整流系统会对交流电网产生不好的影响，造成污染。但是晶闸管整流装置还是利大于弊的，只要保护装置齐备，晶闸管整流装置运行十分稳定。因此在这里选择晶闸管整流装置给直流电机供电的方案。
(2) 供电整流电路相数的确定
整流电路出现最早，直流用电设备可以通过其将交流电转换为直流电来获得电能，按使用的整流装置的不同可以分成不可控、半控、全控三种，除了这些还有1相整流与n（n?1）相整流。这些整流电路的性能与适用领域都各不相同，单相晶闸管整流电路的性能不好，电压不够稳，影响了交流电网的稳定，所以一般多用于l0kw以下的拖动系统中。三相半波整流电路虽然对于三相电网平衡运行并没有影响，只使用了3只晶闸管，较三相
- 4 -