【正文】 四輥可逆冷軋機(jī)的卷取機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案第一章 設(shè)計概述 設(shè)計目的 運(yùn)動控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、實(shí)踐性和工程背景，運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用運(yùn)動控制系統(tǒng)的知識和理論分析和解決運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計問題，使學(xué)生建立正確的設(shè)計思想，掌握工程設(shè)計的一般程序、規(guī)范和方法，提高學(xué)生調(diào)查研究，查閱文獻(xiàn)及正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊等工具書的能力，理解分析、制定設(shè)計方案的能力，設(shè)計計算和繪圖能力，實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)調(diào)試能力，編寫設(shè)計說明書的能力。 設(shè)計內(nèi)容（1） 根據(jù)工藝要求，論證、分析、設(shè)計主電路和控制電路方案，繪出該系統(tǒng)的原理圖。（2）設(shè)計組成該系統(tǒng)的各單元，分析說明。（3）選擇主電路的主要設(shè)備，計算其參數(shù)（含整流變壓器的容量S，電抗器的電感量L，晶閘管的電流、電壓定額，快熔的容量等），并說明保護(hù)元件的作用（必須有電流和電壓保護(hù)）。（4）設(shè)計電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)（或張力環(huán)），確定ASR和ACR（或張力調(diào)節(jié)器ZL）的結(jié)構(gòu)，并計算其參數(shù)。（5）結(jié)合實(shí)驗(yàn)，論述該系統(tǒng)設(shè)計的正確性。 課題設(shè)計要求 （1） 生產(chǎn)工藝和機(jī)械性能四輥冷軋機(jī)是供冷軋紫銅及其合金成卷帶材之用。為提高生產(chǎn)效率，要求往返均要軋制，其軋機(jī)工藝參數(shù)如下：工作輥的最大和最小直徑：156/136cm支持輥的最大和最小直徑：500/470cm輥身長：400cm軋制時扎件對軋輥的最大壓力：60噸壓下時扎件對軋輥的最大壓力：120噸基速：7m/s帶材寬度：~10m/s軋制成品：8道次以上帶卷內(nèi)徑（卷筒直徑）：500mm帶卷外徑：680 ~1100mm帶卷最大重量：2000Kg帶卷最大張力：2000Kg卷取機(jī)傳動比：i= 軋機(jī)原理簡圖：軋機(jī)（軋輥）作開卷機(jī)用作卷取機(jī)用作卷取機(jī)用作開卷機(jī)用V負(fù)V正帶材 輥機(jī)原理簡圖（2） 設(shè)計要求： 兩臺卷取機(jī)控制原理完全一樣，僅設(shè)計其中一臺；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量≤5%；空載啟動至額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤10%，能實(shí)現(xiàn)快速制動。（3） 直流電動機(jī)參數(shù) Pn=120Kw,Un=230V,In=780A,Nn=1400r/min,Ra=電樞回程總電阻R=,電流過載位數(shù)λ=， 背景知識介紹冷軋機(jī)，是在“再結(jié)晶”溫度（包括常溫）下將一定厚度的板材軋成目標(biāo)厚度的設(shè)備。傳統(tǒng)的冷軋機(jī)都是用力矩電機(jī)和直流電機(jī)來控制的。冷軋機(jī)的設(shè)備一般由3部分組成，即開卷機(jī)、主機(jī)、卷取機(jī)（可逆軋機(jī)不分開卷和卷?。├滠垯C(jī)主要用途：冷軋機(jī)用于軋制普碳、優(yōu)特中炭鋼、鋁、銅、鋅等金屬帶材。應(yīng)用領(lǐng)域：冷軋機(jī)主要應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)、冶金行業(yè)等。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，高性能矢量變頻器的出現(xiàn)，變頻器在冷軋機(jī)上的應(yīng)用日益廣泛。四輥壓延機(jī)是輪胎生產(chǎn)的大型關(guān)鍵設(shè)備之一。主要用于對簾布的連續(xù)貼膠或用于對簾帆布的不連續(xù)擦膠。由于作為輪胎胎體骨架材料的簾布質(zhì)量對輪胎的內(nèi)在質(zhì)量、安全性起著至關(guān)重要的作用，而且控制簾布質(zhì)量也是降低生產(chǎn)消耗的重要手段，因此，生產(chǎn)過程中四輥壓延機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到整個輪胎生產(chǎn)企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，歷來備受輪胎生產(chǎn)廠家、橡膠機(jī)械制造企業(yè)的關(guān)注。我國自行研制生產(chǎn)的第一臺S型四輥壓延機(jī)是大連橡膠塑料機(jī)械廠在1971年末研制出的XY4S1800型四輥壓延機(jī)組。它分為主機(jī)和輔機(jī)兩部分。其中輔機(jī)由導(dǎo)開裝置，接頭硫化機(jī)，小牽引機(jī)，前、后儲布裝置，前四輥和后四輥牽引機(jī)，十二輥干燥機(jī)，冷卻機(jī)，自動切割機(jī)，卷取裝置和相應(yīng)的定中心裝置，張力傳送架，同位素穿透式測厚裝置組成。第二章 調(diào)速方案選擇 在進(jìn)行調(diào)速方案選擇之前，先來簡要介紹一下直流調(diào)速的一般原理。 直流調(diào)速的一般原理理想化直流電動機(jī)，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程可表示為：式中n——轉(zhuǎn)速（r/min）； U——電樞電壓（V）； I——電樞電流（A）； R——電樞回路總電阻（）； ——勵磁磁通（Wb）； ——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；在上式中，是常數(shù)，電流I是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；2） 減弱勵磁磁通；3） 改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。以下介紹在直流調(diào)速系統(tǒng)中比較常用的開環(huán)控制、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制等控制方法。 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下圖221： 圖221晶閘管——電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(V——M系統(tǒng))原理圖圖221中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。這里對晶閘管可控整流器的移相控制是關(guān)鍵。鋸齒波同步移相觸發(fā)電路將在第三章介紹。其整流原理為三相橋式全控整流，基本原理見下圖222。通過改變觸發(fā)角從而改變Ud以進(jìn)行調(diào)速。圖222三相橋式全控整流電路開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路簡單，有利于在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，并且能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是可以滿住要求的。然而，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)沒有控制結(jié)果的反饋，控制精度不高，在需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對靜差率有一定的要求的場合往往不能滿住要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小常有波動，但是為了保證工件的加工精度和加工后的表面潔凈度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大。這時就不能使用開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)了。 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對調(diào)速指標(biāo)要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖如下圖231：圖231轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 圖232轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可見轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)際上是開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的“閉環(huán)化”。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)檢測轉(zhuǎn)化與給定信號相比較并經(jīng)放大后，得到移相控制電壓UCt，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時當(dāng)“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。與開換系統(tǒng)相比，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)性能更為穩(wěn)定。根據(jù)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖作如下分析：轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式n=Kp*Ks*U1/Ce(1+K)Id*R/Ce(1+K)式中：Kp—放大器的電壓放大系數(shù)。Ks—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)。α—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)U1—給定電壓設(shè)K= Kp* Ks*α/ Ce閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降ΔNcl=R*Id/(Ce(1+K))閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率Scl=ΔNcl/Nn調(diào)速范圍Dcl=Nn*s/( ΔNcl*(1s))可見經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)Kp、Ks，可以使系統(tǒng)的特性更硬，調(diào)速范圍更寬。 帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電動機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓△Un= Un*，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓Ud一下子就達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障使機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)