直流调速在连轧机控制系统中的应用.doc

交直流调控系统论文

姓名 王玥珺
班级 09电气2班
学号 30

直流调速在连轧机控制系统中的应用

目录
第一章 连轧机
（1） 工作原理
（2） 结构特点
（3） 需要调速系统分析
第二章 调速系统元器件
（1） 整流模块
（2） 给定模块
（3） 反馈模块
（4） 控制模块
第三章 调控分析
（1）原始条件
（2）原始指标
（3）常用公式
（4）常用基准参数
第四章 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 S1…Sn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，噪声小，脉冲负荷稳定，电阻范围大（1—10MΩ）。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（1-200MΩ）。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。
二） 电容
常见电容器：纸介电容器、有机薄膜电容、云母电容、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：
1. 从结构分：固定电容器、可变电容器和微调电容器。
2. 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。
3. 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 、 PNP
c.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。
1. 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（N﹒m2）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
/kW
Un
/V
In
/A
nn
/（r/min）
Ra
/
GD2a
/N﹒m2
Ifn（A）
P
/对
1
Z2-92
67
230
291
1450
0.2
4.98
68.60
1
2
Z2-91
48
230
209
1450
0.3
3.77
58.02
1
3
Z2-82
35
230
152
1450
0.4
2.67
31.36
1
4
Z2-81
26
230
113
1450
0.5
2.765
27.44
1
5
Z2-72
19
230
82.55
1450
0.6
3.05
11.76
1
6
Z2-71
14
230
61
1450
0.7
2.17
9.8
1
7
Z2-62
11
230
47.8
1450
0.8
0.956
6.39
1
8
Z2-61
8.5
230
37
1450
0.9
1,14
5.49
1
9
Z2-52
6
230
26.1
1450
1.0
1.11
3.92
1
10
Z2-51
4.2
230
18.25
1450
1.1
1.045
3.43
1
2. 若干假设
① 电枢回路总电阻取为R∑=2Ra,亦可按经验公式估计Ra=（1/2～1/3）(UnIn-Pn)/I2n 。
② 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δ≤5%；启动到额定转速时的转速超调量δ≤5%（按退饱和方式计算）。
（3） 常用公式
① 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。
Ⅰ. 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U1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αmin及电网电压波动系数ε有关，可按下式近似计算
U2=KzUn/εAB
式中，Kz为安全系数，一般取1.05～1.10左右。
Ⅱ. 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=K2In
I1=K1U2In/U1
Ⅲ. 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=m2U2I2
S1=m1U1I1
S=½﹙S1+S2)
式中，m1 、m2分别为一次侧与二次侧绕组的相数。
整流电压器的计算系数
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/U2
0.9
1.17
2.34
2.34
B=Ud/Ud0
cosαmin
cosαmin
cosαmin
cosαmin
K2=I2/In
1
0.577
0.816
0.816
K1=I1/In
1
0.472
0.816
0.816

表中Ud0、Ud分别为α=0及α=αmin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。
②．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、负载性质、整流电压及整流电流平均值、控制角α的大小等因数有关。一般按α=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。
Ⅰ. 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=（2～3）Um
式中2～3为安全系数，要求可靠性高时取较大值。
Ⅱ. 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=（1.5～2.0）KfbIm
式中，Kfb为计算系数：1.5～2.0为安全系数。
Ⅲ. 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：

Ⅳ. 静差率
调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增
加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0
之比，用s表示。即：

Ⅶ. 他励直流电动机的转速公式：

Ⅷ. 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（α=0）
电阻负载
0.5
0.374
0.368
Kfb（α=0）
电感负载
0.45
0.367
0.367

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/Hz
100
150
300
Su
1．2
0．88
0.46
K1
2.85
1.46
0.693
KB
3.18
6.75
3.9

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/V
最大功耗/W
502CW（100）
1～2.8
83(330)
≤1.0
0.25(1.0)
512CW（100）
2.5～3.5
71(280)
≤1.0
0.25(1.0)
522CW（101）
3.2～4.5
55(220)
≤1.0
0.25(1.0)
532CW（102）
4.0～5.8
41(165)
≤1.0
0.25(1.0)
542CW（103）
5.5～6.5
38(150)
≤1.0
0.25(1.0)
552CW (104)
6.2～7.5
33(130)
≤1.0
0.25(1.0)
562CW (105)
7.9～8.8
27(110)
≤1.0
0.25(1.0)
572CW (106)
8.5～9.5
26(100)
≤1.0
0.25(1.0)
582CW (107)
9.2～10.5
23(95)
≤1.0
0.25(1.0)
592CW (109)
10～11.8
20(83)
≤1.0
0.25(1.0)
2CW 60(110)
11.5～12.5
19(76)
≤1.0
0.25(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）
≤0.8

≤0.8

≤1.0
≤1.0
≥10

≥30

≥50
≥100
20、30、40、50、60
20、30、40、50、60
20、30、40、50
20、30、40、50
2CK 75（A、B、C、D、E）
2CK 78（A、B、C、D、E）
IN4148
FR103～FR107
≤1.0

≤1.0

≤1.0
≤1.0
≥150

≥270

≥10
1000
20、30、40、50

20、30、40、50

20
200、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、H
100
｜＜﹣9｜
＞1000
15
20
3DJ7I、J
100
｜＜﹣9｜
＞3000
10
20

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
MYL1-1
47～1000
1
＜3
＜80
MYL1-2
47～1000
2
＜3
＜80
MYL1-3
47～1000
3
＜3
＜80
MYL1-5
47～1000
5
＜3
＜80
MYL1-10
56～820
10
＜4
＜10
MYL1-15
100～680
15
＜4
＜10
MYL1-20
330～660
20
＜4
＜10
MY21
100～820
0.5～10
＜1.9
＜30
MY23
100～1000
0.5～20
＜1.9
＜30

第四章 综合分析
（1） 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”。