十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计--哈尔滨理工大学

哈尔滨理工大学 课程设计报告书 题 目： 十机架连轧机分部传动直 流 调速系统 系（院）： 自动化学院 专 业： 自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 第一章 调速技术部分 1.1 设计要求 (1)电枢回路总电阻取 R=2Ra; 总分轮力矩 GD2=2.5GD2=2.5*31.36 NM2，极对 数 P=1。 （2）其它未尽参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的 有关数据。 （3）要求：调速范围 D=10,静差率 S=6I em (uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf2US 式中 S-变压器容量（KVA） ； U2-变压器二次相电压有效值（V） ； Iem-变压器励磁电流百分数，对于 10100KVA 的变压器，一般为 10%4%； 电阻值 R C=5U21/I21=5*120/170.544=3.518 B.非线性电阻保护方式 非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。 压敏电阻的标称电压 U1Ma=1.3 U=1.3* *120=220.6V2 式中 U-压敏电阻两端正常工作电压有效值（V） 。 C.直流侧过电压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻保护，但 采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成 di/dt 加大，一般只用压敏电阻 作过压保护。 压敏电阻的标称电压 U1Ma=2 =2*2.34U2=2*2.34*120=561.6VDC (2)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 为了抑制晶闸管的关断过电压， 通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，阻容保护元件参数可以根据 查经验数据表得到。 晶闸管额定电流 10 20 50 100 200 500 100 电容（uf） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 1 电阻（） 100 80 40 20 10 5 2 表 1.1 阻容保护的原件参数 (3)过电流保护 快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相 比，具有快速熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于 20 毫秒，能保证在晶 闸管损坏之前自身熔断，避免过电流损坏晶闸管，图 1.3 接法对过电流保护最 有效。 图 1.3 快速熔断器的安装方法 (4) 电压和电流上升率的限制 不同规格的晶闸管对最大的电压上升率及 电流上升率有相应的规定，当超过其规定的值时，会使晶闸管误导通。限制电 压及电流变化率的方法有 A交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器 LB的计算公式为 LB= =8.96HdNIfU816.0*242 式中 交流器输出额定电流 IdN，电源频率 f,变压器二次相电压 U2 B在桥臂上串联空心电感，电感值取 2030H 为宜。 C在功率较大或频率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间 增长，影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁环套在桥臂导线上，使桥臂电 感在小电流时磁环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目 的，还可以缩短晶闸管的关断时间。 1.3.4 平波电抗器的计算 晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持 电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。 （1） 电动机电枢电感 DL *1000=8*220*1000/(2*2*1450*209)=2.9mHNDIpnUK2 对于快速无补偿电动机 取 8，磁极对数 p=2。D （2） 变压器电感 为TL *1000=3.9*0.05*120/209=0.12mHNdlIUK2 式中 =0.05。,9.3Tdl （3） 平波电抗器的选择。维持电流连续时的 为PL =0.639*120/(0.05*209)-)2(2min11 DTdDTPIUKLL (2*0.12+2.9)=7.33-3.14=4.19(mH) 式中， 。NdIIK05.,693.0min1 限制电流的脉动系数 =5%时， 值为iSPL =1.045*120/(0.05*291)-3.14=8.62-)2(221 DTNiDTPIULL 3.14=5.48（mH） 取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为 5.48mH 时，电流连续和脉动 要求能同时满足。 1.4 触发电路的选择与校验 触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择 KC 系列集成触发电路。 此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可 靠。其缺点是移相范围小于 180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波 形畸变率小于 5%。适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。 选用集成电路 MC787 组成的三相触发电路，如图 2-5 所示。该集成块由同 步过零、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉 冲形成电路、脉冲分配及驱动电路组成。 图 1.4 MC787 组成的三相触发电路原理接线图 图 1.4 的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调 压晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经 RC 组成的 T 形网 络滤波分压，并产生 30相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采 用等值电阻进行 1/2 分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲 变压器触发晶闸管。 1.5 控制电路的计算 1.5.1 给定电源和给定环节的设计 根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集 成稳压管的可调输出电路。 由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压 VC又 为正电压，故给定电压 UG就为负电压，而一切反馈均取正值，为此给定电压与 触发器共用一个 15V 的电源，用一个 2.2K,1W 电位器引出给定电压。 1.5.2 转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计 （1）测速发电机的选择 有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有:额 定电压 ETG=40V,nTG=2000r/min 负载电阻 RTG=2K 的电位器。由于主电动机的 额定转速为 1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为 29V，给定电源 15V,只 要适当取反馈系数 ，即可满足系统要求。 （2）转速负反馈环节 设转速反馈滤波时间常数：T on=0.01s,则转速反馈 系数 =U n*/nN=15/1450=0.01Vmin/r （3）电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：T oi=0.02s,则电流反馈 系数 =0.05V/A (4)调速系统的静态参数 电动机电动势常数 ： C e= = =0.115NnRIUa1450.3*29- 按要求调速系统的静态速降：n N= = =7.63r/minSDs%)( 1.6 双闭环直流调速系统的动态设计 (1)电流调节器的设计 1）确定时间常数 在三相桥式全控电路有： 已知 ， ，所以电流环小时间常数sTs07.sToi02. =0.0017+0.002=0.0037S。oisi 2）选择电流调节器的结构 因为电流超调量 ，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计%5i 电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用 PI 型电流调节器 。sKWiACR1 电流调机器的比例系数i 电流调节器的超前时间系数i 3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数 = =0.03s，又因为设计要求电流超调量iTl ，查得有 =0.5，所以 = = ，电枢回路总%5iiIKIKi5.01.357.S 电阻 R=2 =0.6，所以 ACR 的比例系数aR =siIiKR4.2305.163 4）校验近似条件 电流环截止频率 = =135.1 。ciWIK1S 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。1.9607.31Ts ciW 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。cilmS 1792.03.841 电流环小时间常数近似处理条件： ，满足条件。 isT13 ciWS1.02.17. 5） 计算调节器的电阻和电容 取运算放大器的 =40 ，有 =4.32 40=511.68 ，取 172.80RkoiiRKk ,取 180 ， ，取 0.,2 ，kkFCii 17.083. ，取 0.2 。故 =RTCoii 2.40. sKWiACR1 ，其结构图如下所示：s3.12 图 1.5 电流调节器 (2) 转速调节器的设计 1） 确定时间常数： 有 则 ，已知转速环滤波时间,5.0iITKssTKiI 074.3.21 常数 =0.01s，故转速环小时间常数 。on sTKonIn 0174.1 2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用 PI 调节器 sKsWnASR1 转速调节器的比例系数N 转速调节器的超前时间常数n 3）计算转速调节器参数： 按跟随和抗干扰性能较好原则，取 h=4,则 ASR 的超前时间常数为： ，shTn069.174. 转速环开环增益 。1222 .5.KnN ASR 的比例系数为： 。 86.704.87.041nmenRThC 4）检验近似条件 转速环截止频率为 。92.356.151nNcnKW 电流环传递函数简化条件为 ，满足条件。cniI WsT17.0.33 转速环小时间常数近似处理条件为： ，满足cnonIK1.38.51 近似条件。 5）计算调节器电阻和电容： 取 =40 ，则 ，取 3000 。0Rk kRKn 4.271086.0 k ，取 0.1FCn23.369. ，取 1 。ko401.A 故 。其结构图如下：ssKsWnASR 069.1871 图 1.6 转速调节器 校核转速超调量：由 h=4，查得 ，不满足设计要求，应使%106.43n ASR 退饱和，重计算 。设理想空载 z=0，h=4 时，查得 =77.5%，所以n bCmax1450.82.5.72)(2max mnNbn TzC =0.00264 =0.264% 10% 满足设计要求. 1.7 系统的计算机仿真 1.7.1 开环调速系统的建模与仿真 从原理结构图可知，该系统由给定环节、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平 波电抗器、直流电动机部分等组成。 下图是采用面向电气原理结构图方法作的开环直流调速系统的仿真模型。 A.系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。 1 主 电路的建模和参数的设置 开环直流调速系统的主电路由三相对称交流的电压源、晶闸管整流桥、平 波电抗器、直流电动机部分等组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不 可分割的两个环节 通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。 （1）三相对称交流电压源的建模和参数设置 为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。 双击 A 相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，A 相交流电压源 参数设置如下，幅值取 220V、初相位设置为 0、频率为 50Hz、其他为默认值； B、C 相交流电源参数设置方法同 A 相相同。初相位设置为互差 120外，其他 参数同 A.由此可得到三相对称交流电源，本模型的相序是 A-C-B. （2）晶闸管整流桥的建模和参数设置 采用三相整流桥，桥臂取 3， ；一般情况下，晶闸管的参数取默认值，仿真 理想就为默认值，不理想再优化参数。 (3)平波电抗器的建模和参数设置 平波电抗器的类型直接选择为电感就可以了，其电感值可通过仿真进行优 化。 (4)直流电动机的建模和参数设置 双击直流电动机的图标，打开电动机的参数设置对话框，对其参数有转速 n、电枢电流 、激磁电流 、电磁转矩 均按计算的实际值设置。nIfIeT (5)脉冲触发器的建模和参数设置 通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，同步脉冲触 发器包括同步电源和 6 脉冲触发器两部分。同步脉冲触发器如下图所示。 2.控制电路的建模与仿真 开环直流调速系统只有一个给定环节，双击给定环节模块，打开参数设置 对话框，设置参数。 （二）开环调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 图 1.7 开环调速系统仿真模型 1.7.2 单闭环有静差调速系统的建模与仿真 从原理结构图可知，该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、 晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。 下图是采用面向电气原理结构图方法作的单闭环有静差调速系统的仿真模 型。 （一）系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。 1.主电路的建模和参数的设置 主电路与开环调速系统相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙 述。 2.控制电路的建模与仿真 单闭环有静差调速系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸 管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。另增加了限 幅器、偏置、反向器等模块。 给定信号模块的建模和参数的设置方法与开环调速系统相同。 速度调节器、限幅器、偏置、反向器等模块的建模和参数的设置方法很简单， 找到相应的模块，进行相应参数的设置即可。 （二）单闭环有静差调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 图 1.8 单闭环有静差调速系统的仿真模型 1.7.3 转速、电流双闭环无静差调速系统的建模与仿真 多环直流调速系统与开环、单闭环直流调速系统的主电路模型一样，主电路由 交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度 反馈环节部分等组成。差别在控制电路上。 （一）