十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

1、河南工程学院课程设计十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计学生姓名： 学 院： 电气信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化 学 号： 专业课程： 自动控制系统 指导教师： 2014 年 12 月 26 日课程设计成绩评定标准及成绩序号评审项目指 标满分评分1工作态度遵守纪律，学习认真；作风严谨，踏实肯干。 5分2工作量按期圆满完成规定的任务，难易程度和工作量符合要求。 20分3出勤情况全勤： 得10分10分有迟到、早退、请假现象： 得8分旷课1天： 得5分旷课2天： 得2分旷课超过2天： 得0分4设计、实验方案能灵活运用相关专业知识，有较强的创新意识，有独特见解，设计有一定应用价值。30

2、分5实验技能动手能力强，能独立完成安装、调试等实际操作，能解决设计及实验过程中出现的问题。10分6小组表现注重团队合作，在小组中表现突出，对设计方案的制定及选取起主要作用，在实验操作过程中，承担主要执行者。5分7设计报告质量报告结构严谨合理；文理通顺，技术用语准确，符合规范；图表完备、正确，绘图准确、符合国家标准；。20分合 计评语：等 级： （优秀、良好、中等、及格、不及格）评阅人： 职称： 日 期： 年 月 日目 录摘要绪 论11 设计要求21.1 设计要求21.2 电动机选择22 设计方案论证23 硬件设计33.1 主电路设计33.1.1 供电方案的选择33.1.2 整流器主电路选择33

3、.1.2 整流元件的计算和选择53.1.3 平波电抗器的计算与选择73.2 触发电路选择83.3 控制电路设计83.3.1 转速检测环节的设计与校验83.3.2 电流检测环节的设计与校验103.4 保护电路设计133.4.1 过电压保护133.4.2 过电流保护154 系统仿真验证154.1 仿真软件154.2 系统的仿真结构框图164.3 系统的仿真模型174.4 仿真结果分析18结束语21参考文献22十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计摘 要本课题设计直流调速系统。首先根据设计要求，对开环，单闭环，双闭环等控制模型的优缺点进行比较最终选取转速、电流双闭环直流调速系统控制方案。并确定了系统

4、控制结构图。然后设计了硬件电路，包括主电路、触发电路、保护电路和控制电路设计。控制电路设计包括转速环ASR和电流环ACR的设计，其中电流环作为内环，转速环作为外环，调节器根据实际需要选用PI调节器。这样能够使系统具有良好的静态和稳态性能，工作可靠，设计和调试方便，能够达到设计要求。接着进行电路各部分参数的计算，并根据实际经验和仿真结果对计算结果进行了修正。最后部分是对双闭环直流调速系统进行建模、仿真验证和分析。关键词 直流调速；双闭环；转速调节器；电流调节器绪论电气传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。电气传动系统由电动机、控制装置以及被拖动的生产机械所组成。其主要特

5、点是功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十万转，在无变速机构的情况下调速范围可达1：10000；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。为了实现直流调速系统良好的稳态和静态性能，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输出，再用电流调节器的输出控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在内部，成为内环；转速环在外边，成为外环。形成双闭环系统，这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，工作可靠，设计和调试方便，能够达到设计要求。2 设计要求1.

6、1 设计要求(1) 电枢回路总电阻取；总飞轮力矩。(2) 其它参数可参考教材中“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；稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时。(4)要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。(5)要求触发脉冲有故障封锁能力。(6)要求对拖动系统设置给定积分器。1.2 电动机选择十级架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成十个部分，本次设计选用电机参数如表1.1。表1.1电机参数电机型号(KW)(V)(A)N（r/min）Ra（）GD2（N）P极对数Z2-514.223018.2514501.23.4312 设计方案论证

7、工业上，为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想启动，即要求在启动过程中，是启动电流一直保持最大允许值，此时，电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间；启动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变，又因调速精度要求较高，故采用转速电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流一直保持最大允许值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环其主要作用，使转速随转速给定器的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。选择的双闭环

8、的原理框图为图2.1图2.1 双闭环原理框图3 硬件设计3.1 主电路设计3.1.1 供电方案的选择调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。3.1.2 整流器主电路选择常用的整流器主电路比较和常用整

9、流电路的计算系数分别见表3.1和3.2。表3.1 常用的整流器主电路比较形式特点单相半空桥式单相全控桥式三相半波三相全控桥式双反星形带平衡电抗器三相半空桥式双三相桥带平衡电抗器变压器利用率较好（0.9）较好（0.9）差（0.74）好（0.95）一般（0.79）好（0.95）好（0.97）脉动情况一般（m=2）一般（m=2）一般(m=3)较小（m=6）较小(m=6)较小(m=6)较小(m=12)器件利用率好（180）好（180）较好（120）较好（120）较好（120）较好（120）较好（120）直流磁化无无无无无无无波形畸变一般（0.9）一般（0.9）严重（0.827）较小（0.955）较小（

10、0.955）较小（0.955）小（0.955）应用场合10k以下不可逆10kw以下可（不）逆50kw以下及电动机励磁10-200kw可（不）逆，应用范围广低压大 电流不可逆四象限运行表3.2 常用整流电路的计算系数电路形式单相半空单相全控三相半波三相半空三相全控换相电抗压降计算系数Kx0.7070.7070.8660.50.5整流电压计算系数Kuv0.90.91.172.342.34电压计算系数Kut1.411.412.452.452.45电流计算系数KIT0.450.450.3670.3670.367二次相电流计算系数KIV110.5770.8160.816一次相电流计算系数KIL110.4

11、720.8160.816视在功率计算系数KSI1.111.111.351.051.05漏抗计算系数KTL112.121.221.22漏抗折算系数KL01102电阻折算系数KR11122由于三相全控桥供电电路与其他电路相比较，它的脉动情况较小，晶闸管利用率较好和波形畸变率较小。并且适用范围最广。因此本课程设计选用三相全控桥供电电路。3.1.2 整流元件的计算和选择1) 额定电压的选择，即:取,式中，为晶闸管的电压计算系数；为整流变压器二次相电压。2) 额定电流选择，即:mA取,式中,为晶闸管电流计算系数；为整流变压器二次侧的额定电流。3) 整流变压器的参数计算应考虑的因素：a 最小延迟触发角：一

12、般可逆系统的取30到35，不可逆系统的取10到15。b 电网电压波动：电网电压允许波动范围为+5%到-10%，在电网电压最低时仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电网电压波动系数。c 漏抗产生的换相压降。d 晶闸管或整流二极管的正向导通压降。二次相电压的计算如下：,取U2=122V，式中，为变压器二次相电压，单位为V；为电动机的额定电压，单位为V；为整流电压计算系数；b为电网电压波动系数，一般取。 整流变压器的电流计算如下：式中，为二次相电流计算系数；当整流器用于电枢供电时，一般取；为一次相电流计算系数；K为变压器的电压比。整流变压器的容量计算如下：式中、分别为变压器一次、二次绕组的相数，对

13、于三相全控桥， ；、分别为变压器一次、二次相电压；、分别为一次、二次相电流。3.1.3 平波电抗器的计算与选择由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢及整流变压器的漏抗，再求出需要外接电抗器的电感值。1) 用于限制输出电流脉动的临界电感/mH。式中为临界计算系数，三相全控桥为1.045；为电流最大允许脉动系数，三相电路；为整流变压器二次相电压，单位为V；为电动机最小工作电流，单位为A，取电动机额定电流的。2) 用于保证输出电流连续的临界电感 /mH。取= 63.9mH，式中为临界计算系数，三相全桥为0.693；为整流变压器二

14、次相电压，单位为V；为电动机最小工作电流，单位为A，取电动机额定电流的。3) 直流电动机的漏电感/mH。式中，为直流电动机的额定电压，单位为V；为直流电动机的额定电流，单位为A；为直流电动机的额定转速，单位为r/min；p为直流电动机磁极对数；为计算系数，对于一般无补偿绕组电动机，。 4) 折合到整流变压器二次侧的每相漏电感/mH。式中为计算系数，三相全桥取3.9，整流变压器阻抗电压百分比，一般取；为整流变压器二次相电压，单位为V；为直流电动机的额定电流，单位为A。5) 实际应串入的平波电抗器电感/mH。=57mH3.2 触发电路选择（1）移向触发器的主要技术指标 移向触发器的主要技术指标有同

15、步信号类型（正弦波和锯齿波）、同步信号幅值、移向范围、脉冲幅值、脉冲宽度等。（2）触发电路的选择结合多种常用触发电路的特点，选择集成触发电路触发，该电路广泛应用于各种晶闸管装置中并且输出脉冲能满足要求，优缺点如表3.3。表3.3 集成触发电路特点类型优点缺点适应范围集成触发电路体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠移向范围小于，为保证触发电路对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%广泛应用于各种晶闸管装置中选择集成触发电路型号为TC787，能够满足设计需要的条件。3.3 控制电路设计控制电路主要包括给定电源和给定环节、转速检测环节和电流检测环节、调速系统的静态参数计算。3.3.1 转速检测环节的

16、设计与校验（1）转速环的设计1)电流环等效时间常数为 2=0.0074s，转速滤波时间常数=0.01s2)确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，ASR必须含有积分环节；又根据动态设计要求：应按典型型系统设计转速环。3) ASR的结构和参数选择。ASR选用PI调节器,其传递函数为 转速调节器的比例系数 转速调节器的超前时间常数按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：。转速环开环增益：电流反馈系数：转速反馈系数：=1ASR的比例系数为：设计的转速环调节器电路图如图3.1所示图3.1 转速环调节器电路图 (2) 转速环的校验 1)检验近似条件 转速环截止频

17、率：电流环传递函数简化条件，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。3.3.2 电流检测环节的设计与校验(1) 电流环的设计 1）三相电桥的平均失控时间=0.0017s,电流滤波时间， 2）确定将电流环设计成何种典型系统。根据设计要求：，。而且。 因此，电流环可按典型I型系统设计。 3）电流调节器的结构和参数选择。ACR选用PI调节器，其传递函数为 ACR参数选择如下：电流开环增益：因要求，故应取，因此于是，ACR的比列系数为 4）因为 ，且有电机参数可知：， 即给定值为。 设计的电流环调节器电路图如图3.2所示图3.2 电流环调节器电路图(2) 电流环的校验 1）校验近似条

18、件 电流环截至频率为：校验整流装置传递函数的近似条件是否满足，因为所以满足近似条件。校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：因为所以满足近似条件。校验小时间常数的近似处理是否满足条件：因为 所以满足近似条件。3.4 保护电路设计晶闸管保护环节包括交流侧过压保护、阻容保护和压敏电阻包护、直流侧过压保护、晶闸管及整流二极管两端的过压的保护、过电流保护。3.4.1 过电压保护 以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。(1) 交流侧过电压保护阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。结合实际情况选用整流式接法，该电路模型如图3.3。图3.

19、3 整流式接法 S=14.64kvA,V 。取值：当 S10KVA时，取=4KVA。 F=23.60F 耐压1.5Um =1.5122=254.56V选取30F,耐压258.8V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5KV， =2.5，取3 =1.15A =W=W选取3、14W的金属膜电阻。压敏电阻的计算： =V=224.29V流通量取5KA。选MY31-240/5型压敏电阻。允许偏差+10（264V）。(2) 直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻

20、作过电压保护。 =(1.82.2)230V=414460V 选MY31-440/5型压敏电阻。允许偏差+10（484V）。(3) 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 查表3.4。表3.4 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5122=448.25V3.4.2 过电流保护晶闸管整流装置过电流能力比一般

21、的电器差的多，必须在极短的时间内把电源断开或把电流降下来。快速熔断器有快速熔断的特性，熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前自身熔断。它安装电路模型选用如图3.4。图3.4 快速熔断器安装电路模型 直流侧快速熔断器:容体额定电流：1.5In=27.375A 交流侧快速熔断器:容体额定电流：1.5I2=22.29A 晶闸管元件串联快速熔断器:容体额定电流IkIKR1.57IT=47.1A 总电源快速熔断器:容体额定电流IKRD1.5I1=19.7A4 系统仿真验证4.1 仿真软件本设计选用仿真软件为matlab2007，MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开

22、发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它的工作界面如图4.1。选用的绘图软件为Visio2007，Microsoft Office Visio 2007是微软公司出品的一款软件，它有助于IT和商务专业人员轻松地可视化、分析和交流复杂信息。它能够将难以理解的复杂文本和表格转换为一目了然的Visio图表。该软件通过创建与数据相关的 Visio 图表来显示数据，这些图表易于刷新，并能够显著提高生产率。它的工作界面示例如图4.2。图4.1 matlab2007工作界面图例图4.2 Visio2007绘图工作界面示例4.2 系

23、统的仿真结构框图 这次设计采用转速电流双闭环调速系统，设计的仿真结构框图如图4.3。包括给定信号、ASR、ACR、限幅器、偏执电路、电流负反馈环节、转速负反馈环节等部分。图4.3 仿真结构框图4.3 系统的仿真模型(1) 直流调速系统的开环仿真模型如下图4.4所示。图4.4 直流调速系统的开环仿真模型开环系统仿真参数设置 开环仿真模型搭建后如图，三相交流电源每相相电压的幅值取为220V，A相相位角设为，A、B、C三相相位角依次相差，频率都设为50Hz，其他为默认值。平波电抗器为63.9mH,负载转矩TL取25.1rad/s。电机参数Ra取1.2，La取34.7mH。仿真结果测出晶闸管输出电压满

24、足230V的给定范围，为【142,203】。(2) 直流调速系统的双闭环仿真模型如下图4.5所示。图4.5 直流调速系统的双闭环仿真模型 由前面各个器件参数的计算可知，电流调节器参数取值为：Kp=2.43,Ki=81。限幅值取【120,-120】，给定取值120.4rad/s。电流调节器参数取值：Kp=3.8,Ki=2.7。限幅取值【2.73 -2.73】。平波电抗器为63.9mH,负载转矩TL取25.1rad/s。经修正后TL取30rad/s。4.4 仿真结果分析(1) 静差率 系统空载和额定负载转速仿真如图4.6所示。 静差率计算如下： 由于， 符合设计要求。(2) 电流脉动系数 系统带额定负载稳定运行时的仿真图如图4.8所示。10% 符合设计要求。(3) 转速超调量 启动到额定转速时的转速仿真图如下图4.9所示。 由于 符合设计要求。 (4) 仿真结果分析通过对仿真结果的分析，双闭环调速系统的工作过程可概括为如下几点:1) ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，及饱和限幅输出与线性调节状态。2) ACR从启动到稳态运行的过程中只工作在一种状态，即线性调节状态。3) 所设计系统的电动机起动特性已十分接近理想特性。所以，该系统设对于起动特性来说，已达到预期目的。图4.6 系统空载和额定负载转速仿真图图4.7 系统带额定负载稳定运行时的仿