十机架连轧机直流调速系统的课程设计

1、课题：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，连轧是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。其主要特点是被扎金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终形成一定的断面形状。每个机架的上下轧辊共用一台电机实行集中拖动，不同机架采用不同电机实行部分传动，各机架轧辊之间的速度实现协调控制。本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成10个部分，各部分电动机参数如下表。机架序号电动机型号(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数1Z2-926723029114500.268.612

2、Z2-914823020914500.358.0213Z2-823523015214500.431.3614Z2-812623011314500.527.4415Z2-721923082.5514500.711.7616Z2-71142306114500.89.817Z2-621123047.814500.96.3918Z2-618.52303714501.05.4919Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.4312技术数据（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

3、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。（1） 要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。（2） 要求触发脉冲有故障封锁能力。（二）设计的内容1调速的方案选择（1） 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）（2） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控桥变流器供电方案）（3） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）（4） 确定直流调速系统的总体结构框图。2主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路计算的章节）（1） 整流变压器计算。二次侧电压计算；一二次电流的计算；容量的计算。（2）

4、 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（3） 晶闸管保护环节的计算。交流侧过电压保护；阻容保护、压敏电阻保护计算；直流侧过电压保护；晶闸管及整流二极管两端的过电压保护过电流保护 交流侧快速熔断器的选择；与元件串联的快速熔断的选择；直流侧快速熔断器的选择（4） 平波电抗器计算3触发电路的选择与校验（可参考“电力电子技术”中有关主电路计算的章节）触发电路的种类较多，可直接选用，触发电路中元件参数可参照有关电路进行选用，一般不用重新计算。最后只需要根据主电路选用的晶闸管对脉冲输出级进行校验，只要输出脉冲功率能满足要求即可。4控制电路设计计算主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环

5、节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数计算5双闭环直流调速系统的动态设计主要设计转速调节器和电流调节器。（三）设计提交的成果材料（1）设计说明书一份，与任务书一并装订成册。（2）直流调速系统电气原理总图一份。电动机参数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。它是为了合理地使用电动机，通过对电动机的控制，使被拖动的机械按照某种预定的要求运行。电气传动系统是将电能转换为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。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。其主要特点是功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百

6、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。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，而直流调速系统又分为开环调速、单闭环调速和双闭环调速等调速方式。其中开环调速的静差率不高，且只能实现一定范围内的无极调速；而在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的，它不能很理想的控制电流的动态波形，但双闭环控制可解决以上的所有问了题，故本系统采用双闭环调速系统。一、双闭环系统结构图及工作原理：1、转速、电流双闭环控制直流调速系统组成： 为了实现转速和电流两种负反馈

7、分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。双闭环直流调速系统电路原理图如下所示： 双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统动态结构图如下所示：n_ 双闭环直流调速系统动态结构图 2、工作原理： 在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压扰动。电力电子变换器把交流供电电压整流为供电动机使用的直流电压，转速调节器ASR的输出限幅电压限制了电

8、力电子变换器的最大输出电压。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，转速、电流双闭环系统把主要被调量转速和辅助被调量电流分开加以控制，并以转速调节器ASR的输出电压作为电流调节器ACR的电流给定信号，再用电流调节器的输出电压Uc作为可控硅触发装置的移向控制电压。这样就组成了转速、电流双闭环调速系统。二、 元件参数选择： 1晶闸管的选择、过电流以及过电压的保护:<1>、晶闸管的计算及选择：为了使晶闸管整流桥路所要求的交流供电电压与电网一致，且为了使晶闸管主电路与电网隔离,从而减少电网与整流装置的相互干扰，限制高次谐波流入电网，故应配置整流变压器。整流变

9、压器的基本技术参数为二次电压值与变压器容量。已知电动机参数为 ；主回路总电阻R=0.028；电枢回路总电感；电机飞轮惯量；系统最大给定电压；ACR、ASR调节器限幅值调到为。取=由6.924， 则， ；由以上两式可以推导出整流电压：，将相应数值代入可得：，由公式，可得变压器二次电压：。变压器二次侧电流：选择晶闸管元件主要根据是晶闸管整流装置的工作条件，计算管子电压、电流值，正确确定晶闸管型号规格，以得到满意的技术经济效果。已知的电压，对于三相桥式全控整流电路，可知晶闸管最大承受电压：所以晶闸管的额定电压应为（23）倍的，即：,可取2000V；晶闸管的额定电流可由简化经验公式：,取150A。参考

10、下表以及半导体变流技术和电力电子技术文献，知选择晶闸管的型号规格为KK200-8。<2>、过流、过压保护元件参数。晶闸管原件有很多优点，但与其它电气设备相比，由于元件的击穿电压较接近运行电压，热时间常数小，因此过电压，过电流能力差，短时间的过电流，过电压都可能造成元件损坏。为使晶闸管装置能正常工作而不损坏，只靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节，因此在晶闸管装置中，必须采取适当的保护措施。（1）、过压保护：晶闸管关断过电压：由于晶闸管关断引起的过电压称为关断过电压，数值可达工作电压峰值的56倍，所以必须采取保护措施，最常用的方法是在晶闸管两端并接电容C，利用电容两端电压瞬时不

11、能突变的特性，吸收尖峰过电压，把它限制在允许的范围内，实用时，在电容电路中串接电阻R，这种电路称为过电压阻容吸收电路。电容耐压一般选晶闸管的1.11.5倍如图22即： 晶闸管关断保护RC回路可取2500V。由下表可根据晶闸管的额定电流选择电阻和电容值：晶闸管额定电流1000500200100502010电容（F）210.50.250.20.150.1电阻（）2510204080100由晶闸管的额定电流可选：C=0.5F，R=10.（2）、过电流保护：由于过载短路，晶闸管正向误导和反向击穿，以及在逆变时换流失败等原因，都会产生过电流。晶闸管过电流保护方式有脉冲移相限流保护、直流快速断路器保护、快

12、速熔断器保护等。其中快速熔断器过电流保护在晶闸管电路中使用较为普遍。快速熔断器作为晶闸管过电流保护可以串联在交流侧、支流恻或与晶闸管串联，其中一快速熔断器与晶闸管直接串联读晶闸管保护效果最好。故我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。其保护原理图如下图所示：晶闸管过电流保护回路通常熔断器的额定电流由下式选取：1.57(实际管子最大电流有效值)为保证可靠与选用方便起见，可取。由下表可知快速熔断器应选用RS3型。2平波电抗器的选择及计算平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。

13、平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。对于三相桥式整流电路： L=0.693U2/Idmin又因为一般为电动机额定电流的5%10%，这里取10%。又因为=3600A经计算知L取780mh3 变压器的选择整流变压器的二次侧的电压值、电流值已经计算出，由此可以求出整流变压器的容量，由经验公式：得：=89.25KVA。经查表知应选择容量为100KVA的变压器。三、分析触发电路及同步相位选择：1、为保证晶闸管装置能正常可靠地工作，触发电路必须满足以下要求：（1） 触发信号应有足够的功率，触发电路送出的触发信号时作用于晶闸管门极与阴极的。（2） 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可

14、能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。（3） 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求，为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角触发导通，触发脉冲必须与电源同步且脉冲与电源保持固定的相位关系。2、根据被触发晶闸管的阳极电压相位，正确供给各触发电路特定相位的同步型号电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲，这种正确选择同步信号电压相位以及得到不同相位同步信号电压的方法，称为晶闸管装置的同步，同步相位选择的步骤如下：（1） 根据不同触发电路与脉冲移相范围的要求，确定同步信号电压US与对应晶闸管阳极电压之间的相位关系。（2） 根

15、据整流变压器TS的揭发与钟点数，以电网某綫电压作参考矢量，画出整流变压器二次侧也就是晶闸管阳极电压的矢量，再根据第一点确定的同步信号US与晶闸管阳极电压的相位关系，画出对应的同步相电压矢量和同步线电压的矢量。（3） 根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数和接法。按照上述步骤确定的同步变压器接法之后，只需把同步变压器二次电压USU、USV、USW分别接到VT1,TT3,VT5管的触发电路；US(-U)、US(-V)、US(-W)分别接到VT4、VT、VT2的触发电路，与主电路的符号完全对应，即能保证触发面冲与主电路同步。四、设计ACR和ASR环节并使其满足给定性能指标：1、

16、电路环(ACR)的设计:电流环的动态结构图如下： ACR1、时间常数的确定:(1)主电路电磁时间常数为：=0.0707s(2)主电路的机电时间常数为：(3)整流装置的滞后时间常数：对于三相桥式电路，平均失控时间为(4)电流滤波时间常数为，三相桥式电路的每个波头时间为3.33ms，为基本滤平波头，应有（1这里取）则电流环小时间常数(5)电流反馈系数：(6)晶闸管装置放大系数：2、.选择电路调节器结构:根据设计要求%并且稳态无静差，则可按典型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI调节器，其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型系统的动态抗扰性能，可见各项指标都是可以

17、接受的。3、电流调节器参数的计算:电流调节器超前时间常数：，电流环开环增益，要求%时，应取 所以ACR的比例系数：4、校验近似条件电流环截至频率为：(1)晶闸管整流装置传递函数近似条件： 满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件：满足近似条件。6、.调节器中的电阻及电容的计算：电流调节器电气原理图中运算放大器的电阻取,各电阻和电容值计算如下： 取580以上是ACR参数设计。2、转速环的设计：转速环的动态结构图如下：ASR1、时间常数的确定：(1)电流环等效时间常数,在上节关于电流环的设计计算中，已取,则(2)转速滤波时间常数,

18、根据所用测速发电机纹波可取(3)转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，则2、选择转速调节器结构：由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为：3、转速调节器参数的计算：按跟随和抗扰性能较好原则，取h=5，则ASR超前时间常数为转速反馈系数；则转速环开环增益：因此ASR的比例系数为：4、校验近似条件：由得(1) 电流环传递函数简化条件为，满足近似条件；(2) 转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。5、调节器中的电阻及电容的计算:速调节器电气原理图所示运算放大器取，6、校核转速超调量:当h=5时，由典型系

19、统阶跃输入跟随性能指标可知，不能满足设计要求。实际上，典型系统阶跃输入跟随性能指标可知是按线性系统计算的，而突加给定时ASR饱和，不符合线性系统的前提，因按ASR退饱和的情况重新计算超调量：由以上可得已知数据：当h5，z=0时，由典型系统动态性能指标与参数的关系可知，且由公式：得，满足条件。以上是ASR参数设计。五、系统各环节原理图及分析：1、电流调节器（ACR）: 电流调节器的作用是对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流；在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压变化；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常

20、。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好，所以应该把电流环矫正成典型型系统，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，应用PI调节器。其传递函数为：，式中为电流调节器的比例系数；为电流调节器的超前时间常数。该环节原理图如下：电流调节器电气原理图2、转速调节器(ASR):转速调节器的作用是使转速n跟随给定电压，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；输出限幅决定允许的最大电流。用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如图2，转速环应该校正成典型型系统是比较明确的，这首先是基于稳态无静差的要求。由图

21、可看出，在负载扰动作用点以后已经有了一个积分环节。为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要型系统。再从动态性能上看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型型系统恰好能满足整个要求。由图也可看出，要把转速环校正成典型型系统，ASR也应该采用PI调节器。取传递函数为：，式中为转速调节器的比例系数；为转速调节器的超前时间常数。该环节原理图如下：3、电力电子变化器:要控制晶闸管整流装置总离不开触发电路，因此在分析系统时往往把它们当成一个环节来看待，这一环节的输入量是触发电路的控制电压，输出量是理想空载整流电压，如果把它们之间的放大系数看成常数，则晶闸管触发与整流装置可以看成

22、是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是有晶闸管装置的失控时间引起的，失控时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，若用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入输出关系为，利用拉氏变换的位移定理，则晶闸管装置的传递函数为,考虑到很小，可忽略高次项，则传递函数可近似为一阶惯性环节：VT1VT4VT3VT6VT2VT52F2F2F2F2F2FFUFUFUFUFUFUFUFUFUFUFUFU电力电子变化器电气原理图4、限流保护FBC+FA:当主电流过流时，电阻上取得过流信号电压，超过运算放大器A，反向输入端电压，使D触发器输出高电平，晶闸管由截止变为导通，继电器得电，它的常闭触电接在主

23、回路接触线图中，使接触器释放，断开主回路，并使发光三极管发光，SA为复位按钮。该环节原理图如下：限流保护电气原理图5、测速发电机自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足：输出电压和转速的关系曲线（即为输出特性）应为线性；温度变化对输出特性的影响要小；输出特性的斜率要大；输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小；正，反转两个方向的输出特性要一致，实际应用中一般都是不一致的，稍有差别。为了使旋转机械保持恒速，可以在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，并将其输出电压和给定电压相减后加入放大器，经放大后供给直流伺服

24、电动机。当电动机转速上升，测速发电机的输出电压增大，给定电压和输出电压的差值变小，经放大后加到直流电动机的电压减小，电动机减速；反之，若电动机转速下降，测速点击的输出电压较小，给定电压和输出电压的差值变大，经发达后加给电动机的电压变大，电动机加速。保证了电动机转速变化很小，近似于恒速。该环节的电气原理图如下：T GR661K图11 测速发电机电气原理图6、零速封锁器 零速封锁器的作用是当调速系统处于静止系统，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂移引起可控硅整流电流有输出使电机爬行的不正常现象。它的总输入输出关系是：（1） 当1端和2端的输

25、入电压的绝对值都小于0.07V左右时，则3端的输出电压应为0V；（2） 当1端和2端的输入电压的绝对值或者其中之一或者二者都大于0.2V时，其3端的输出电压为-15V;（3） 当3端的输出电压已为-15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于0.07V，使3端电压由-15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。该环节的电气原理图如下：3-15V+15V1-15V-15V+15V12-+-+ +图12 零速封锁器电气原理图六、 结束语 本次设计详细的介绍了双闭环直流调速系统的工作原理、参数选择和两个调节器的设计，通过这次的课程设计，使我对不可逆V-M双闭环直流调速系统有了更深的了解。课本只是固然重要，

26、但一个完整的方案设计，仅仅课本知识是不够的，同时也要参考课本知识，本次课设就使我认识到这一点。另一方面，同学之间的合作和老师的指导也是很重要的，自己一人想的不够全面、仔细，同时工作量也大，和同学一起讨论会发现老多错误，使自己受益匪浅。但是总体上说，通过这次的设计，我学到了许多，也收获了许多，我设计的可能还有很多的不足，恳请来是批评改正。以十个机架为准，每个机架对应一台电动机，由此形成十个部分，各部分电动机参数集中列于表中，其中P/kW为额定功率Un/V为额定电压In/A为额定电流n/(r/min)为额定转速Ra/ 为电机内阻，GDa2 / N.m2为电动机飞轮力矩P为极对数I/A为额定励磁电流

27、。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扰，要求它们相互隔离，故通常均要配用整流变压器。 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Y接时，一次侧相电压U1等于电网相电压；当一次绕组接时，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min 及电网电压波动系数 有关，可按下式近似计算 U2 = （1）式中K为安全系数，一般取为1.051.10左右。整流变压器的电流 整流变压器的二次侧相电流I2和一次侧相电

28、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 = K2 In （2）I1 = （3）整流变压器的容量 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 （4）S1 = m1U1I1 （5）S = （6）其中m1 、 m2分别为一次侧与二次侧绕组的相数。2整流元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。选择整流元件主要是合理选择它的额定电压U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、控制角的大小等因素有关。一般按=0计算

29、，且同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。整流元件的额定电压U 整流元件的额定电压U与元件实际承受的最大峰值电压有关，即 U=（23）Um （7）式中（23）为安全系数，要求可靠性高时取较大值。整流元件的额定电流IT 整流元件的额定电流IT最大负载电流I有关，即 IT=（1.52.0）KI （8）式中K为计算参数，（1.52.0）为安全系数。3电抗器的计算与选择 为了提高晶闸管装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性，通常需在直流侧串联带有空气隙的铁心电抗器，其主要参数为额定电流In和电感量L用于限制输出电流脉动的临界电感Lm/ Lm= （9）式中 S为电流脉动系数，取5%20%； Su

30、为电压脉动系数； f为输出脉动电流的基波频率，单位为HZ.Su与f与电路形式有关。用于保证输出电流连续的临界电感L1/ L1= （10）式中 I要求的最小负载电流平均值，A; K1为计算系数。直流电动机的漏电感La/ La= （11）式中 KD为计算系数，对于一般无补偿绕组电动机，KD=812；对于快速无补偿绕组电动机，KD=56。其余参数均为电机额定值。折合到整流变压器二次侧的每相漏电感LB/LB= （12） 式中U%为变压器的短路比，一般取为5%； KB为计算系数。 实际应串入的平波电抗器L/ L=max(Lm,L1)-La-2LB （13）式中max表示取其中的最大值。电枢回路总电感L=

31、 L+ La+2 LB4.电阻的计算电动机电枢电阻 Ra整流变压器折合到二次侧的每相电阻RB RB= （14） 式中为变压器的最大效率，一般取为95%。整流变压器漏抗引起的换向重叠压降所对应的电阻R 对三相零式电路 R=3XB/2 （15） 对三相桥式电路 R=3XB/ （16）式中XB=2L。电枢回路总电阻R= Ra+ RK+ Rhx+2RB （17）式中, RK为平波电抗器的电阻，可从电抗器产品手册中查得或实测。5时间常数的计算电磁时间常数 T1=L/ R （18）机电时间常数 Tm= （19）6. 保护元件的计算与选择交流侧阻容过压保护交流侧过压保护电容（单位为）的计算公式是 C （20）式中 S整流变压器的平均计算容量，V·A;i0%变压器励磁电流百分数，对于10560kV·A的三相变压一般取i0%=410。电容C(单位为)的交流耐压应大于或等于1.5Uc，U是阻容两端正常工作时的交流电压有效值。 交流侧过压保护电阻的计算公式是 R