电机自动控制课程设计

1、十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计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1321 学 号： 201350712130 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

2、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11 绪论21.1直流调速系统的概述21.2 课程设计的目的21.3 课程设计的技术要求32 直流

3、调速系统的总体方案设计42.1 电动机的选择42.2 电动机供电方案的选择42.3 系统结构的选择43 直流调速系统的主电路与动态设计73.1 主电路设计及参数计算73.1.1 整流变压器的设计与计算73.1.2 晶闸管的选择与保护83.1.3 平波电抗器的计算113.1.4 触发电路的选择与校验133.2 直流调速系统的动态设计153.2.1 电流环(ACR)的设计153.2.2 转速环(ASR)设计174 直流调速系统的MATLAB/SIMULINK仿真194.1 MATLAB仿真软件介绍194.2 系统的建模及参数计算194.3 系统仿真及结果分析22结束语26参考文献27附录2828摘

4、 要直流调速系统具有调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能的特点，广泛应用于直流电力拖动系统。连轧是金属压力加工行业中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。对于连轧机的调速是十分重要的，本设计采用双闭环直流调速系统对Z272电机进行调速，以满足要求。该系统采用转速、电流双闭环控制直流调速系统。双闭环调速具有良好的性能，应用广泛。整个系统采用VM系统，通过六路脉冲器控制晶闸管组成的整流装置，使之输出变化的电压达到调速的目的。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，根据要求可设置PI调节器，在系统中设置两个调节器，即ASR和ACR，分别调节转速和电流，即分

5、别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB对整个调速系统进行了SIMULINK仿真分析，观察仿真结果是否满足要求。关键词：直流调速调速，转速和电流调节器, MATLAB/SIMULINK仿真1 绪论近年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。以晶闸管整流装置取代了直流发电机电动机组及水银整流装置，同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可

6、靠性及低成本。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。1.1 直流调速系统的概述双闭环直流调速系统即速度和电流双闭环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已经能满足要求。但是由于电流截止负反馈

7、限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转矩也减小了，使起动加速过程变慢，起动的时间比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以就希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大的缩短。另一方面，在一个调节器的输出端有综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双闭环直流调速系统。1.2 课程设计的目的(1) 通过课程设计，进一步巩固、深化和扩充在直流调速及相关课程方面的基础知识、基本理论和基本技能。(2)

8、通过课程设计，独立完成一项直流调速系统课题的基本设计工作。(3) 通过课程设计，使熟悉设计过程，了解设计步骤，掌握设计内容，达到培养工程绘图和编写设计说明的目的。1.3 课程设计的技术要求(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。2 直流调速系统的总体方案设计2.1 电动机的选择 根据任务的安排，我们组分的是第五台机架

9、连轧机，此机架连轧的电动机的型号是Z2-72，其具体参数为表2.1所示。表2.1第5组 电机参数表电机型号(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数Z2-721923082.5514500.73.0511.762.2 电动机供电方案的选择三相全控桥式整流器电路采用共阴极接法的三相半波和共阳极接法的三相半波的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器的利用率，且直流侧脉动较小，元件利用率较好，无直流磁化同时波形畸变较小。在V-M系统中，调节器给定电压，

10、即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2.3 系统结构的选择方案一：开环直流调速系统开环调速系统是调节转速给定电压，即可改变晶闸管触发电

11、路的触发延迟角，从而调节晶闸管整流器的空载整流电压和电枢电压，也就改变了转速。如图2.1为开环系统原理框图。图2.1开环系统原理框图方案二：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机，引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后，得偏差电压U，经放大器，产生触发装置的控制电压，用以控制电动机的转速。如图2.2单闭环统原理框图。图2.2单闭环系统原理框图方案三：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调

12、节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。如图2.3为环统原理框图。图2.3双闭环系统原理框图比较以上三种控制方式：方案一采用开环系统进行控制，开环系统的机械特性比闭环系统软很多，静差率比闭环大很多，不能满足系统要求

13、。方案二采用单闭环的速度反馈调节时，晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响，主要有：(1)脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利； (2)脉动电流(斜波电流)流入电源，对电网不利，同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端，不仅不起正常的调节作用，反而会产生干扰，严重时会造成放大器局部饱和，从而破坏系统的正常工作。方案三采用双闭环转速电流调节方法，保证了系统的可靠性能，满足生产工艺的要求，同时既保证了稳态后速度的稳定，也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发

14、挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。3 直流调速系统的主电路与动态设计3.1 主电路设计及参数计算3.1.1 整流变压器的设计与计算(1) 二次电压计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： (3-1) 式中为电动机的额

15、定电压，b为电网波动系数，一般取0.900.95；为整流电压计算系数，一般取(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式(3-1)：取=230V, =2.34，b=0.94得=121.29V(2) 变压器一次、二次侧电流计算由表查得=0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得：二次相电流I2的计算 (3-2)式中，为二次相电流计算系数，为整流器额定直流电流等于电动机的最大额定电流，得=0.816*82.55=67.36A一次相电流I1的计算 (3-3)式中，电压比； 得(3) 变压器容量的计算 ； (3-4)； (3-5) ； (3-6)式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查

16、得取S=24.515KVA。3.1.2 晶闸管的选择与保护晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得=2.45，则=2.6*2.45*121.29=772.62v表3 常用整流电路的计算系数电路形式换相电抗压降计算系数整流电压计算系数晶闸管整流变压器电压计算系数电流计算系数二次相计算系数一次相计算系数视在功率计算系数漏抗计算系数漏抗折算系数电阻折算系数三相全控桥式0.52.342.450.3670.8160.8161.051.2222(1) 晶闸管的额定电流与选择选择晶闸管额定电流的原则是必须

17、使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57> 或 >=K (3-7)考虑（1.52）倍的裕量 (3-8)式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：1)当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。2)当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。3)关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.368，考虑(1.52)倍的裕量取=46.54。经查表4可知：晶闸管的型号为KP(3CT)50。表4 晶闸管的主要电参数型号额定电流/A额定电压/V触发电流/mA触发电压/V峰值功耗/WKP(3CT)10,2

18、010,2050-20005-1003.55KP(3CT)30,5030,5050-20008-1503.0-3.55KP(3CT)10010050-30008-2503-3.55.0-10.0KP(3CT)200,300200,30050-300010-25045.0-10.0KP(3CT)400,500400,50050-300010-35045.0-10.0KP(3CT)600,800,1000600, 800, 1000,100-300030-4504-4.515-20(2) 晶闸管整流装置的保护1) 交流侧过电压保护措施交流侧采用阻容吸收保护，即在变压器二次侧并联电阻R和电容C的串联

19、支路进行保护，对于大电容的的晶闸管装置，采用图3-1所示接法。图3-1 交流侧阻容吸收保护电容值为： (3-9)计算得 电容的耐压 式中S变压器容量（VA）； U2变压器二次相电压有效值（V）； 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 （3-10）计算得 通过电阻的电流(A)为 （3-11）计算得 电阻功率（W）为 （3-12）计算得 2) 直流侧过电压保护措施直流侧过电压保护用压敏电阻保护。压敏电阻的标称电压 计算得 可选用MYL1-15压敏电阻。3) 晶闸管两端的过电压保护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

20、闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。查表得C=0.5µF，R=10，电容耐压1.5=1.5×=1.5××113=415V选C为0.5µF的CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22µF，耐压为450V。 选R为10普通金属膜电阻器，RJ-0.5。4) 过电流保护本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器的额定电压 快速熔断器熔体的额定电流 选取KH000快速熔断器，熔体额定电流100A。3.1.3 平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通

21、常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。(1) 算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以 (2) 限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入

22、平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路(510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以 (3) 电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中 、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入； p电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=61A、n=1450r/min、p=1 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中计算系数，查表可得变压器的

23、短路比，取3。本设计中取=3.2、=3所以 =3.2×3×121.29/（100×61）=0.19mH (4) 实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量： (3-15)(5) 电枢回路总电感:3.1.4 触发电路的选择与校验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

24、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。此设计选用SG3524作为触发电路的主要器件，SG3524是通用型脉宽调制器（PWM），属于数子、模拟混合型集成电路，占空比可在0100%之间调节。触发电路图如3-2。图3-2 触发电路图在上图中，ACR的输出Uc可以调节占空比在0100%内变化。使整流器的输出电压在0UN内变化，电机对应的转速也跟其变化。如果电机转速由于外界机械原因发生改变，对应测速发电机的输出也跟随变化。测速发电机输出的变化直接影响ASR的调节，从而Uc的大小，Uc大小的变化改变GS3524输出波形的占空比，从而使斩波电路的输出电压平均

25、值改变，使电机转速返回到预先设定的值。3.2 直流调速系统的动态设计设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节。再设计转速调节器。此设计包括了控制电路的有关计算和设计，根据其数据可以找到药给定的值，即U的范围，根据电流环、转速环的设计找到有关给定环节的计算。3.2.1 电流环(ACR)的设计图3-3 含滤波环节的PI型电流调节器转速电流双闭环的给定可用以下公式计算： (13) (14) (15)根据设计给出的电机参数可知，且,则可得，。又因为,，,所以可求得:所以，得：(1) 对于三相桥式电路，平均失控

26、时间为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(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： 因此，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，应取电流反馈系数：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

27、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3.2.2 转速环(ASR)设计图3-4 含滤波环节的PI型转速调节器(1) 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。(2) 选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数(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=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：ASR的比例系数为：(4) 检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足

28、近似条件。4 直流调速系统的MATLAB/SIMULINK仿真4.1 MATLAB仿真软件介绍SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直

29、接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。在MATLAB5.2以上的版本中，新增了一个电力系统（SimPower System）工具箱，用户只要从工具箱的元件库中复制所需的电气元器件，按电气系统的结构进行连接，系统的建模过程接近于实物的搭建模型，仿真结果可信度高。该系统就采用此工具进行模型的搭建与仿真。首先进行模型的参数设置，然后对系统进行仿真实验，观察各环节的仿真结果，检测是否满足要求。4.2 系统的建模及参数计算(1)建立系统模型1)开环系统模型开环直流调速系统由给定信号、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。根据开环系统的原理图搭建开环系统模型，如图5-1所

30、示。图5-1开环直流调速系统模型2)单闭环系统模型单闭环系统由给定信号、ASR、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节等部分组成，单闭环仿真模型如图5-2所示。图5-2 单闭环直流调速系统模型3)双闭环系统模型双闭环系统与开环系统和单闭环系统具有相同的主电路，控制电路中有ASR、ACR两个调节器，双闭环仿真模型如图5-3所示。图5-3 双闭环直流调速系统模型 (2)计算系统参数根据直流电动机的参数，计算电动机仿真模型的参数：电枢电感=mH电动势转速比 互感系数额定转速额定电磁转矩2)平波电抗器参数设置由公式（3-15）知，串入的平波电抗器的电感为7.69mH.3)范围设置在开环模型中，电动机额定负载时，调节，使电动机两端的电压达到额定压，使电动机正常工作。测得的范围为165,220。4) ASR、ACR参数设置已知、的值，经过调试得：转速环PI调节器：，限幅值20.5,-20.5电流环PI调节器：，限幅值140,-2104.3 系统仿真及结果分析(1) 系统仿真结果模型参数设置完成后，在额定负载时，分别对开环、单闭环、双闭环进行仿真，观测得到的波形图。1)开环系统仿真结果如图5-4所示：图5-4开环系统转速、电枢电流仿真波形2)单闭环系统仿真结果如图5-5所示：图5-5单环系统转速、电枢电流仿真波形3)双闭环系统仿真结果如