十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

1、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 号： 学 院： 电气信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化 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分5实验技能

2、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1绪论21 设计的目的和要求31.1 设计的题目及给定的相关资料31.2 课程设计的目的31.3 设计的要求42 方案的选择42.1 调速方案的选择42.1.1 系统控制对象的确定42.1.2

3、 电动机供电方案的选择52.2 总体结构设计52.2.1 系统结构的选择52.2.2 系统的工作原理63 主电路设计与参数计算73.1 整流变压器计算73.1.1 二次电压计算73.1.2 变压器一次、二次侧电流计算73.1.3 变压器容量计算83.2 整流器件计算83.2.1 晶闸管的选择83.2.2 晶闸管的额定电流83.2.3 过电压保护93.2.4 过电流保护103.3 平波电抗器的计算103.4 触发电路的选择124 双闭环的动态设计和校验134.1 电流调节器的设计和校验134.2 转速调节器的设计和校验145 系统的MATLAB/SIMULINK仿真165.1 开环系统的建模16

4、5.1.1 开环系统的SIMULINK仿真电路设计165.1.1 开环系统仿真结果的输出波形175.2 单闭环系统的建模175.2.1 单闭环系统的SIMULINK仿真电路设计175.2.1 单闭环系统仿真结果的输出波形185.3 双闭环系统的建模185.3.1 双闭环SIMULINK仿真电路185.3.2 双闭环系统仿真结果的输出波形19总结20参考文献21附录A 熔断器接法原理图22附录B 触发电路原理图23附录C 交流侧阻容吸收保护电路24十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计摘要本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可

5、方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。关键词双闭环直流调速系统；晶闸管；直流电动机；MATLAB绪论许多生产机械要求在一

6、定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足

7、要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。 随

8、着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。1 设计的目的和要求1.1 设计的题目及给定的相关资料在冶金工业中，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

9、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。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。表1 十机架连轧机各部分电动机参数序号电动机型号(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数1Z2-9267230291145012Z2-9148230209145013Z2-8235230152145014Z2-812623011

10、3145015Z2-7219230145016Z2-711423061145017Z2-6211230145018Z2-6123037145019Z2-5262301450110Z2-5123014501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，达到培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力。2、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，达到培养学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料能力的目的。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，达到培养我们工程绘图和编写设计说明的目的，为我们今后

11、从事相关方面的实际工作打下良好基础。设计的要求电枢回路总电阻取；总飞轮力矩。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。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。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。要求触发脉冲有故障封锁能力。要求对拖动系统设置给定积分器。2 方案的选择2.1 调速方案的选择0.0001之间，其调速范围可达到1000:1到10000:1。故本系统采用双闭环调速系统。系统控制对象的确定本次课设调速系统的调速对象为Z2-92直流电机，额定功率Pn=67Kw，额定电压Un=230V，额定电流In=291A，额定转速n=

12、1450r/min。电枢回路等效电阻取R=2Ra；总飞轮力矩GD2=2.5 GDa2。，在恒定磁场励磁电感取0，空载试验时摩擦系数(Bm)设置为0。电动机供电方案的选择电动机为直流电动机，而电网电压为交流电，为了驱动直流电机，需要将电的交流电整流为直流电。在我们已经学习的电力电子技术中整流电路主要有晶闸管相控整流电路，二极管整流电路和PWM整流三种。晶闸管整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着延迟触发角的增大而增大，位移因数也随之降低，同时，输入电流中谐波分量也很大，因此功率因数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近1，但输入电流谐波分量很大，功率因数也很低。电压型PWM整流电路虽然功率因数

13、较大，但其是升压型整流电路，其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，如果向低调节就会使电路性能恶化，以致不能工作。因此，综上所述，我们选择晶闸管相控整流电路。晶闸管相控整流电路有单相和三相，半控和全控之分，单相半波电路虽然简单，但由于电动机和电流总是断续的，传动工作性能很差，只适合小功率电动机，如果要求回馈制动，必须采用全控方案。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

14、，且直流侧脉动较小，元件利用率较好，易滤波，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电。2.2 总体结构设计系统结构的选择在系统结构的选择上一般有单闭环调速和双闭环调速，虽然采用PI调节器的单个转速比换直流调速系统（单闭环系统）可以保证在系统稳定的前提下实现转速无静差，但是在工业上，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，单闭环系统难以满足要求。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

15、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，转速负反馈外环起主要作用，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。双闭环直流调速系统原理图如图1 所示ASRACRMTG*nUnUD*iUnUiUiUDctUGTVTAnIndIL+-+-图1双闭环调速系统原理图系统的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。电力电子变换器把交流供电电压整流为供电动机使

16、用的直流电压，电流调节器ACR的输出限幅电压。限制了电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。二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时

17、，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。3 主电路设计与参数计算3.1 整流变压器计算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

18、：式中为电动机的额定电压，b为电网波动系数，一般取0.900.95；为整流电压计算系数，(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用此公式。取=230V,得变压器一次、二次侧电流计算由表查得=0.816, 考虑变压器励磁电流得：二次相电流I2的计算式中，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*291=一次相电流I1的计算式中，电压比K=U1/U2=380/121.29=3.13,=291A得=0.816*291/3.13=变压器容量计算； ； 式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=3×121.29×273.456=99

19、.5 KVA =1/2（86.412+99.5）=92.96KVA 3.2 整流器件计算晶闸管的选择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，则晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须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> 或 >=K考虑（1.52）倍的裕量式中K=）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。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。关键、重大设备，电流

20、裕量可适当选大些。由表查得 K=0.368，考虑(1.52)倍的裕量取=。经查表可知：晶闸管的型号为KP(4CT)320。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。 交流侧过电压保护1）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。本系统采用D-Y连接。S=92.96KVA, 取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×92.96×1032耐压1.5Um =1.5×121.29×选取150µF,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S

21、=92.96KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S 2/92.96×103IC=2fCUC×10-6=2×50×150×121.29×10-6=5.715 APR(3-4)IC22×2=（195262）W，200W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3×流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。 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

22、大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) ×230=414460V选MY31-440/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。 闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表2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/F12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=0.5µF，R=10，=1.5××120=441V介质电容器, 耐压

23、为450V。=选R为40普通金属膜电阻器，RJ-0.5。过电流保护本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还没有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护，用过电流继电器切断故障电流。 快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT=Id/1.732=/1.732=,故选用RLS-50的熔断器，熔体电流为50A。 过电流继电器的选择 根据负载电流为，可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整流电流可取。3.3 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

24、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。 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=0.05×291A= 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

25、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 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、=291A、n=1450r/min、p=1=变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.2、=3所以 =3.2×3×121.29/（100×29

26、1）=0.91mH 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：mH 电枢回路总电感:3.4 触发电路的选择选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为250mA,触发电压。由已知条件可以计算出 ，V=11.22V。因为=5.75V，3V，所以触发变压器的匝数比为，取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数。触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这

27、里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。4 双闭环的动态设计和校验电流调节器的设计和校验 确定时间常数，已知s，s，所以电流环小时间常数 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型电流调节器电流调机器的比例系数电流调节器的超前时间系数 电流调节器参数计算，电流调节器超前时间常数=0.0133s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=电枢回路总电阻R=2所以ACR的比例系数 = 校验近似条件电流环截止频率=。

28、晶闸管整流装置传递函数的近似条件： > ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。计算调节器的电阻和电容，取运算放大器的=40k，有，取70，故=，其结构图2如下所示：图2电流调节器4.2 转速调节器的设计和校验 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 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 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：转速环开环增益为：ASR的比例系数为： 检验近似条件转速环截止频

29、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：，满足近似条件。 计算调节器电阻和电容：取=40，则，取1100。，取1。故其结构3图如下： 图3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ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=5时，查得=81.2%，=，满足设计要求。5 系统的MATLAB/SIMULINK仿真5.1 开环系统的建模开环系统的SIMULINK仿真电路设计开环系统的SIMULINK仿真电路如图4所示图4开环物理模型开环系统仿真结果的输出波形当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图5开环直流调速系统的仿真结果。图5开环直流调速系统的仿真结果5.2 单闭环系统的建模单闭环系统的SIMULINK仿真电路设计开环系统的SIMULINK仿真电路如图6所示图6单闭环物理模型单闭环系统仿真结果的输出波形当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图7单闭环直流调速系统的仿真结果。图7单闭环直流调速系统的仿真结果5.3 双闭环系统的建模双闭环SIMULINK仿真电路双闭环SIMULINK仿真电路如图8所示图8双闭环物理模型双闭环系统仿真结果的输出波形当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图9是双闭环直流调速系统的仿真结果。图9双闭环直流调速系统的仿真结果稳定后电流大小如图1