课程设计（论文）-十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计.doc

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1422 专业课程： 自动控制系统 指导教师： 2016 年 1 月 8 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： 讲师 日 期： 2015 年 1 月 8 日摘 要早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随者单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本, 从而有效的提高工作效率。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管得到了越来越广泛的应用。晶闸管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶闸管为基础组成的晶闸管脉宽调制（pwm）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。该设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、触发器、电流调节器等。运用电力拖动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统,并详细分析系统的原理及其静态和动态性能, 且利用 simulink 对系统进行各种参数的给定下的仿真。关键词：双闭环调速系统、晶闸管、直流电动机、simulink目录1调速方案11.1 调速方案的选择11.2 电动机供电方案的选择12系统的结构选择12.1 直流调速系统的总体结构框图23主电路的计算43.1整流变压器的计算4 3.1.1整流变压器二次侧电压计算4 3.1.2 一次、二次侧电流计算4 3.1.3变压器容量的计算44晶闸管元件的选择45晶闸管保护环节的计算5 5.1交流侧过电压保护措施5 5.2三相交流电路的一次侧过电流保护76平波电抗器的计算87触发电路的选择98控制电路的计算108.1 给定电源和给定环节的设计108.2 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119双闭环直流调速系统的动态设计119.1 电流调节器的设计119.2 转速调节器的设计1310 matlab仿真1510.1 系统的建模与参数设置1510.2 系统仿真结果的输出及结果分析15结束语17参考文献 18 1调速方案1.1 调速方案的选择机架序号电机型号pn(kw)un(v)in(a)nn(r/minra()gda (nm)ifn(a)9z2-52623026.114501.13.921 根据设计要求，本次课程设计采用z2-52型直流电动机，电动机参数见表1。表1 十机架连轧机电动机参数1.2 电动机供电方案的选择实现调压调速，首先要有一个平滑可调的直流电源。常用的可调直流电源有以下三种：旋转变流机组：用直流电动机和交流电动机组成机组，以获得可调的直流电压。静止可控整流器：用静止的可控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器：用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。本课题中采用第二种方法，晶闸管直流调速，通过调节触发器的移相电压，便可改变整流电压ud。由于电机的容量大，又要求电流的脉动系数小，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，故选用三相全控桥整流电路供电方案。电机的额定电压为230v，为保证供电质量，应采用三相减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，主变压器应采用d/y联结。2系统的结构选择工业上，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。2.1 直流调速系统的总体结构框图为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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图1所示。图1 双闭环直流调速系统电路原理图asr-转速调节器 acr电流调节器 tg直流测速发电机 ta电流互感图 upe电力电子装置 un*转速给定电压 un转速反馈电压 ui*电流给定电压 ui 电流反馈电压双闭环直流调速系统动态结构如图2所示。图2 双闭环直流调速系统动态结构图采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，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，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，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，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主电路的计算3.1整流变压器的计算3.1.1整流变压器二次侧电压计算整流变压器二次侧电压计算公式：= (1)查表知，三相全控桥式整流电压的计算系数，电网电压波动系数，查表知角，考虑10裕量，故,由电机参数可知un=230v，代入公式计算出：v取，变比3.1.2 一次、二次侧电流计算一次侧电流：= 考虑变压器自身的励磁电流时，应乘以1.05左右的系数，查表知，一次相电流计算系数kil=0.816，由电机参数可知=26.1a,代入公式计算出：=1.050.81626.1/1.83=12.22a二次侧电流：i2=kividn 查表知，二次相电流计算系数kiv=0.816，一般取整流器额定直流电流id=in，由电机参数知in=26.1a，代入公式算出i2：=0.81626.1=21.30a。3.1.3变压器容量的计算变压器一次、二次绕组相数m1=m2=3一次容量：s1=m1u1i1=322012.22=8.07kva二次容量：s2=m2u2i2=312021.30.54=7.67kva平均电容：s=(8.07+7.67)/2=7.87kva4晶闸管元件的选择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。晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格，在工频整流装置中一般选择kp型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。(1)额定电压utn的选择，应考虑下列因素。 1）分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。 2）考虑实际情况，系统应留有足够的裕量，通常可考虑倍的安全裕量，按下列公式计算，即 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：v所以晶闸管的额定电压应为（）倍的，即：晶闸管的额定电流可由简化经验公式：参考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kp50-9。5晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。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。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。5.1交流侧过电压保护措施（1）阻容吸收保护 即在变压器二次侧并联电阻r()和电容c（uf）的串联支路进行保护，对于大电容的的晶闸管装置，采用图3所示。图3 交流侧阻容吸收保护电容值 c=6iem(uf)=60.17.87/1202=0.328uf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，对于的变压器，一般为电阻值：=5u21/i21=5120/21.30=28.169（2）非线性电阻保护非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1ma以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。压敏电阻的标称电压=1.3u=1.3120=220.6v式中 u-压敏电阻两端正常工作电压有效值（v）。u压敏电阻两端正常工作电压有效值，变压器二次侧的线电压有效值，通流量应按照大于实际可能产生的浪涌电流选择，一般取5ka以上。残压值的选择是由被保护器件的耐压决定，应使晶闸管在通过浪涌电流时，残压抑制在晶闸管额定电压以下，并留有一定裕量。（3）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=2=22.34u2=22.34120=561.6v（4)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表2。晶闸管额定电流1000500200100502010电容（f）210.50.250.20.150.1电阻（）2510204080100表2 经验数据表阻容保护的原件参数由晶闸管的额定电流可选：c=0.2f，r=40。（5)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。5.2三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图4如下。图4 一次侧过电流保护电路 （1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为230v，熔断器额定电压可选择250v。(2) 熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 熔断器额定电流 1.6i1=1.626.1=41.76a 因此，如图4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选250v，额定电流选45a。(3) 与元件串联的快速熔断器选择由于过载短路，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。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5所示。图5 过流保护电路图由上图5及上文中计算的数据可知，通常熔断器的额定电流由下式选取：(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（4）直流侧快速熔断器的选择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 1)交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器lb的计算值：式中 交流器输出额定电流，电源频率f,变压器二次相电压。 2)在桥臂上串联空心电感，电感值取为宜。 3)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。6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) 电动机电枢电感为：1000=82301000/(22145026.1)=12.15mh式中：电动机额定电压 电动机额定电流 p电动机极对数 计算系数，对于一般无补偿电机=8-12对于快速无补偿电动机取8，磁极对数p=2。(2) 变压器电感为：式中(3) 平波电抗器的选择。维持电流连续时的为:式中，限制电流的脉动系数=5%时，值为:式中取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为81.68mh时，电流连续和脉动要求能同时满足。7触发电路的选择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6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6 mc787组成的三相触发电路原理接线图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。8控制电路的计算8.1 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。8.2 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，负载电阻的电位器。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：ton=0.01s，则转速反馈系数: （3）电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：，则电流反馈系数:(4)调速系统的静态参数 电动机电动势常数 ： =按要求调速系统的静态速降：=7.63r/min9双闭环直流调速系统的动态设计9.1 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:主电路电磁时间常数为：主电路的机电时间常数为：式中：= 1.326（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电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，可用pi型电流调节器： （1） 电流调机器的比例系数 电流调节器的超前时间系数 （3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数，又因为设计要求电流超调量，查得有，所以，电枢回路总电阻r=2，所以acr的比例系数： = （4）校验近似条件电流环截止频率：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。 （5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的，有，取,取，取，取。故，其结构图7如下所示。图7 电流调节器9.2 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： （2）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： 转速环开环增益为： 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：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容： 取=40，则，取80。，取1，取1。 故： 其结构图如8所示。图8 转速调节器校核转速超调量：由h=5，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=4时，=2，查得=81.2%，所以 =0.00236 =0.236% 10%满足设计要求。10 matlab仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件matlab，使用matlab对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用matlab中的 simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用power system工具箱进行调速系统仿真的新方法。10.1 系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图9所示。图9 转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、asr、acr、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真start time设为0，stop time设为1.5。10.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图10是双闭环直流调速系统的仿真图。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止