运动控制系统课程设计-十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计.doc

运动控制系统课程设计说明书设计题目：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：201114070121 专业班级：11电1 指导教师：梁秀满 2014年12月12日课程设计任务书1题目：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力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1Z2-926723029114500.268.612Z2-914823020914500.358.0213Z2-823523015214500.431.3614Z2-812623011314500.527.4415Z2-721923082.5514500.711.7616Z2-71142306114500.89.817Z2-621123047.814500.96.3918Z2-618.52303714501.05.4919Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.4312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。3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3）系统的结构选择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）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（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。4 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。目 录1调速的方案选择.11.1直流电动机的选择11.2电动机供电方案的选择.。21.3系统的结构选择1.4确定直流调速系统的总体结构框图。2主电路的计算2.1整流变压器计算。2.2晶闸管元件的选择。2.3晶闸管保护环节的计算。2.3.1交流侧过电压保护；2.3.2阻容保护、压敏电阻保护计算；2.3.3直流侧过电压保护；2.3.4晶闸管及整流二极管两端的过电压保护2.3.5过电流保护 2.4平波电抗器计算3触发电路的选择与校验4控制电路设计计算4.1给定电源和给定环节的设计计算4.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算4.3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5.1电流调节器的设计5.2转速调节器的设计结论参考文献课题：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计1调速的方案选择1.1直流电动机的选择根据设计要求，本次课程设计采用Z2-71型直流电动机1.2电动机供电方案的选择直流调速系统主电路由三相-Y变压器接电网电压，变压器一次侧接成三角形能给三次谐波电流提供通路，减少高次谐波的影响。金属连轧过程对电机的要求较高，三相桥式全控整流电路直流侧脉动较小，波形畸变较小，用于电压控制要求较高的场合，故选用该整流电路。三相桥式全控整流电路（路图1）采用共阴极接法的三相半波（VT1、VT3、VT5）和共阳极接法的三相半波（VT2、VT4、VT6）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，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电。 图1 三相桥式全控整流电路1.3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。1.4确定直流调速系统的总体结构框图图2 直流调速系统的总体结构框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。2主电路的计算2.1整流变压器计算。（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：U2=（11.2） 查表知，三相全控桥式整流电压的计算系数KUV=2.34，电网电压波动系数b=0.900.95，查表知角，考虑10裕量，故cosmin=0.985,由电机参数可知UN=230V,代入公式计算出U2U2=(11.2)=110.9133.08V取U2=120V,变比K=1.83(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=61A,代入公式计算出=1.05*0.816*61/1.83=28.56A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=61A,代入公式算出I2=0.816*61=49.776A(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 =3*220*28.56=18.85KVA二次容量：S2=m2U2I2=3*120*49.776=32.85KVA平均电容：S=(18.85+32.85)/2=25.85KVA2.2晶闸管元件的选择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。a 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。 b 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量，通常可考虑23倍的安全裕量，按下列公式计算，即 UTN=（23）KUTU2=(23)*2.45*120=588882V整流电路形式为三相全控桥式，查表知，晶闸管的电压计算系数KUT=2.45。(2)额定电流IT(AV)的选择，晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择1.52倍的安全裕量。按下列公式计算，即 IT(AV)=2*KIT*Idmin=2*0.367*61*(1.52）=67.16189.548（A）2.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。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。 2.3.1交流侧过电压保护过压保护：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。常见的有阻容吸收保护方式和非线性电阻保护方式。 2.3.2阻容保护、压敏电阻保护计算A.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所示的接法 图3 交流侧阻容吸收保护 电容值 C=6Iem(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf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10100KVA的变压器，一般为10%4%；电阻值 RC=5U21/I21=5*120/170.544=3.518B.非线性电阻保护方式非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。压敏电阻的标称电压U1Ma=1.3U=1.3*120=220.6V式中 U-压敏电阻两端正常工作电压有效值（V）。 2.3.3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U1Ma=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V 2.3.4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经验数据表得到。晶闸管额定电流102050100200500100电容（uf）0.10.150.20.250.511电阻（）1008040201052表1 阻容保护的原件参数2.3.5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，图4接法对过电流保护最有效。故我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。 图4 快速熔断器的安装方法 2.4平波电抗器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*1000=8*220*1000/(2*1*1450*61)=9.9mH对于快速无补偿电动机取8，磁极对数p=1。（2） 变压器电感为*1000=3.9*0.05*120/61=0.38mH式中=0.05。（3） 平波电抗器的选择。维持电流连续时的为=0.639*120/(0.05*61)-(2*0.38+9.9) =24.14-10.66=13.48(mH)式中，。限制电流的脉动系数=5%时，值为=1.045*120/(0.05*61)-10.66 =41.11-10.66=30.45（mH）取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为30.45mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。3触发电路的选择与校验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。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5 MC787组成的三相触发电路原理接线图图5 的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。4控制电路设计计算4.1给定电源和给定环节的设计计算根据电路要求，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。 4.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算（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 ETG=40V,nTG=2000r/min 负载电阻RTG=2K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 =Un*/nN=15/1450=0.01Vmin/r（3）电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈系数 =0.05V/A 4.3调速系统的静态参数计算电动机电动势常数 ： Ce=0.125按要求调速系统的静态速降：nN=7.63r/min5双闭环直流调速系统的动态设计 5.1电流调节器的设计 电流环的动态结构图如下： ACR(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 =0.0017+0.002=0.0037S。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，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 3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0