造纸机直流电机调速系统设计.doc

辽宁石油化工大学继续教育学院论文 毕业设计（论文） 题目： 直流电机调速系统设计 姓 名： 专 业： 自动化 学 院： 继 续 教 育 学 院 学习形式： 自考 助学单位： 石化职业技术学院 指导教师： 2012年 8月 辽宁石油化工大学继续教育学院论文造纸机传动直流调速系统设计辽宁石化职业技术学院班级：电气1031姓名：史顺泽指导老师：王秀丽毕业设计（论文）说 明 书 题目 造纸机传动直流调速系统设计助学单位：辽宁石化职业技术学院 专 业： 电气自动化 班 级： 电气1031 准考证号： 设 计 人： 史顺泽 指导老师： 王秀丽 毕业设计（论文）任务书学生姓名史顺泽准考证号自考班级设计(论文)题 目题目： 造纸机传动直流调速系统设计基础数据：根据造纸机传动系统的生产工艺要求，提出系统性能指标如下：1）系统为无级调速 D=10 S10%2）起动平稳，制动迅速，可以正向点动，不可逆向运行3）具有较好的动态性能及较强的抗干扰能力4）电机额定值为55kW毕业设计(论文）的主要内容说明部分：1.主电路及控制电路方案论证 2.主电路设计，触发电路设计，控制电路设计 3.动、静态性能分析计算部分：主电路元器件及保护电路元器件的选择与计算绘图部分：电气原理图一张任务下达时间 年 月 日指导教师签 字要求完成日期 年 月 日评阅（审）人意 见 签字： 年 月 日专 业指导委员会意 见 负责人签字： 年 月 日备 注摘 要电能是现代工业生产的主要能源和动力，随着现代文明的发展与进步，社会生产和生活对电能供应的计量和管理提出了越来越高的要求，机电设备厂供电系统的核心部分是变电所。变电所主接线设计是否合理，关系到整个电力系统的安全、灵活和经济运行。本设计在机械厂具体资料的基础上，依据变电所设计的一般原则和步骤，完成了变电所一次系统的设计。为适应机械类企业用电负荷变化大、自然功率因数大的特点，该设计中采用并联电容器的方法来补偿无功功率，以减少供电系统的电能损耗和电压损失，同时提高了供电电压的质量。此机电设备厂变电所一次系统的设计包括：变电所主接线方案的选择；进出线的选择；短路计算和开关电气设备的选择；根据设计要求，绘制变电所一次系统图等。关键词：变电所，变压器，短路电流，电气设备ABSTRACTElectricity is the main modern industrial production, energy and power, along with the development of modern civilization and progress, social production and living to the electric power supply tricks or management put forward more and more high demand, Machinery factory power supply system is the core part of substation. Substation design is reasonable or not, main connection relationship to the whole power system security, flexible and economic operation.This design in machinery factory concrete material basis, according to the general principle and steps of substation design, completed the first system design. Substation In order to adapt to the machinery enterprise electricity load change is big, the characteristics of natural power factor, the first used in the design of the principal capacitor compensation reactive power just sent to reduce power supply system of electric power loss and voltage loss, and at the same time, improve the quality of power supply voltage. This factory substation system design including: one of the main substation wiring schemes choice; In the choice to qualify; Short circuit calculation and switchgear equipment choice; According to the design requirements, draw substation a system diagram. Keywords: substation, transformer, Short-circuit current, Electrical equipment绪 论 造纸机早已在工业领域里占有重要的地位，得到广泛应用，其工艺中应把握这样几个特点：1.稳速，为了生产出高质量的产品，必须保证拖动电机转速稳定。2.变速，因为各种造纸机的料质，厚度，直径不同，速度相应改变。3.启动平稳突然启动，由于惯性，可能打坏机械变速箱齿轮，可能划伤造纸机。4. 制动迅速出现各种故障，能够及时停车。5. 动态性能好，抗干扰性能强电网电压不稳定，存在电网扰动，或者负载扰动，此时系统能够进行自动抗扰调节，具有良好的抗扰性能。根据工艺特点，提出系统性能指标：1） 系统为无级调速分 分 D=10 S|时出现，不需改变电路接线，实现容易 回馈制动时，电动机变成发电机向电网回馈电能，节约能源，经济性好。 造纸机不要求反转不会经常制动，单用回馈制动的经济意义不大，而且使系统设计复杂化。其要求减速平稳，准确停车，我们采用能耗制动为系统的制动方案。图1-11 双闭环调速系统的原理框图第二章 主电路设计 主电路是在控制电路的控制下，向传动电动机提供电能的重要环节，它由三相交流电源，整流装置，传动电机以及保护环节，附属元件构成，下面，将对主电路参数作以计算，并对个别环节做简单的结构设计。21整流变压器的设计 在晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压相差不多的情况下，采自耦变压器或由晶闸管装置经过进线电抗器与电网直接连接，但为了满足系统的技术性能指标，已经选择了三相全控桥式整流，并且电机的额定电压选为220V，这就要求交流供电电压为100V左右. ，与电网电压相差较大，为了使电机正常工作，尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰，为此采用整流变压器供电方案。 1变压器的接法 为了保证供电质量，应尽可能减少整流装置，供电电流中的三次谐波(其它态次谐波所占比重很小)。 接法的三相变压器，因原绕组为三角形连接， 三次谐波电流可以在原绕组中流通，于是励磁电流有三次谐波分量存在。主磁通波形与原付绕组中感应电势的波形都接近正弦波，系统整流变压器采用厶，吖”ll接法，以减小高次谐波对系统的影响 2。参数计算 电动机的额定参数 其中 总电阻的标幺值(中枢电路)窄脉冲取值。C=O5 (A，B，C查表71) 电网电压波形系数对电机额定电流和额定电压的穴厂的标幺值除外，其他电阻很小，忽略不计 过载倍数(负载较均匀)变压器短路比，100kVA以下的变压器取5 n=2 三相全控桥L流过两只可控硅则每个可控硅上的正向压降是25U， 因为品闸管的导通角为=121.84 V 取122V2) 次级相电流和初级相电流 取k=3 因整流变压器供电的主电路采用三相全控桥式整流，其负载是调速电机，属于大电感负载，所以初级和次级电流波形为矩肜波，二次电流3）次级容量，初级容量和平均计算容量 变压器初，次级相数 考虑到变压器的过载，要留有一定裕量，取100kVA。22整流元件的选择 合理地选择元件的额定电压和额定电流能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本，整流元件的选择与负载的性质，整流电压平均值，整流电流平均值，整流电路形式，晶闸管控制角的大小有关，为简化计算，这里取选择晶闸管电流额定。1.整流元件的额定电压 取2整流元件的额定电流负载的额定电流为210A，过载倍数取l.5取200A选六只晶闸管(型号，组成三相全控桥）2.3可控硅保护元件的选择 晶闸管虽然有很多优点，但它承受过电压和过电流的能力较差，因此，要针对过电流和过电压的产生原因采取相应的保护措施。 l，过电压保护图2-1 通常采用的过电压保护措施 过电压是指超过正常工作时晶闸管应该承受的最大电压。当正向电压超过晶闸管的正向转折电压时，会使晶闸管硬开通，不仅会使电路工作失常，且多次硬开通会使晶闸管的正向转折电压降低甚至损坏；当反向电压超过晶闸管的反向击穿电压时，晶闸管会因反向击穿而损坏。所以采取相应的抑制过电压的保护措施是必要的。保护电路形式如图21所示。 (一)关断过电压及保护 由了晶闸管关断过程引起的过电压，称为关断过电压。1)交流侧阻容保护装置在正常工作时，三相整流桥把电容的电压充到三相线电压的峰值，过电压时， 电容的电压被进一步提高(储能)，过电压过去之后， 电容通过电阻放电(耗能)，再回到线压的峰值。 耐压取，耐压400V因此，的范围应是即：由于工艺对传动系统快速性要求不高，取2k并应使电阻的功率(是变压器次级电压有效值)= 取200W 400V选三只CD-1G-200F-400V并联 200W 选一只， 200A 1R=1 50W选一只RXY型线绕电阻 2)压敏电阻保护(非线性电阻保护) 对于三相电路有Y、两种压敏电阻的接法 该系统电压较低，采用接 当过电压过来后，电压被抑制到残压，由于通过较大的放电电流，所以能将浪涌的能量消耗掉，浪涌以后，一切又恢复正常，压敏电阻受到低于额定电压、的电压压敏电阻的计算方法还不成熟，通常可以按下式计算压敏电阻的额定电压 取400A故选三只一4400.5的压敏电阻3)直流侧(压敏电阻保护)同上 取800V选一只一83005的压敏电阻为防止压敏电阻长期过流烧坏，在压敏电阻支路串联一只RS-500/50快速熔断器2换相过电压保护电容C也可按经验公式得出 取1.0耐压 取500V取7.5W 选六只 六只RXY-75-20一5% 组成阻容保护 3过电流保护(保护晶闸管和压敏电阻) 产生过电流的原因 1) 由于电网电压波动太大，拖动的负载超过允许值，使得流过晶闸管的电流随之增加而超过额定值。 2)由于电路中晶闸管误导通或器件故障(反向击穿或正向阻断能力丧少），使得相邻桥臂的晶闸管导通引起两相电源短路，形成过电流。 3)整流电路直流输出端短路：逆变电路发生换流失败引起逆变颠覆都会产生较大的短路电流。 元件选择 1)每个晶闸管支路均串联一只快速熔断器额定电压 取500V额定电流： 取300A 选六只 2)保护压敏电阻的快速熔断器己选完。24励磁回路的设计 系统选用的调速电机是他磁直流电动机，额定激磁电流为3.17A，激磁电压为220V。 1常用的激磁电源有两种。一种是采用三相整流电路。但整流电压高于=220(电网电压380V)可用一个分压器进行分压，而分压器长期在电路中消耗电能，很不经济，另一种方案是采用单相整流电路。其输出电压低于220V的要求，为了满足200V的要求，可用一自耦变压器与电网直接相连，其输出电压约为250V左右，然后通过整流桥式整流器输出220V的直流电压，考虑到自耦变压器调节输出电压方便，消耗电能很少，虽初投资很多，但运行经济，故采用第二种方案较为合理。 2系统所用的电源是从车间配电所而来的， 自耦变压器容量又小，可以不加保护，由于整流管承受过电压能力较低，因此在交流侧，直流侧分别采用阻容保护，另外，在励磁回路中串入一个欠电流继电器，进行弱磁保护。如图22为他励直流电动机励磁回路。图2-2 他励直流电动机励磁回路3.自耦变压器参数计算及选择。 （忽略欠电流继电器上的压降） 取250V正常工作时，支路无电流， 选TDG型的自耦变压器。型号：TDG2/250输入电压：110/220V 输出电压：0250V（时）最大输出电流3.618（A）重量13.5kg。 体积4. 整流元件参数计算及选择。额定电压：取1000V额定电流：负载电流为3.17。取过载倍数为2.5。A。取10A选四只2CZ整流元件。10A，1000V。 5保护元件参数计算及选择。 1)交流侧保护。 。取1.0。取2202)直流侧保护 取0.8。 耐压 取350V。，取100。正常工作时，流过的电流很少。可以不考虑其功率。 第三章 触发电路 由于本系统采用集成化触发，集成电路内部由许多小集成块构成，块内一般为逻辑电路，线路很复杂，再此不做线路分析，本系统采用KCZ6，集成化六脉冲出发组件，它适用于三相桥式全控变流器的触发。如图3一l为集成触发电路KCZ6的结构原理图。图3-1 集成厨房电流KCZ6的结构原理图 KCZ6集成化六脉冲触发组件，可将控制电压转化为相应导通角的触发脉冲，使主电路可靠工作，每相输出脉冲都能可靠触发一只大功率晶闸管，其同步滤波网络不受电源中波形畸变和换相缺口的影响，适应较宽的同步电压范围，并只需三相同步电压，各相脉冲间不均匀度很小，能方便地与调节系统匹配，并只需凋节输入信号的上，下限就可调整整流和逆变角，组件输出脉冲列式的脉冲，脉冲变压器体积小，可使用统一规格的脉冲变压器，有一个脉冲输出端用以控制脉冲的输出和在正反组可逆系统中作逻辑切换控制，该组件体积小，调整维修方便，线路稍加修改，可用于双向晶闸管管和反并联晶闸管的三相交流调压电路。图3-3 整流变压器与同步变压器的接法第四章 检测单元的设计41电流检测及过流保护环节的设计1电流检测有两种方法：直接和间接检测 直流检测取换向极或补偿极的压降作为直流信号，但其中含有电感电势，要滤波，另外，高压主回路与低压控制回路连在一起，故应采用间接法，它有三种检测形式，交，直流互感器，霍尔元件变换器。 霍尔元件变换器线性度好，无惯性，装置简单，但元件脆而薄，怕震动和电磁干扰，所以不予采用。 直流互感器可以反映交流和直流侧的电流，又能把控制电路与主电路隔开，但不适用于三相零式或有续流二极管的半控桥式整流电路，拉钢机系统主回路是三相全控桥式整流，而且没有缺相保护，故采用交流互感器作为检测元件，直流互感器不能反映缺相故障，因而不采用。如图4一l为电流检测的原理图。图4-1 电流检测的原理图 接入三相交流电由D1-b整流桥整流成为直流电，通过电阻和可调电阻进行保护，晶闸管的触发电源由15V通过GLJ提供，当电流过大时，稳压二极管击穿使晶闸管导通，图4-1右上方二极管通过电流而发光报警，使GLJ失电，GLJ常闭触点断开，使15V电源断开，从而切断电路，以达到检测电流保护电路的作用。4.2转速检测反馈单元的设计 转速负反馈单元是传速系统中非常重要的一部分，它能将检测出来的速度变成电信号，与速度环给定信号比较出的偏差是系统的控制信号，它影响着系统的动静态性能，反馈信号大，系统的快速性好，超调大，反之亦然，检测系统的精确度直接影响系统的静差。如图42所示。 工作原理：测速发电机CS是与调速电动机同轴相连的，当主电机运转时，带动CS，CS发出与n成正比的电动势，经分压电阻额滤波电容，在可调电阻上取得反馈电压信号。图4-2 转速检测反馈单元 设反馈滤波时间常数为 传函为： 电动机在最高转速时，其反馈电压为12V，测速发电机此时电流约为额定值的l5，这样，测速发电机压降对测速信号线性度影响较小 测速发电机有直流，交流两种：交流测速发电机广泛地应用在可逆传动系统中，或可反向传动的系统中，本系统不涉及电机反转，采用直流测速发电机作为险测元件，可以节省整流装置，而且随着生产工艺的发展，直流永磁式测速发电机的性能完全可以满足要求。 选ZYS-100A。 P=8W 测速范围为0一1000rm。最高转速时电压为100V，额定电流为80mA的测速发电机。 取两端能输出的最大电压为20V。WX一030一l一12 k为选LZK1系列控制用交流电互感器，其线性度为l.53，负载电压可达50V仍不致饱和，电流比3000.l，准确数为0.5%，额定负荷，额定电压，额定过载倍数为2.5，额定次级电流，额定初级电流取，因为电动机工作在额定状态下，电流互感器的初级电流为三相全控侨电路交流侧电流的有效值， 次级电流为它经过三相桥式整流，此时电位器W1，W2两端的电压经过的电流为7.8/470=14.9(mA) 功率为经过的电流为7.8/330=23.64（mA） 功率为经过的电流为7.8、200=39（mA） 功率为选取RTX一1200为WX-030-1-3-470为WX-03-1-3-330为二极管定额 取150V额定电流I选六只2zp33D。作为D1D6其最大整态电流为500mA，最高反相电压为200V，取过流保护装置整定值大于15倍额定电流进行整定，(取350A)此时可控硅及快溶流过的电流(A)过流时GLJ控制主电路接触器先于快融动作。当电流互感器流过整定电流时，整流桥输出的电流为而端电压为15V。选用JRX一BF小型电磁继电器为过电流继电器GLJ代号： SRM 523037 绕线直流电阻。 额定电压12V 咬合电流20mA 当饱和导通时，应提供足够的集电极电流，GLJ线圈得额定工作电流12300=40(mA)，选三极管3DG12C为当取时，保证饱和导通的基极电流(mA)。对应主回路电流为350A时，的输出电压为9V，选稳定电压为6V，则mA(在导通时)。满足饱合导通的要求，选作为RTX0-125-360为。 工作原理 主电路电流达350A时，的输出电压为9V，使DW反向击穿，稳压工作，从而饱合导通。GLJ得电-GLJ串在继电控制回赂中，使主电路接触器的线圈失电，断开主回路。当主电路正常工作时，GLJ不动作，无过流信号输出。43稳压电源的设计 因系统所需的是15A，1.3A左右的直流稳压电源，故采用WB724系列集成稳压器中的WB718两块。 主要指标：最大功耗：25W(加散热器)。最大输出电流2A，最大输出电压32，最小输出电流20mA，输出电压4.518V，输入出压差4.5V 整流变压器参数计算： 变压器次数相电压： 其中取15V 变压器原边采用(接法)接，线电压力380V。集成稳压器所需的输入电流最大值。平均计算容量：整流元件的额定电压：。取200V额定电流：。取2A选六只一2组成整流桥。为CDML一502000 （为所需的限流值）。0.50.6/2=（0.250.3）为RY20.51消振电容为：CZJ630047 ：CZJX361 ：RT151 ： CDX-1-25- 214.7 稳压电源采用对称定路，按上面确定出的元件及参数选两套，可组成系统所需要的稳压电流，通过电位器可以调出15V的电压。第五章 系统动态、静态性能分析51转速、电流双闭环调速系统的组成 双闭环调速系统的原理图如图51所示。系统中设置了两个调节器，用来调节电枢电流的调节器称为电流调节器ACR：用来调节转速的调节器称为速度调节器ASR，两者之间串级连接，即由ASR去驱动ACR，再由ACR去驱动触发器。由于ASR和ACR组成两个闭环，速度环包括电流环，因此电流环为内环，速俊环为外环。在自动调节的过程中，这两个闭环各自起着不同的作用。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般部采用PI调节器。 ASR和ACR均有输入和输出限幅电路。输入限幅主要是为保护运算放大器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了晶闸管整流装置输出电压的最大值。图5-1 转速、电流双闭环调速系统原理图5.2 稳态结构图和静特性分析 双闭环调速系统稳态结构图如图5-2所示。由于双闭环系统中转速调节器和电流调节器均为PI调节器，所以为无静差调速系统。图5-2 双闭环调速系统稳态结构图 调速系统在稳态运行时，两个调节器都不饱和，它们的输入偏差电压都是零即 得 上式为双闭环调速系统的静特性方程式。可见，当调节器不饱和时，静特性是很硬的，如图5-3中的段水平线。式(712)表明， 当为一定值转速调节器ASR不饱和时，这时电流调节器ACR只起辅助作用，系统依靠ASR的调节作用，保证系统具有转速无静差的特性，转速n将稳定在上，调节即可调节转速n，式(714)表明， 当为一定值时， 由于电流调节器的作用，整流装置的电流将保持在的数值上，实现电流无静差。 当电动机发生严重过载，即时，转速调节器的输出电压达到限幅大态，速度环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。电流环在其输入电压不变的情况下进行负反馈控制，使调速系统变成了恒值电流调节系统，其限流调节过程是，当时，时，电流调节器输入偏差电压大于零，因而电流调节器将使整流器输出电压明显降低，同时因为的增大，一方面限制了电流的继续增长，另一方面由式看出，将使转速迅速下降，最后直至堵转，减小到使，出现了很陡的下垂特性，如图5-3曲线的AB段。 由图5-3可见，双闭环调速系统的静特性是理想的造纸机机特性，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要