十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

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专业班级指导教师课程设计任务书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KWNPVNUAIR/MINNNAR2AGD2MNP极对数1Z2926723029114500268612Z29148230209145003580213Z28235230152145004313614Z28126230113145005274415Z272192308255145007117616Z27114230611450089817Z2621123047814500963918Z261852303714501054919Z2526230261145011392110Z25142230182514501234312技术数据（1）电枢回路总电阻取；总飞轮力矩AR2225AGD2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D10,静差率；稳态无静差，电流超调量，5S5I空载起动到额定转速时。10N3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。目录调速方案的选择5电动机供电方案的选择5系统的结构选择5直流调速系统的总体结构框图6主电路的计算7整流变压器的计算7晶闸管元件的选择8晶闸管保护环节的计算9平波电抗器的计算13触发电路的选择13控制电路的计算15给定电源和给定环节的设计15双闭环直流调速系统的动态设计15电流调节器的设计15转速调节器的设计17结束语19参考文献20（1）调速的方案选择根据设计要求，本次课程设计采用Z252型直流电动机。机架序号电机型号PNKWUNVINANNR/MINRAGDANMIFNA9Z25262302611450113921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A）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。B）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。C）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。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。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下所示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图如下所示SWARSACR1TKS1/STRTSTRMEC1NUIUCTUDODLIN_N_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DNI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。主电路的计算整流变压器的计算A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（查表知，三相全控桥式MINCOS1BKUVN整流电压的计算系数KUV234，电网电压波动系数，查表知角，考虑95010裕量，故COSMIN0985,由电机参数可知UN230V,代入公式计算出U2U2V8139085903421V取U2120V,变比K220/12018321B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105左右的系数，查表1IKNIL1I知，一次相电流计算系数KIL0816，由电机参数可知261A,代入公式计算出N1I1050816261/1831222A1I二次侧电流I2KIVIDN查表知，二次相电流计算系数KIV0816，一般取整流器额定直流电流IDIN，由电机参数知IN261A,代入公式算出I208162612130A2IC变压器容量的计算变压器一次、二次绕组相数M1M23一次容量S1M1U1I132201222807KVA二次容量S2M2U2I23120213054767KVA平均电容S807767/2787KVA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。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，通常可考虑倍的安全裕量，按下列公32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2V29410456UTM所以晶闸管的额定电压应为（23）倍的，即TMUTT83232晶闸管的额定电流可由简化经验公式,AIITVT05392816374025174051参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KP509。国产晶闸管的型号命名（JB114475部颁发标准）主要由四部分组成，各部分的含义见下表。第一部分主称第二部分类别第三部分额定通态电流第四部分重复峰值电压级数字母含义字母含义数字含义数字含义11A1100V55A2200V1010A3300VP普通反向阻断型2020A4400V3030A5500V5050A6600V100100A7700VK快速反向阻断型200200A8800V300300A9900V400400A101000V121200VK晶闸管（可控硅）S双向型500500A141400V第一部分用字母“K”表示主称为晶闸管。第二部分用字母表示晶闸管的类别。第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值。第四部分用数字表示重复峰值电压级数。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。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12所示的接法图12交流侧阻容吸收保护电容值C6IEMUF601787/12020328UF2US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104；电阻值RC5U21/I215120/2130281692）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，并具有损耗低，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U1MA13U131202206V2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U1MA22234U222341205616VDC4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1000500200100502010电容（F）21050250201501电阻（）2510204080100阻容保护的原件参数由晶闸管的额定电流可选C02F，R405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A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432如下图432一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IFU16I1162614176A因此，如图432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。B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。其保护原理图如下图所示图13过流保护电路图由上图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RDI157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TRDAVTIIRD30C直流侧快速熔断器的选择4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A交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器LB的计算公式为LB896HDNIFU8160242式中交流器输出额定电流IDN，电源频率F,变压器二次相电压U2B在桥臂上串联空心电感，电感值取2030H为宜。C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。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DL100082301000/2214502611215MHNDIPNUK2式中电动机额定电压电动机额定电流NIP电动机极对数计算系数，对于一般无补偿电机812DDK对于快速无补偿电动机取8，磁极对数P2。K（2）变压器电感为TL100039005120/261090MHNDLIU2式中005。,93TKDL（3）平波电抗器的选择。维持电流连续时的为PLMHIUKLLDTDDTP8145129012605/1639022MIN11式中，。NDII,MIN1限制电流的脉动系数5时，值为ISPLMHIUKLLDTNIDTP681529012605/142221式中10452K取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为8168MH时，电流连续和脉动要求能同时满足。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25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14MC787组成的三相触发电路原理接线图图14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。控制电路的计算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22K,1W电位器引出给定电压。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ETG40V,NTG2000R/MIN负载电阻RTG2K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TON001S,则转速反馈系数UN/NN15/1450001VMIN/R（3）电流负反馈环节设电流反馈滤波时间常数TOI002S,则电流反馈系数005V/A4调速系统的静态参数电动机电动势常数CE01388NNRIUA1450263按要求调速系统的静态速降NN763R/MINSDS双闭环直流调速系统的动态设计电流调节器的设计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STS07STOI0200017000200037S。OISI主电路电磁时间常数为00055S2,M15HRL主电路的机电时间常数为SCGDTMEM12503618037592式中1326MCE302）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5I电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。SKWIACR1电流调机器的比例系数I电流调节器的超前时间系数I3）电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数003S，又因为设计要求电流超调量，查得有ITL5I05，所以，电枢回路总电阻R222，所以ACRIITKIKIT501357SAR的比例系数SIIIR46054214）校验近似条件电流环截止频率1351。CIWIK1S晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足条件。1960731TSCIW忽略反电动势变化对电流环动态影响条件，满足条件。CILM1948031251电流环小时间常数近似处理条件，满足条件。IS