十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

1、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：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，

2、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-

3、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

4、。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1.1直流电动机的选择1.2电

5、动机供电方案的选择1.3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。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 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转速调节器的设计前言直流电动机具有良好的起动。制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正

6、反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速计数发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和时间上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。此次设计的题目是不可逆V-M双闭环直流调速系统的设计。转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课

7、题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细地设计。概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。 第1章 调速技术部分1.1 设计要求1 性能指标要求：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。2给定电机及系统参数：(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数2623011314500.527.441电枢回路总电阻取=1总飞轮力矩=68.61.2 调速的方案选择1.2.1 直流电动机的选择根据设计要求，此次课程设计采用Z2-81型直流电动机。1.2.2 电动机

8、供电方案的选择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，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电 1.2.3 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

9、，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。1.2.4 直流调速系统的总体结构框图双闭环直流调速系统动态结构图如下所示：n_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

10、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。

11、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。第2章 主电路的计算2.1整流变压器的计算整流变压器二次侧电压计算由于整流输出电压的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压: （） 显然，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压:=113.5V (通常取导通角为) 取=120V 变压比 2.1.2 一次、二次侧相电流I1、I2的计算：输出电流的平均值： （2-4） 查表得KI1=0.816，KI2

12、=0.816原边输出有效电流: 副边输出有效电流: 选取 2.1.3 变压器容量S的计算：变压器一次、二次绕组相数m1=m2=3一次容量： 二次容量：平均电容： 考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为50KVA。2.2晶闸管元件的选择晶闸管的额定电压计算： 通常取晶闸管的断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的23倍。本设计中峰值电压294V,故晶闸管电压定额,取其电压定额=750V。晶闸管的额定电流计算 晶闸管的电流定额

13、主要由其通态平均电流来标称，规定为晶闸管在环境为和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算： 式中计算系数=/1.57由整流电路型式而定，为波形系数，为共阴极或共阳极电路的支路数。当时，三相全控桥电路=0.368,故晶闸管额定电流: 取其电流定额为75A。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、

14、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1.2所示的接法电容值 C>=6Iem电阻值 RC=5U21/I21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=5U2/I2=5*120/92.208=6.507B.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

15、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）。C.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）0.10.150.20.250.51

16、1电阻（）10080402010522.3.3 晶闸管及整流二极管两端的过电流保护 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，图1.3接法对过电流保护最有效。 2.4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*1000=8*220*1000/(2*1*1450*113)=5.37mH对于快速无补偿电动机取8，磁极对数p=1。（2） 变压器电感

17、为*1000=3.9*0.05*120/113=0.22mH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*113)-(2*0.22+5.37)=7.76 (mH)式中，。限制电流的脉动系数=5%时，值为=1.045*120/(0.05*113)-5.81=8.62-3.14=16.38（mH）取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为16.38mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。第3章 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

18、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2-5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3-1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

19、晶闸管.第4章 控制电路的计算4.1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。4.2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145

20、0r/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/A4.3调速系统的静态参数 电动机电动势常数 ： Ce=0.135按要求调速系统的静态速降：nN=7.63r/min第5章 双闭环直流调速系统的动态设计5.1电流调节器的设计要求电流调节量1）确定时间常数 a整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间=0.0

21、017s。b电流滤波时间常数。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。c电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。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 。式中 电流调机器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。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=0.5，所以=，电枢回路总电阻R=2=1，所以ACR的比例系数 =4）校验近似条件电流环截止频率=135.

22、1。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按所有运算放大器取=40，各电阻电容计算如下：=2.340=92，取100，取0.3按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足设计要求则 =。1.5.2 转速调节器的设计 图1.9含滤波环节的PI型转速调节器 速度调节器由二极管电位器组成正负限幅可调的限幅电路，由电阻电容组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调（如图1.9）。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

23、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，其传递函数式为 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数1） 计算转速调节器参数：机电时间常数 Tm=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 。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1000，取0.1，取1故。6)校核转速超调量当h=5时，查表3查得，不能满足设计要求。实际上，由于表3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性

24、系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表5-2 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按准则确定参数关系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111，其中查表可知，则 满足设计要求，取0.2 结论本课程的课程设计是在学习完电力拖动自动控制系统课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,培养应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。熟悉电力拖动自动控制系统基本知识及Matlab仿真软件。 我通过这次的锻炼学到了很多的东