交直流课程设计十机架连轧分部传动直流调速系统的设计

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1、摘 要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。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本文所论述的是转速、电流双闭环直流调速系统设计。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功

2、能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。关键词：双闭环调速系统，转速调节器，电流调节器目录一、课程设计的任务（十机架连轧分部传动直流调速系统的设计）1（一）、连轧机原理1（二）、基本参数2(1)、电动机参数2（三）、设计指标2（四）设计要求7二、系统方案选择和总体结构设计8（一）、调速方案的选择8(1)、电动机供电方案的选择8(2)、调速系统方案的选择9（二）、总体结构设计10三、主电路的设计与参数计算11（一）整流变压器的设计11（1）、变压器二次侧电压U2的计算12（2）、一次、二次相电流I1、I2的计算12（3）、

3、变压器容量的计算12（二）、晶闸管元件的选择13（1）、晶闸管的额定电流13（2）、晶闸管的额定电压13（三）、晶闸管保护环节的计算14（1）、过电压保护14（2）、过电流保护15（四）、平波电抗器的计算15（五）、励磁电路元件的选择16（六）、继电器-接触器控制电路设计17四、触发电路选择19五、晶闸管双闭环直流调速系统的设计与选择18（一）、电流调节器的设计和校验19（二）、转速调节器的设计和校验21六、控制电路的设计与计算23（一）、给定环节的选择23（二）、控制电路的直流电源23（三）、反馈电路参数的选择与计算24七、直流调速系统电气原理总图及仿真图25致谢28参考文献29一、课程设计

4、的任务（十机架连轧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，而连轧则是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法。其主要特点是被轧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。其轧制原理和过程如图3-1所示。连续轧制的基本条件是物质流量的不变性，即S1v1=S2v2=Snvn=常数，这里S1Sn和v1vn分别为被轧金属的横断面积和线速度。而连轧机的电气传动则应在保证物质流量恒定的前提下承受咬钢和轧制时的冲击性负载，实现机架的各部分控制和协调控制。每个机架的上下轧锟公用一台电动机实行集中拖动，不同机架采用不同电动机实行部分传动，

5、各机架轧锟之间的速度则按物质流量恒定原理用速度链实现协调控制物质流量不变的要求应在稳态和过渡过程中都得到满足，因此，必须对过渡过程实践和超调量都提出相应的限制。连轧机的完整控制包括许多方面，本课题只考虑轧锟拖动的基本控制即调速问题，并以十机架轧机为例，至于张力卷取问题等将不涉及。（二）、基本参数考虑到课程设计的实践有限，本课题直接给出各部分电动机的额定参数作为设计条件，不再提及诸如轧制力、轧制转矩、轧锟直径等概念和参数，以便简化设计计算。(1)、电动机参数以十机架为准，每个机架对应一台电动机，由此形成10个部分，各部分电动机参数集中列表3-1中，其中Pn(kW)为额定功率、Un(V)为额定电压

6、、In（A）为额定电流、nn(r/min)为额定转速、Ra()为电动机内阻、GDa(Nm)为电动机飞轮力矩、P为极对数。Ifn(A)为额定励磁电流。表3-1 各部分电动机额定参数机架序号电动机型号Pn/KwUn/VIn/Ana/(r/min)Ra/Ifn/AGda/NmP/对1Z2-926723029114500.24.9868.612Z2-914823020914500.33.7758.0213Z2-823523015214500.42.6731.3614Z2-812623011314500.52.76527.4415Z2-721923082.5514500.73.0511.7616Z2-7

7、1142306114500.82.179.817Z2-621123047.814500.90.9566.3918Z2-618.523037145011.145.4919Z2-52623026.114501.11.113.92110Z2-514.223018.2514501.21.0453.431（三）、设计指标 稳态指标：无静差。 动态指标：电流超调量i5%；启动到额定转速时的转速超调量n5%（按退饱和式计算）（四）设计要求 要求以转速、电流双闭环形式作为系统的控制方案。 要求主电路采用三相全桥整流形式。 要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 要求触发脉冲有故障封锁能力。 要求对1号机架拖

8、动系统设置给定积分器，其他机架拖动系统设置给定速度链，以实现速度协调控制。二 系统方案选择和总体结构设计（一）、调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-62型，其具体参数如下表2-1所示表2-1 Z2-62型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-524.223018.2514501.23.431（1）电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运

9、行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高

10、，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。（2）调速系统方案的选择由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为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。因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流

11、保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节。直流调速系统框图如图1所示。（二）、总体结构设计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

12、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

13、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。直流调速系统的框图如图4-1所示： 图4-1 直流双闭环调速系统结构图三、主电路设计与参数计算（一）整流变压器的设计（1）、变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中 -整流电路输出电压最大值； -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；-变压器的短路比，对10100KVA， =0.050.1；/-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在

14、要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （3-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即A=/；B-延迟角为时输出电压Ud与之比，即B=/；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (3-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取=122V。电压比K=/=380/122=3.11。（2）、 一次、二次相电流I1、I2的计算表5-1 整流变压器的计算系数（电感负载）计算系数单相全孔桥三相可靠半波三相全控桥三相半控桥A=Udo/U20.91.172.342.34B=Ud/Udocosmincosmincos

15、min(1+cosmin)/2K2=I2/In10.5770.8160.816K1=I1/In10.4720.8160.816由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得：=A=13.17A =A=39.00A（3）、变压器容量的计算 （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3=338013.17=15.01 KVA=312239.00=14.27KVA =1/2（15.01+14.27）=14.64 KVA （二）、晶闸管元件的选择正确选择晶闸管和整流管，能够使晶闸管装置在保护可靠运行的前提下降低成本。选择整

16、流元件主要是合理选择它的额定电压Ukn和额定电流（通过平均电流）IT,它们与整流电路形式、负载性质、整流电压及整流电流平均值、控制角的大小等因素有关。一般按=0计算，且同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。（1）、 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值8，即 或 =K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 （3-9）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大

17、些。表5-2 整流变压器的计算系数（电感负载）计算系数负载形式单相桥式三相半波三相半控桥Kfb电阻负载0.50.3740.368Kfb电感负载0.450.3670.367由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量 （3-10） =A =A取=30A。故选晶闸管的型号为KP30-7。（2）、晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即整流电路形式为三相全控桥，查表得，则=V=V （3-7）取=800V。（三）、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

18、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。（1）、过电压保护 以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。【1】交流侧过电压保护阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=14.64kvA, U2=122VIem取值：当 S10KVA时，取Iem=4KVA。=F=23.61F耐压1.5Um =1.5122=258.8V选取30F,耐压258.8V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5KV，=2.6，取3 =1.15A =W=W选取3、14W的金属膜电阻。压敏电阻的

19、计算 =V=224.29V流通量取5KA。选MY31-240/5型压敏电阻。允许偏差+10（264V）。【2】直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 =(1.82.2) 230V=414460V 选MY31-440/5型压敏电阻。允许偏差+10（484V）。【3】晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表3-1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.25

20、0.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5122=448.26V（2）、 过电流保护 直流侧快速熔断器:容体额定电流IkRZ1.5In=1.5*47.8=71.7A 交流侧快速熔断器:容体额定电流IKRJ1.5I2=1.5*39=58.5A 晶闸管元件串联快速熔断器:容体额定电流IkIKR1.57IT=1.57*30=47.1A 总电源快速熔断器:容体额定电流IKRD ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，

21、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=40，有=1.70740=68.28，取70，取0.2，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图71电流调节器（二）、 转速调节器的设计和校验【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 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 。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

22、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1100。，取0.08，取1。故。其结构图如下： 图72 转速调节器校核转速超调量：由h=4，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=5时，查得=81.2%，所以=2（）（）=，满足设计要求.六 控制电路的设计与计算（一）、 给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。（二） 控制电路的直流电源这里选用CM

23、7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示图61直流稳压电源原理图（三）、 反馈电路参数的选择与计算 本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。（1）、测速发电机的选择因为V，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表62ZYS-14A型永磁直流测速发电机型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。（2）、 电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100

24、A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻=47,，P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA100-S的输出电流为1.2/1000=1.2152/1000=0.184A，输出电压为470.25=11.75V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。七、直流调速系统电气原理总图图3.3.2 转速电流双闭环直流调速系统的仿真输出 分析：通过图3.32所示的MATLAB仿真结果可以看出系统运行稳定，稳态无静差，电流超调量5%,控制效果比较理想。 致谢记过这几天的课程设计，使我学到了很多东西，增强了我的动手能力以及

25、巩固了以前的知识。刚开始看到“十机架连轧机分布传动直流调速（机架序号7）”这个课程题目时，我感到毫无头绪，无从下手。不过，通过几天的查阅资料，对照课本，终于找到入手点。通过这个课程设计，让我对交直流的知识有了更深入的了解，对公示的应用掌握的更加熟练。最后，再此感谢老师的指导，没有老师的悉心教导，还有同学们的帮助，不然我根本不会应用所学知识，完成我的课程设计 参考文献1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第版.北京：机械工业出版社，20042、石玉等.电力电子技术题例与电路设计指.北京：机械工业出版社，19983、王兆安.电力电子技术. 第4版北京：机械工业出版社，2004、王离九等. 电力拖动自动控制系统. 武汉：华中科技大学出版社，19915、胡寿松.自动控制原理：第4版.北京：国防工业出版社6、洪乃刚等 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真。机械工业出版社，2007。7、李华德主编。交流调速控制系统。电子工业出版社，20038、胡崇岳等。现代交流调速系统。机械工业出版社，20019、黄忠霖等。控制系统MATLAB设计及仿真。机械工业出版社，200110、电工手册学出版社,1997 11、黄忠霖编著.控制系统MATLAB计算与仿真.北京:国防工业出版社,2001