十机架连轧机分部传动直流调速

目录 摘 要    5 绪 论    6 1. 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要求    7 2.设计 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容     7 2.1调速 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的选择    7 2.1.1直流电动机的选择    7 2.1.2电动机供电方案的选择    7 2.1.3系统的结构选择    7 2.1.4直流调速系统的总体结构框图    8 2.2主电路的计算    9 2.2.1整流变压器的计算    9 2.2.2晶闸管元件的选择    9 2.2.3晶闸管保护环节的计算    10 2.2.4平波电抗器的计算    12 2.3触发电路的选择与校验    13 2.4控制电路的计算    14 2.4.1给定电源和给定环节的设计    14 2.4.2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    14 2.5双闭环直流调速系统的动态设计    15 3.系统的计算机仿真    18 3.1开环    18 3.1.1开环物理模型    18 3.1.2开环物理模型仿真图    19 3.1.3开环数学模型    20 3.1.4开环数学模型仿真图    20 3.2单闭环    20 3.2.1单闭环物理模型    21 3.2.2单闭环物理模型仿真图    21 3.2.3单闭环数学模型    21 3.2.4单闭环数学模型仿真图    22 3.3双闭环    22 3.3.1双闭环物理模型    22 3.3.2双闭环物理模型仿真图    23 3.3.3双闭环数学模型    23 3.3.4双闭环数学模型仿真图    24 4.结论心得    25 参考文献：    26 摘 要 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。 直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。 关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 绪 论 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。 随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。 1.设计要求 （1）电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GDa2=2.5*11.76N?M2，极对数P=1。 （2）其它未尽参数可参阅教材中“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S<=5%,稳态无静差，电流超调量δI%<=5%,电流脉动系数SI<=10%;启动到额定转速时的转速退饱和超调量δN<=10%. （4）要求系统具有过流，过压，过载和缺相保护。 （5）要求触发脉冲有故障封锁能力。 （6）要求对拖动系统设置给定积分器。 2.设计内容 2.1调速方案的选择 2.1.1直流电动机的选择 根据设计要求，本次课程设计采用Z2-72型直流电动机。 2.1.2电动机供电方案的选择 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。 2.1.3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。 2.1.4直流调速系统的总体结构框图 图1.1  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。 2.2主电路的计算 2.2.1整流变压器的计算 （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=（1~1.2）   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=0.90~0.95，查表知α角，考虑10°裕量，故cosαmin=0.985,由电机参数可知UN=230V,代入公式计算出U2 U2=(1~1.2) =110.9~133.08V 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 =209A,代入公式计算出 =1.05*0.816*82.55/1.83=38.65A 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=209A,代入公式算出I2 =0.816*209=67.36A （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*38.65=25.51KVA 二次容量：S2=m2U2I2=3*120*170.54=24.25KVA 平均电容：S=(25.51+24.25)/2=24.88KVA 2.2.2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2~3倍的安全裕量，按下列公式计算，即 UTN=（2~3）KUTU2=(2~3)*2.45*120=588~882V 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1.5~2倍的安全裕量。按下列公式计算，即 IT(AV)=2*KIT*Idmin=2*0.367*82.55*1.5=90.89A 可知应选择型号为KP100-10的晶闸管 2.2.3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。 （1）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(Ω)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 图1.2 交流侧阻容吸收保护 电容值 C>=6Iem (uf)=6*0.1*24.88/1202=1.037uf 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10~100KVA的变压器，一般为10%~4%； 电阻值  RC=5U21/I21=5*120/67.36=8.907Ω B.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=1.3 U=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 (2)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 10 20 50 100 200 500 100 电容（uf） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 1 电阻（Ω） 100 80 40 20 10 5 2                 表1.1 阻容保护的原件参数 (3)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。 图1.3    快速熔断器的安装方法 (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 LB= =0.0896mH 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U2 B．在桥臂上串联空心电感，电感值取20~30μH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。 2.2.4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*82.55)=7.35mH 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 =3.9*0.05*120/82.55=0.28mH 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*82.55)-(2*0.28+7.35)=18.58-7.91=10.67(mH) 式中， 。 限制电流的脉动系数 =5%时， 值为 =1.045*120/(0.05*82.55)-7.91=30.38-7.91=22.47（mH） 取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为22.47mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。 2.3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，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1.4  MC787组成的三相触发电路原理接线图 图1.4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。 2.4控制电路的计算 2.4.1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10V的电源，用一个2.2KΩ,1W电位器引出给定电压。 2.4.2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=2KΩ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10V,只要适当取反馈系数α，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 α=Un*/nN=10/1450=0.007V?min/r （3）电流负反馈环节  设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.002s,则电流反馈系数 β=0.08V/A (4)调速系统的静态参数  电动机电动势常数 ： Ce= = =0.11876 按要求调速系统的静态速降：△nN= = =7.63r/min 2.5双闭环直流调速系统的动态设计 (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Ⅰ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 =0.5，所以 = = ，电枢回路总电阻R=2 =1.4Ω，所以ACR的比例系数 = 所以取 , 。 4）校验近似条件 电流环截止频率 = =135.1 。 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 取运算放大器的 =40 ，有 =1.77 40=70.8 ，,取80 ， ，取0.4 ， ，取0.2 。故 = ，其结构图如下所示： 图1.5  电流调节器 (2) 转速调节器的设计  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： 。 所以取 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250 。 ，取0.4 ，取1 。 故 。其结构图如下： 图1.6  转速调节器 校核转速超调量：由h=5，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 =9.4% < 10% 3.系统的计算机仿真 仿真前对数据进行计算得： W=104                        Ce=0.11876 0.12 ，  。 3.1开环 3.1.1开环物理模型 3.1.2开环物理模型仿真图 3.1.3开环数学模型 3.1.4开环数学模型仿真图 3.2单闭环 3.2.1单闭环物理模型 3.2.2单闭环物理模型仿真图 3.2.3单闭环数学模型 3.2.4单闭环数学模型仿真图 3.3双闭环 3.3.1双闭环物理模型 3.3.2双闭环物理模型仿真图 3.3.3双闭环数学模型 3.3.4双闭环数学模型仿真图 结论心得 通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。 本课程设计综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动与控制技术等的知识，为了更好的完成设计，我又重新复习了一遍原来所学的知识，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的。 总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅，同时感谢在设计中提供帮助的老师和同学们。 参考文献： [1] 黄忠霖编著.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社，2001 [2] 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真. 北京:中国电力出版社，2007 [3] 周渊深.交直流调速与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2010