十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计 自动控制电机拖动

2  课程设计的任务

2.1 设计题目: 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，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。

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S1…Sn和v1…vn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，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。

2.2 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。

2.2.1 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2-1中，其中Pn(kW)为额定功率、Un(V)为额定电压、In（A）为额定电流、nn[(r/min)]为额定转速、Ra(Ω)为电动机内阻、GD2a(N·m2)为电动机飞轮力矩、P为极对数。Ifn(A)为额定励磁电流。

2.3 设计指标

(1）稳态指标：无静差。

(2）动态指标：电流超调量≤5%；启动到额定转速时的转速超调量≤5%（按退饱和式计算）

2.4 设计要求

(1) 电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GD2。

    (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。

3  系统方案选择和总体结构设计

3.1 调速方案的选择

本次设计选用的电动机型号Z2-72型，其具体参数如下表3-1所示，

表3-1  Z2-72型电动机具体参数

3.1.1 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，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。

3.1.2 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。

3.2 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。

直流调速系统的框图如图3-1所示。

图3-1 直流双闭环调速系统结构图

4 硬件设计

4.1 主电路的计算

4.1.1 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）                           （3-1）

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：   =                                （3-2）

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=37A,代入公式计算出

=1.05*0.816*37/1.83=17.323A

二次侧电流：   I2=                                  （3-3）

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=，由电机参数知=82.55A,代入公式算出I2

=0.816*82.55=67.32A

(3)变压器容量的计算

                                 （3-4）

                                （3-5）

                                                  （3-6）

变压器一次、二次绕组相数m1=m2=3

一次容量：S1=m1U1I1  =3*220*38.64=25.50KVA

二次容量：S2=m2U2I2=3*120*67.3212=24.23KVA

平均电容：S=(25.50+24.23)/2=24.86KVA

4.1.2 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。

1)分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。

2)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                            （3-7）

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)=（1.5~2）*KIT*Idmin==（1.5~2）*0.367*82.5=45.41~60.55A    （3-8）                           

可知应选择型号为KK50-6的晶闸管

4.1.3 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

1)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4-1所示的接法。

                   图4-1 交流侧阻容吸收保护

电容值 C≥6Iem(uf)=6*0.1*11.15/1202=0.465uf

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*120/30.192=19.873Ω

    2)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=1.3U=1.3**120=220.6V

式中  U----压敏电阻两端正常工作电压有效值（V）。

    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U1Ma>=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V

4)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。

表4-1 阻容保护的原件参数

5)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4-2接法对过电流保护最有效。

图4-2    快速熔断器的安装方法

(2) 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

1)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=                             （3 -9）

LB==5.1mH

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

2)在桥臂上串联空心电感，电感值取20~30μH为宜。

3)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。

4.1.4 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                         （3-10）

*1000=8*230*1000/(2*1*1450*82.5)=7.69mH

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

*1000                                 （3-11）

*1000=3.9*0.05*120/82.5=0.28mH

式中=0.05。

(3）平波电抗器的选择。维持电流连续时的为

                                                （3-12）

=0.639*120/(0.05*82.5)-(2*0.49+7.69)=20.16-8.67=11.49(mH)

式中，。

限制电流的脉动系数=5%时，值为

                                                    （3-13）

=1.045*120/(0.05*82.5)-8.67=30.40-8.67=21.73（mH）

取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为21.73mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。

4.2 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。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4-3  MC787组成的三相触发电路原理接线图

图3-3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。

4.3 控制电路的设计

4.3.1 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2.2KΩ,1W电位器引出给定电压。

4.3.2 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15V,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

取α=Un/nN=10/1450=0.01V?min/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

                  β=0.05V/A=10V/1.5=0.14V/A

(4)调速系统的静态参数

电动机电动势常数 ： Ce===0.11

按要求调速系统的静态速降：△nN===7.63r/min

4.4 双闭环直流调速系统的动态设计

4.4.1 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=2Ω，所以ACR的比例系数

                                   （3-14）

=

(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，各电阻和电容计算如下：

=2.0340=81.2，取80，

，取0.38，

，取0.1。

故=，其结构图如下所示。

                            图4-4 电流调节器

4.4.2 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：                             （3-15）

(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4，

，取22

，取1。

故。其结构图如下，

图4-5   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，所以

                                    （3-16）

                          =0.038 =3.8% < 10%

满足设计要求。

5 系统的MATLAB/Simulink仿真

5.1 系统的仿真模型

5.1.1 开环直流系统的仿真模型

根据设计的要求搭建物理模型，以下是本设计所需要的模型，电机两端所加的电压为220V，根据所给的参数数据可知平波电抗器的大小为49.37mH,利用仿真模型仿真找到合适的的值，经仿真找到的范围为143V～203V，开环直流调速系统的仿真模型如图5-1所示。

图5-1开环直流调速系统的仿真模型

5.2 双闭环的仿真模型

双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考课本第二章的各个部分的数值，本系统选择的仿真算法为ode23s，仿真Start time设为0，Stop time设10。

经所给数据的计算可知：电流环ACR的参数值分别为：Ki=2.03  Kp=67.7。

经仿真调试设定限幅值为【120  -120】,给定信号为151rad/s  转速环ASR的参数设定为：Kpn=，0.099,Kip=1.133，限幅值为【11 -23】 平波电抗器的值为

49.37mH。双闭环直流调速系统的仿真模型如图5-2所示。

图5-2  双闭环直流调速系统的仿真模型

5.3 系统仿真的输出及结果分析

5.3.1 物理模型的仿真结果

开环的仿真结果如图5-3所示，

图5-3开环仿真结果

开环仿真启动电流过大，会烧坏电机，不满足要求。

双闭环仿真结果：电流仿真值为82.55A 最大电流为1.5=121.3A 仿真值是151rad/s经仿真可知： 所仿真的转速能达到额定值，稳定后能达到电动机的额定电流82.55A.

双闭环的仿真结果如图5-4所示，

图5-4双闭环仿真结果

静差率         (4-1)

双闭环加阶跃负载稳定后局部电流如图5-5所示，

图5-5双闭环加阶跃负载稳定后局部电流

电流脉动系数  (4-2)

双闭环阶跃仿真结果波形图如图5-6所示，

图5-6 双闭环阶跃仿真结果

通过开环、双闭环的仿真结果的比较可以看出双闭环的波形要优于开环，因为双闭环多加了电流环，转速换使其快速性增加，抗扰动能力增强且符合设计要求,。

从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。

结束语

现代工业生产中,各种生产工艺的实现大多采用电动机拖动生产机械来完成。随着生产工艺要求的提高,对生产机械和拖动的电动机也提出更高的要求:有的要求电动机能迅速起动、控制和反转；有的要求多台电动机之间的转速按一定的比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机起、制动、平稳,并能准确地停止在给定的位置。

在两个星期的课程设计中我学到了十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计的基本技巧与基本理论知识、还有实践能力，在老师的带领下，我们很快熟悉了MATLAB软件的仿真应用。在学校机房的这10天在同学的帮助下随着逐渐对软件的熟悉，同时在同学们的共同探讨下，我逐渐对直流调速系统认识更加深入了。在实践过程中，对于仿真的数据与所需要用到的公式，刚开始的时候，总是没弄明白，随后清楚了，但是仿真还是不如意，于是在同学们与老师的帮助下，最终才正确的仿真出理想的图形出来。

另外这次课程设计让我不仅对电力电子的理论知识有了很深的认识也对我的实践动手能力有了很大的培养。。当然这次设计还有很多不足之处，例如对基础知识了解不够充分，导致设计过程中出现很多不必要的麻烦，所以在以后的学习构成中我会加倍学习相关知识，以弥补自己的不足。在此过程中,我懂得了,不管遇到什么问题,首先要做的就是冷静,在此基础上细心认真地检查,还要多问。相信付出总会有收获的,一定要有自己独立的见解和思路。

致谢

在本次课程设计中，首先感谢程老师倾注了大量的心血教导我们。在我们遇到困难时，感谢老师循循善秀的教导我们，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

张锦超-十机架连压机分部传动直流调速系统的设计.doc (1.14 MB, 下载次数: 18)

2019-1-7 11:49 上传

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