十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计--哈尔滨理工大学.doc

哈尔滨理工大学
课程设计报告书

题 目： 十机架连轧机分部传动直流
调速系统
系（院）： 自动化学院
专 业： 自动化
班 级：
姓 名：
学 号：

第一章 调速技术部分
1.1 设计要求
(1)电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GD2=2.5*31.36 N•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。
1.2 调速的方案选择
1.2.1 直流电动机的选择
根据设计要求，本次课程设计采用Z2-91型直流电动机
1.2.2 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。
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，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

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。
1.3 主电路的计算
1.3.1 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*209/1.83=97.85A
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=170.544A
(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*97.85=64.58KVA
二次容量：S2=m2U2I2=3*120*170.54=61.39KVA
平均电容：S=(64.58+61.39)/2=62.99KVA
1.3.2 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*209*1.5=230.74A
可知应选择型号为KP240-10的晶闸管

1.3.3 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*62.99/1202=2.625uf
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*120/170.544=3.518Ω
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=1.3U=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*234*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==8.96H
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。
1.3.4 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*2*1450*209)=2.9mH
对于快速无补偿电动机取8，磁极对数p=2。
（2） 变压器电感为
*1000=3.9*0.05*120/209=0.12mH
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*209)-(2*0.12+2.9)=7.33-3.14=4.19(mH)
式中，。
限制电流的脉动系数=5%时，值为
=1.045*120/(0.05*291)-3.14=8.62-3.14=5.48（mH）
取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为5.48mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。
1.4 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。
1.5 控制电路的计算
1.5.1 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。
1.5.2 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=40VnTG=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
α=Un*/nN=15/1450=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
(4)调速系统的静态参数
电动机电动势常数 ： CeΦ===0.115
按要求调速系统的静态速降：△nN===7.63r/min
1.6 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=0.6Ω，所以ACR的比例系数
=
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=4.3240=511.68，取172.8,取180，，取0.,2，，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=4,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3000。
，取0.1
，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=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=4时，查得=77.5%，所以

=0.00264
=0.264% < 10%
满足设计要求.
1.7 系统的计算机仿真
1.7.1开环调速系统的建模与仿真
从原理结构图可知，该系统由给定环节、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成。
下图是采用面向电气原理结构图方法作的开环直流调速系统的仿真模型。
A.系统的建模和模型参数设置
系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。
1． 主电路的建模和参数的设置
开环直流调速系统的主电路由三相对称交流的电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节
通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。
（1）三相对称交流电压源的建模和参数设置
为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。
双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，A相交流电压源参数设置如下，幅值取220V、初相位设置为0°、频率为50Hz、其他为默认值；B、C相交流电源参数设置方法同A相相同。初相位设置为互差120°外，其他参数同A.由此可得到三相对称交流电源，本模型的相序是A-C-B.
（2）晶闸管整流桥的建模和参数设置
采用三相整流桥，桥臂取3，；一般情况下，晶闸管的参数取默认值，仿真理想就为默认值，不理想再优化参数。
(3)平波电抗器的建模和参数设置
平波电抗器的类型直接选择为电感就可以了，其电感值可通过仿真进行优化。
(4)直流电动机的建模和参数设置
双击直流电动机的图标，打开电动机的参数设置对话框，对其参数有转速n、电枢电流、激磁电流、电磁转矩均按计算的实际值设置。
(5)脉冲触发器的建模和参数设置
通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。同步脉冲触发器如下图所示。
2.控制电路的建模与仿真
开环直流调速系统只有一个给定环节，双击给定环节模块，打开参数设置对话框，设置参数。
（二）开环调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。

图1.7 开环调速系统仿真模型
1.7.2 单闭环有静差调速系统的建模与仿真
从原理结构图可知，该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。
下图是采用面向电气原理结构图方法作的单闭环有静差调速系统的仿真模型。
（一）系统的建模和模型参数设置
系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。
1.主电路的建模和参数的设置
主电路与开环调速系统相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。
2.控制电路的建模与仿真
单闭环有静差调速系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。另增加了限幅器、偏置、反向器等模块。
给定信号模块的建模和参数的设置方法与开环调速系统相同。
速度调节器、限幅器、偏置、反向器等模块的建模和参数的设置方法很简单，找到相应的模块，进行相应参数的设置即可。
（二）单闭环有静差调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。

图1.8单闭环有静差调速系统的仿真模型
1.7.3 转速、电流双闭环无静差调速系统的建模与仿真
多环直流调速系统与开环、单闭环直流调速系统的主电路模型一样，主电路由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。差别在控制电路上。
（一）系统的建模和模型参数设置
系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。
1.主电路的建模和参数的设置
转速、电流双闭环无静差调速系统主电路的建模和参数的设置与单闭环有静差调速系统大部分相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。
2.控制电路的建模与仿真
转速、电流双闭环无静差调速系统的控制电路由给定环节、速度调节器、电流调节器、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节部分等组成。
给定信号模块的建模和参数的设置方法与单闭环调速系统相同。
（二）双闭环转速、电流调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。

图1.9 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型