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文檔簡介
1、<p><b> 實訓(xùn)報告</b></p><p> 題 目 十機架連軋機分部傳動直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p> 學(xué)生姓名 </p><p><b> 專業(yè)班級 </b></p><p> 學(xué) 號 </p>
2、<p> 系 (部) 電氣信息工程學(xué)院 </p><p> 指導(dǎo)教師(職稱) 講師 </p><p> 完成時間 </p><p><b> 摘 要</b></p><p> 在冶金工業(yè)中,軋制過程是金屬壓力加工的一個主要工藝過程,連軋是一種
3、可以提高勞動生產(chǎn)率和軋制質(zhì)量的先進方法,連軋機制則是冶金行業(yè)的大型設(shè)備。其主要特點是被軋金屬同時處于若干機架之中,并沿著同一方向進行軋制,最終形成一定的斷面形狀。每個機架的上下軋制共用一臺電動機實行集中拖動,不同機架采用不同電動機實行部分傳動,各機架軋之間的速度實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。</p><p> 本課題的十機架連軋機的每個機架對應(yīng)一套直流調(diào)速系統(tǒng),由此形成十個部分,我們選用的是Z2—71型號的電動機。</p
4、><p> 電氣傳動又稱電力拖動,是以電動機作為原動機驅(qū)動生產(chǎn)機械的系統(tǒng)的總稱。它是為了合理地使用電動機,通過對電動機的控制,使被拖動的機械按照某種預(yù)定的要求運行。電氣傳動系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置,用以實現(xiàn)生產(chǎn)機械的起動、停止、速度調(diào)節(jié)以及各種生產(chǎn)工藝過程的要求。</p><p> 電氣傳動系統(tǒng)由電動機、控制裝置以及被拖動的生產(chǎn)機械所組成。其主要特點是功率范圍極大,單個設(shè)備的功率可從
5、幾毫瓦到幾百兆瓦;調(diào)速范圍極寬,轉(zhuǎn)速從每分鐘幾轉(zhuǎn)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn),在無變速機構(gòu)的情況下調(diào)速范圍可達1:10000;適用范圍極廣,可適用于任何工作環(huán)境與各種各樣的負(fù)載。</p><p> 直流電動機具有良好的起、制動性能,宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,而直流調(diào)速系統(tǒng)又分為開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速和雙閉環(huán)調(diào)速等調(diào)速方式。其中開環(huán)調(diào)速的靜差率不高,且只能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無極調(diào)速;而在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)時專門
6、用來控制電流的,它不能很理想的控制電流的動態(tài)波形,但雙閉環(huán)控制可解決以上的所有問了題,故本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p><b> 1 系統(tǒng)方案的選擇</b></p><p> 1.1調(diào)速方案的選擇</p><p> 調(diào)速選澤包括以下幾種:直流電動機的選擇、電動機供電方案的選擇、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇、確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理框圖
7、及仿真圖。</p><p> 1.2直流電動機的選擇</p><p> 根據(jù)任務(wù)的分配,我們組分的是第六臺機架連軋機,此機架連軋的電動機的型號是Z2-71,電動機的參數(shù)見表1-1:</p><p> 表1-1 電動機Z2-71的參數(shù)</p><p> 1.3電動機供電方案的選擇</p><p> 常用的整流
8、器主電路比較和常用整流電路的計算系數(shù)分別見表1-2和1-3。</p><p> 表1-2 常用的整流器主電路比較</p><p> 表1-3 常用整流電路的計算系數(shù)</p><p> 通過以上數(shù)據(jù)分析可以知道選擇晶閘管三相全控橋式變流供電。</p><p> 1.4主電路結(jié)構(gòu)的選擇</p><p> 工
9、業(yè)上,為了提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量,充分利用晶閘管元件及電動機的過載能力,要求實現(xiàn)理想啟動,即要求在啟動過程中,是啟動電流一直保持最大允許值,此時,電動機以最帶轉(zhuǎn)矩啟動,轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升,以縮短啟動時間;啟動結(jié)束后,電流從最大值迅速下降為負(fù)載電流值且保持不變,轉(zhuǎn)速維持給定轉(zhuǎn)速不變,又因調(diào)速精度要求較高,故采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。啟動時,讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用,電流內(nèi)環(huán)起主要作用,調(diào)節(jié)啟動電流一直保持最大允許值,使轉(zhuǎn)速線性變
10、化,迅速達到給定值;穩(wěn)態(tài)運行時,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)其主要作用,使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定器的變化而變化,電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電動機的電樞電流以平衡負(fù)載電流。</p><p> 選擇的雙閉環(huán)的原理框圖為圖1-1:</p><p><b> 2 硬件的設(shè)計</b></p><p> 2. 1整流變壓器的計算和選擇
11、
12、 </p><p> 2. 2.1整流元件的計算和選擇</p><p> 1)額定電壓的選擇,即:</p><p><b> 取,</b></p><p> 式中,為晶閘管的電壓計算系數(shù);為整流變壓器二次相電壓
13、。</p><p> 2)額定電流選擇,即:</p><p><b> 取,</b></p><p> 式中,為晶閘管電流計算系數(shù);為整流變壓器二次側(cè)的額定電流。</p><p> 整流變壓器的參數(shù)計算應(yīng)考慮的因素:</p><p> 1)最小延遲觸發(fā)角:一般可逆系統(tǒng)的取30°
14、到35°,不可逆系統(tǒng)的取10°到15°。</p><p> 2)電網(wǎng)電壓波動:電網(wǎng)電壓允許波動范圍為+5%到-10%,在電網(wǎng)電壓最低時仍能保證最大整流輸出電壓的要求,通常取電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。</p><p> 3)漏抗產(chǎn)生的換相壓降。</p><p> 4)晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航怠?lt;/p><p>
15、; 二次相電壓的計算如下:</p><p><b> ,取U2=125V</b></p><p> 式中,為變壓器二次相電壓,單位為V;為電動機的額定電壓,單位為V;為整流電壓計算系數(shù);b為電網(wǎng)電壓波動系數(shù),一般取。
16、
17、 </p><p> 整流變壓器的電流計算如下:</p><p> 式中,為二次相電流計算系數(shù)
18、;當(dāng)整流器用于電樞供電時,一般取;為一次相電流計算系數(shù);K為變壓器的電壓比。</p><p> 整流變壓器的容量計算如下:</p><p> 式中、分別為變壓器一次、二次繞組的相數(shù),對于三相全控橋, ;、分別為變壓器一次、二次相電壓;、分別為一次、二次相電流。</p><p> 2.2平波電抗器的計算與選擇</p><p> 由于一個
19、整流電路中,通常包含有電動機電樞電抗、變壓器漏抗和外接電抗器的電抗三個部分,因此,首先應(yīng)求出電動機電樞(或勵磁繞組)及整流變壓器的漏抗,再求出需要外接電抗器的電感值。</p><p> 1.用于限制輸出電流脈動的臨界電感/mH</p><p> 式中為臨界計算系數(shù),三相全控橋為1.045;為電流最大允許脈動系數(shù),三相電路;為整流變壓器二次相電壓,單位為V;為電動機最小工作電流,單位為A
20、,取電動機額定電流的。</p><p> ?、谟糜诒WC輸出電流連續(xù)的臨界電感 /mH</p><p><b> 取= 25mH</b></p><p> 式中為臨界計算系數(shù),三相全橋為0.693;為整流變壓器二次相電壓,單位為V;為電動機最小工作電流,單位為A,取電動機額定電流的。</p><p> ?、壑绷麟妱訖C的
21、漏電感/mH</p><p> 式中,為直流電動機的額定電壓,單位為V;為直流電動機的額定電流,單位為A;為直流電動機的額定轉(zhuǎn)速,單位為r/min;p為直流電動機磁極對數(shù);為計算系數(shù),對于一般無補償繞組電動機,。 </p><p> ?、苷酆系秸髯儔浩鞫蝹?cè)的每相漏電感/mH</p><p> 式中為計算系數(shù),三相全橋取3.9,整流變壓器阻抗電壓百分比,一般取
22、;為整流變壓器二次相電壓,單位為V;為直流電動機的額定電流,單位為A。</p><p> ⑤實際應(yīng)串入的平波電抗器電感 /mH</p><p> 式中,N為系數(shù),在三相橋路中取2,其余取1.</p><p><b> ?、?電樞回路總電感</b></p><p><b> 2.3電阻的計算</b&g
23、t;</p><p> ①電動機電樞電阻Ra:Ra=0.8Ω</p><p><b> ?、陔姌谢芈房傠娮?lt;/b></p><p> 始終為平波電抗器的電阻,可從電抗器產(chǎn)品手冊中查得或?qū)崪y。</p><p> 2.4電流環(huán)的設(shè)計和校驗</p><p> 2.4.1電流環(huán)的設(shè)計</p&
24、gt;<p> 三相電橋的平均失控時間=0.0017s,電流濾波時間, </p><p> 確定將電流環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計要求:,</p><p><b> 而且</b></p><p> 因此,電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。</p><p> 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。ACR選用PI調(diào)
25、節(jié)器,其傳遞函數(shù)為 </p><p> ACR參數(shù)選擇如下:</p><p> 電流開環(huán)增益:因要求,故應(yīng)取,因此</p><p> 于是,ACR的比列系數(shù)為</p><p> 4)因為 且有電機參數(shù)可知: = </p><p><b> 所以</b>&l
26、t;/p><p><b> 即給定值為 </b></p><p> 2.4.2電流環(huán)的校驗 </p><p><b> 1)校驗近似條件 </b></p><p><b> 電流環(huán)截至頻率為:</b></p><p> 校驗整流裝
27、置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足,因為</p><p><b> 所以滿足近似條件。</b></p><p> 校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足</p><p><b> 因為</b></p><p><b> 所以滿足近似條件。</b></p>
28、<p> 校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件</p><p><b> 因為</b></p><p><b> 所以滿足近似條件。</b></p><p> 2.5轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計和校驗</p><p> 2.5.1轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計</p><p> 1)電
29、流環(huán)等效時間常數(shù)為 2=0.0074s,轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s</p><p> 2)確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)。由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速環(huán)無靜差,ASR必須含有積分環(huán)節(jié);又根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求:應(yīng)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。</p><p> 3)ASR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。ASR選用PI調(diào)節(jié)器 ,其傳遞函數(shù)為 </p><p> 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)<
30、/p><p> 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)</p><p> 按跟隨和抗干擾性能較好原則,取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為:,</p><p><b> 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 </b></p><p><b> 電流反饋系數(shù):</b></p><p><b> 轉(zhuǎn)速
31、反饋系數(shù):</b></p><p> ASR的比例系數(shù)為:</p><p> 2.5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的校驗</p><p><b> 1)檢驗近似條件</b></p><p><b> 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p> 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為,滿
32、足條件。</p><p> 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為:,滿足近似條件。</p><p> 3系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真</p><p> 3.1系統(tǒng)的仿真模型</p><p> 3.1.2開環(huán)和單閉環(huán)直流系統(tǒng)的仿真模型</p><p> 根據(jù)設(shè)計的要求搭建物理模型,以下是本設(shè)計所需要的模型
33、,電機兩端所加的電壓為220V,根據(jù)所給的參數(shù)數(shù)據(jù)可知平波電抗器的大小為12mH,利用仿真模型仿真找到合適的的值,經(jīng)仿真找到的范圍為,開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖3-1所示: </p><p> 圖3-1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p> 對于單閉環(huán)來說,仿真是為了與雙閉環(huán)進行比較,看哪個快速性好,對負(fù)載的擾動,單閉環(huán)的給定值是105rad/s,幅值是107,電機電阻0.8
34、,限幅是[80 0],按照所給的值進行仿真。單閉環(huán)的仿真模型如圖3-2所示:</p><p> 圖3-2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p> 3.2雙閉環(huán)的仿真模型</p><p> 雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括:給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等,因為在本次設(shè)計中單片機代替了控制電路絕大多數(shù)的器件,所以在此
35、直接給出各部分的參數(shù),各部分參數(shù)設(shè)置參考課本第二章的各個部分的數(shù)值,本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb,仿真Start time設(shè)為0,Stop time設(shè)2.5。</p><p> 經(jīng)所給數(shù)據(jù)的計算可知:電流環(huán)ACR的參數(shù)值分別為: </p><p> 經(jīng)仿真調(diào)試設(shè)定限幅值為【170 -180】,給定信號為105rad/s 轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的參數(shù)設(shè)定為:,,限幅值為【12 -20
36、】 平波電抗器的值為12.5mH。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖3-3所示:</p><p> 圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p> 3.2系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p> 開環(huán)的數(shù)學(xué)模型如圖3-4所示:</p><p> 圖3-4 開環(huán)數(shù)學(xué)模型</p><p> 單閉環(huán)數(shù)學(xué)模型如圖
37、3-5所示:</p><p> 圖3-5 單閉環(huán)數(shù)學(xué)模型</p><p> 雙閉環(huán)數(shù)學(xué)模型如圖3-6所示:</p><p> 圖3-6 雙閉環(huán)數(shù)學(xué)模型</p><p> 3.2 系統(tǒng)仿真的輸出及結(jié)果分析</p><p> 3.2.1物理模型的仿真結(jié)果</p><p> 開環(huán)的仿真結(jié)
38、果如圖3-7所示:</p><p> 圖3-7開環(huán)仿真結(jié)果</p><p> 單閉環(huán)的仿真結(jié)果如圖3-8所示:</p><p> 圖3-8 單閉環(huán)的仿真結(jié)果</p><p> 雙閉環(huán)仿真結(jié)果:電流仿真值為61A 最大電流為1.5=91.5A 仿真值是105rad/s 雙閉環(huán)的仿真結(jié)果如圖3-9所示:</p><p&
39、gt; 圖3-9 雙閉環(huán)仿真結(jié)果</p><p> 3.2.2數(shù)學(xué)模型的仿真結(jié)果</p><p> 開環(huán)、單閉環(huán)和雙環(huán)的數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果如圖3-10、3-11和3-12所示:</p><p> 圖3-10單環(huán)的數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果</p><p> 圖3-11單閉環(huán)的數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果</p><p> 圖3-1
40、2 雙閉環(huán)的數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果</p><p> 經(jīng)仿真可知:所需的啟動電流最大值為: 所仿真的轉(zhuǎn)速能達到額定值,穩(wěn)定后能達到電動機的額定電流61A.</p><p> 通過開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)的仿真結(jié)果的比較可以看出雙閉環(huán)的波形要優(yōu)于單閉環(huán),因為雙閉環(huán)多加了電流環(huán),使其快速性增加,抗擾動能力增強</p><p> 從仿真結(jié)果可以看出,它非常接近于理論分析
41、的波形。啟動過程的第一階段是電流上升階段,突加給定電壓,ASR的輸入很大,其輸出很快達到限幅值,電流也很快上升,接近其最大值。第二階段,ASR飽和,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),電流基本上保持不變,拖動系統(tǒng)恒加速,轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段,當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定值后,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡,輸入偏差為零。實際仿真結(jié)果基本上反映了這一點。</p><p><b> 總
42、 結(jié)</b></p><p> 本次設(shè)計詳細的介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、參數(shù)選擇和兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計,通過這次的課程設(shè)計,使我對不可逆V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的了解。課本只是固然重要,但一個完整的方案設(shè)計,僅僅課本知識是不夠的,同時也要參考課本知識,本次課設(shè)就使我認(rèn)識到這一點。另一方面,同學(xué)之間的合作和老師的指導(dǎo)也是很重要的,自己一人想的不夠全面、仔細,同時工作量也大,和同學(xué)一起討論
43、會發(fā)現(xiàn)老多錯誤,使自己受益匪淺。但是總體上說,通過這次的設(shè)計,我學(xué)到了許多,也收獲了許多,我設(shè)計的可能還有很多的不足,但是我還是努力的完成了,這次的實訓(xùn)讓我收獲頗豐,在實踐中認(rèn)識知識中的真實的自己,我還有很多理論知識需要學(xué)習(xí),還有很多錢欠缺的地方,我以后會更加努力,展望美好的未來。</p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1]陳伯時.電力拖
44、動自動控制系統(tǒng)第3版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004</p><p> [2]石玉等.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998</p><p> [3]王離九等. 電力拖動自動控制系統(tǒng).[M] 武漢:華中科技大學(xué)出版社,1991</p><p> [4]胡壽松.自動控制原理第4版[M].北京:國防工業(yè)出版社</p>
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