課程設計--十機架連軋機分部傳動直流調速系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　實訓報告</b></p><p>　　題 目 十機架連軋機分部傳動直流調速系統(tǒng)的設計</p><p>　　學生姓名 </p><p><b>　　專業(yè)班級 </b></p><p>　　學 號 </p>

2、<p>　　系 （部） 電氣信息工程學院 </p><p>　　指導教師(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)率和軋制質量的先進方法，連軋機制則是冶金行業(yè)的大型設備。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)調控制。</p><p>　　本課題的十機架連軋機的每個機架對應一套直流調速系統(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定的要求運行。電氣傳動系統(tǒng)是將電能轉換為機械能的裝置，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，單個設備的功率可從

5、幾毫瓦到幾百兆瓦；調速范圍極寬，轉速從每分鐘幾轉到每分鐘幾十萬轉，在無變速機構的情況下調速范圍可達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，宜于在大范圍內平滑調速，而直流調速系統(tǒng)又分為開環(huán)調速、單閉環(huán)調速和雙閉環(huán)調速等調速方式。其中開環(huán)調速的靜差率不高，且只能實現(xiàn)一定范圍內的無極調速；而在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中只有電流截止負反饋環(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)調速系統(tǒng)。</p><p><b>　　1 系統(tǒng)方案的選擇</b></p><p>　　1.1調速方案的選擇</p><p>　　調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)的結構選擇、確定直流調速系統(tǒng)的總體結構原理框圖

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主電路結構的選擇</p><p>　　工

9、業(yè)上，為了提高生產(chǎn)效率和加工質量，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，電動機以最帶轉矩啟動，轉速迅速以直線規(guī)律上升，以縮短啟動時間；啟動結束后，電流從最大值迅速下降為負載電流值且保持不變，轉速維持給定轉速不變，又因調速精度要求較高，故采用轉速電流雙閉環(huán)負反饋調速系統(tǒng)。啟動時，讓轉速外環(huán)飽和不起作用，電流內環(huán)起主要作用，調節(jié)啟動電流一直保持最大允許值，使轉速線性變

10、化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉速負反饋外環(huán)其主要作用，使轉速隨轉速給定器的變化而變化，電流內環(huán)跟隨轉速外環(huán)調節(jié)電動機的電樞電流以平衡負載電流。</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的額定電流。</p><p>　　整流變壓器的參數(shù)計算應考慮的因素：</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導通壓降。</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、；當整流器用于電樞供電時，一般??；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>　　②用于保證輸出電流連續(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>　　③直流電動機的

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蝹鹊拿肯嗦╇姼?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>　?、輰嶋H應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>　　⑥ 電樞回路總電感</b></p><p><b>　　2.3電阻的計算</b&g

23、t;</p><p>　?、匐妱訖C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)品手冊中查得或實測。</p><p>　　2.4電流環(huán)的設計和校驗</p><p>　　2.4.1電流環(huán)的設計</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)設計成何種典型系統(tǒng)。根據(jù)設計要求：，</p><p><b>　　而且</b></p><p>　　因此，電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)設計。</p><p>　　電流調節(jié)器的結構和參數(shù)選擇。ACR選用PI調

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轉速環(huán)的設計和校驗</p><p>　　2.5.1轉速環(huán)的設計</p><p>　　1）電

29、流環(huán)等效時間常數(shù)為 2=0.0074s，轉速濾波時間常數(shù)=0.01s</p><p>　　2)確定將轉速環(huán)設計成何種典型系統(tǒng)。由于設計要求轉速環(huán)無靜差，ASR必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設計要求：應按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。</p><p>　　3)ASR的結構和參數(shù)選擇。ASR選用PI調節(jié)器 ,其傳遞函數(shù)為 </p><p>　　轉速調節(jié)器的比例系數(shù)<

30、/p><p>　　轉速調節(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>　　轉速環(huán)開環(huán)增益 </b></p><p><b>　　電流反饋系數(shù)：</b></p><p><b>　　轉速

31、反饋系數(shù)：</b></p><p>　　ASR的比例系數(shù)為：</p><p>　　2.5.2轉速環(huán)的校驗</p><p><b>　　1)檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉速環(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)設計的要求搭建物理模型，以下是本設計所需要的模型

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設為0，Stop time設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)仿真調試設定限幅值為【170 -180】,給定信號為105rad/s 轉速環(huán)ASR的參數(shù)設定為：，，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)直流調速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　3.2系統(tǒng)的數(shù)學模型</p><p>　　開環(huán)的數(shù)學模型如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 開環(huán)數(shù)學模型</p><p>　　單閉環(huán)數(shù)學模型如圖

37、3-5所示：</p><p>　　圖3-5 單閉環(huán)數(shù)學模型</p><p>　　雙閉環(huán)數(shù)學模型如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 雙閉環(huán)數(shù)學模型</p><p>　　3.2 系統(tǒng)仿真的輸出及結果分析</p><p>　　3.2.1物理模型的仿真結果</p><p>　　開環(huán)的仿真結

38、果如圖3-7所示：</p><p>　　圖3-7開環(huán)仿真結果</p><p>　　單閉環(huán)的仿真結果如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 單閉環(huán)的仿真結果</p><p>　　雙閉環(huán)仿真結果：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)的仿真結果如圖3-9所示：</p><p&

39、gt;　　圖3-9 雙閉環(huán)仿真結果</p><p>　　3.2.2數(shù)學模型的仿真結果</p><p>　　開環(huán)、單閉環(huán)和雙環(huán)的數(shù)學模型仿真結果如圖3-10、3-11和3-12所示：</p><p>　　圖3-10單環(huán)的數(shù)學模型仿真結果</p><p>　　圖3-11單閉環(huán)的數(shù)學模型仿真結果</p><p>　　圖3-1

40、2 雙閉環(huán)的數(shù)學模型仿真結果</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，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉速線形增長。第三階段，當轉速達到給定值后，轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。實際仿真結果基本上反映了這一點。</p><p><b>　　總

42、 結</b></p><p>　　本次設計詳細的介紹了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理、參數(shù)選擇和兩個調節(jié)器的設計，通過這次的課程設計，使我對不可逆V-M雙閉環(huán)直流調速系統(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，本次課設就使我認識到這一點。另一方面，同學之間的合作和老師的指導也是很重要的，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，通過這次的設計，我學到了許多，也收獲了許多，我設計的可能還有很多的不足，但是我還是努力的完成了，這次的實訓讓我收獲頗豐，在實踐中認識知識中的真實的自己，我還有很多理論知識需要學習，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.電力電子技術題例與電路設計指[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>