十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

运动控制系统课程设计说明书设计题目：十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计学生姓名：学号：专业班级：指导教师：梁秀满2014年12月12日2课程设计任务书1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，连轧是一种可以提高劳动生产力率和轧制质量的先进方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。其主要特点是被扎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。每个机架的上下轧辊共用一台电机实行集中拖动，不同机架采用不同电机实行部分传动，各机架轧辊之间的速度实现协调控制。本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成10个部分，各部分电动机参数如下表。机架序号电动机型号NP(KW)NU(V)NI(A)Nn(r/min)aR(Ω)2aGD(2mN)P极对数1Z2-926723029114500.268.612Z2-914823020914500.358.0213Z2-823523015214500.431.3614Z2-812623011314500.527.4415Z2-721923082.5514500.711.7616Z2-71142306114500.89.817Z2-621123047.814500.96.3918Z2-618.52303714501.05.4919Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.4312技术数据（1）电枢回路总电阻取aRR2；总飞轮力矩225.2aGDGD(2)其它参数可参考教材中“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%5s；稳态无静差，电流超调量%5i，空载起动到额定转速时%10n。33设计的内容（1）调速的方案选择1）直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）2）电动机供电方案的选择3）系统的结构选择4）确定直流调速系统的总体结构框图。（2）主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路计算的章节）1）整流变压器计算。二次侧电压计算；一二次电流的计算；容量的计算。2）晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。3）晶闸管保护环节的计算。①交流侧过电压保护；②阻容保护、压敏电阻保护计算；③直流侧过电压保护；④晶闸管及整流二极管两端的过电压保护⑤过电流保护，交流侧快速熔断器的选择；与元件串联的快速熔断的选择；直流侧快速熔断器的选择4）平波电抗器计算（3）触发电路的选择（4）控制电路设计计算主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、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计算（5）双闭环直流调速系统的动态设计,主要设计转速调节器和电流调节器。4设计提交的成果材料（1）设计说明书一份，与任务书一并装订成册。（2）直流调速系统电气原理总图一份。4目录1调速的方案选择1.1直流电动机的选择1.2电动机供电方案的选择1.3系统的结构选择1.4确定直流调速系统的总体结构框图。2主电路的计算2.1整流变压器计算。2.2晶闸管元件的选择。2.3晶闸管保护环节的计算。2.3.1交流侧过电压保护；2.3.2阻容保护、压敏电阻保护计算；2.3.3直流侧过电压保护；2.3.4晶闸管及整流二极管两端的过电压保护2.3.5过电流保护2.4平波电抗器计算3触发电路的选择与校验4控制电路设计计算4.1给定电源和给定环节的设计计算4.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算4.3调速系统的静态参数计算5双闭环直流调速系统的动态设计5.1电流调节器的设计5.2转速调节器的设计5前言直流电动机具有良好的起动。制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速计数发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和时间上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。此次设计的题目是不可逆V-M双闭环直流调速系统的设计。转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细地设计。概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。6第1章调速技术部分1.1设计要求﹙1﹚性能指标要求：调速范围D=10,静差率%5s；稳态无静差，电流超调量%5i，空载起动到额定转速时%10n。﹙2﹚给定电机及系统参数：NP(KW)NU(V)NI(A)Nn(r/min)aR(Ω)2aGD(2mN)P极对数2623011314500.527.441电枢回路总电阻取aRR2=1总飞轮力矩225.2aGDGD=68.61.2调速的方案选择1.2.1直流电动机的选择根据设计要求，此次课程设计采用Z2-81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7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双闭环直流调速系统动态结构图如下所示：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)(SWASR)(SWACR1STKSS1/1STRtSTRMeC1αβ*nU*iUctU——doU——dLIdIn_nU_8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dNI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。第2章主电路的计算2.1整流变压器的计算2.1.1整流变压器二次侧电压计算由于整流输出电压du的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压:cos34.22UUd（60）显然dUVUN230，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压:2/334.22302U=113.5V(通常取导通角为30)取2U=120V变压比17.312038021UUK92.1.2一次、二次侧相电流I1、I2的计算：输出电流的平均值：AAIIINdmd51.11661*2*955.0955.0955.0（2-4）查表得KI1=0.816，KI2=0.816原边输出有效电流:AKIKIdI49.3117.351.116*816.0*05.105.111副边输出有效电流:AIKIdI07.9551.116*816.022选取AI321AI9622.1.3变压器容量S的计算：变压器一次、二次绕组相数m1=m2=3一次容量：VAVAIUmS3648032*380*31111二次容量：VAVAIUmS3456096*120*32222平均电容：VASSS3552023456036480221考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为50KVA。2.2晶闸管元件的选择2.2.1晶闸管的额定电压计算：通常取晶闸管的断态重复峰值电压DRMU和反向重复峰值电压RRMU中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍。本设计中峰值电压26UUTM294V,故晶闸管电压定额VUUTMTN)882588(294*)32()32(,取其电压定额TNU=750V。2.2.2晶闸管的额定电流计算晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流TI来标称，规定为晶闸管在环境为C40和规定10的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算：()fbdm=1.5~2KITAVI式中计算系数fbK=fK/1.57bK由整流电路型式而定，fK为波形系数，bK为共阴极或共阳极电路的支路数。当0时，三相全控桥电路fbK=0.368,故晶闸管额定电流:AAIKIdmfbAVT)792.89344.67()61*2(*368.0*)25.1()25.1()(取其电流定额为75A。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。2.3.1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所示的接法电容值C=6Iem22US电阻值RC=5U21/I21式中S----变压器容量（KVA）；11U2-----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=5U2/I2=5*120/92.208=6.507ΩB.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=1.32U=1.3*2*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=2DCU=2*2.34U2=2*2.3