十機架連軋機分部傳動直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計-哈爾濱理工大學(xué)

1、哈爾濱理工大學(xué)課程設(shè)計報告書 題 目： 十機架連軋機分部傳動直流 調(diào)速系統(tǒng) 系（院）： 自動化學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 第一章 調(diào)速技術(shù)部分1.1 設(shè)計要求(1)電樞回路總電阻取R=2Ra; 總分輪力矩GD2=2.5GD2=2.5*31.36 NM2，極對數(shù)P=1。（2）其它未盡參數(shù)可參閱教材中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計舉例”的有關(guān)數(shù)據(jù)。（3）要求：調(diào)速范圍D=10,靜差率S=5%,穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量I%=5%,電流脈動系數(shù)SI=10%;啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量N=6Iem(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf式中S-變壓器容

2、量（KVA）； U2-變壓器二次相電壓有效值（V）；Iem-變壓器勵磁電流百分?jǐn)?shù)，對于10100KVA的變壓器，一般為10%4%；電阻值 RC=5U21/I21=5*120/170.544=3.518B.非線性電阻保護方式非線性電阻保護方式主要硒堆和壓敏電阻的過電壓保護。壓敏電阻的標(biāo)稱電壓U1Ma=1.3U=1.3*120=220.6V式中 U-壓敏電阻兩端正常工作電壓有效值（V）。C.直流側(cè)過電壓保護 直流側(cè)過電壓保護可以用阻容或壓敏電阻保護，但采用阻容保護容易影響系統(tǒng)的快速性，并造成di/dt加大，一般只用壓敏電阻作過壓保護。壓敏電阻的標(biāo)稱電壓U1Ma=2=2*2.34U2=2*2.34*

3、120=561.6V(2)晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 為了抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓，通常采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路的方法，阻容保護元件參數(shù)可以根據(jù)查經(jīng)驗數(shù)據(jù)表得到。晶閘管額定電流102050100200500100電容（uf）0.10.150.20.250.511電阻（）1008040201052表1.1 阻容保護的原件參數(shù)(3)過電流保護 快速熔斷器是最簡單有效的過電流保護器件，與普通熔斷器相比，具有快速熔斷的特性，在發(fā)生短路后，熔斷時間小于20毫秒，能保證在晶閘管損壞之前自身熔斷，避免過電流損壞晶閘管，圖1.3接法對過電流保護最有效。 圖1.3 快速熔斷器的安裝方法(4) 電壓

4、和電流上升率的限制 不同規(guī)格的晶閘管對最大的電壓上升率及電流上升率有相應(yīng)的規(guī)定，當(dāng)超過其規(guī)定的值時，會使晶閘管誤導(dǎo)通。限制電壓及電流變化率的方法有 A交流進線電抗器限制措施，交流進線電抗器LB的計算公式為 LB=8.96H式中 交流器輸出額定電流IdN，電源頻率f,變壓器二次相電壓U2B在橋臂上串聯(lián)空心電感，電感值取2030H為宜。C在功率較大或頻率較高的逆變電路中，接入橋臂電感后，會使換流時間增長，影響正常工作，而經(jīng)常采用將幾只鐵氧磁環(huán)套在橋臂導(dǎo)線上，使橋臂電感在小電流時磁環(huán)不飽和，電感量大，達到限制電壓上升率和電流上升率的目的，還可以縮短晶閘管的關(guān)斷時間。1.3.4 平波電抗器的計算晶閘管

5、整流器的輸出直流電壓是脈動的，為了限制整流電流的脈動、保持電流連續(xù)，常在整流器的直流輸出側(cè)接入帶有氣隙的電抗器，稱作平波電抗器。（1） 電動機電樞電感*1000=8*220*1000/(2*2*1450*209)=2.9mH對于快速無補償電動機取8，磁極對數(shù)p=2。（2） 變壓器電感為*1000=3.9*0.05*120/209=0.12mH式中=0.05。（3） 平波電抗器的選擇。維持電流連續(xù)時的為=0.639*120/(0.05*209)-(2*0.12+2.9)=7.33-3.14=4.19(mH)式中，。限制電流的脈動系數(shù)=5%時，值為=1.045*120/(0.05*291)-3.1

6、4=8.62-3.14=5.48（mH）取兩者中較大的，故選用平波電抗器的電感為5.48mH時，電流連續(xù)和脈動要求能同時滿足。1.4 觸發(fā)電路的選擇與校驗觸發(fā)電路可選擇鋸齒波同步觸發(fā)電路，也可選擇KC系列集成觸發(fā)電路。此系統(tǒng)選擇集成觸發(fā)電路，其優(yōu)點是體積小，功耗低，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠。其缺點是移相范圍小于180，為保證觸發(fā)脈沖對稱度，要求交流電網(wǎng)波形畸變率小于5%。適用范圍：廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。 選用集成電路MC787組成的三相觸發(fā)電路，如圖2-5所示。該集成塊由同步過零、鋸齒波形成電路、比較電路、抗干擾鎖定電路、調(diào)制脈沖發(fā)生器、脈沖形成電路、脈沖分配及驅(qū)動電路組成。 圖1.4 M

7、C787組成的三相觸發(fā)電路原理接線圖圖1.4的三相觸發(fā)電路原理接線圖，可作為觸發(fā)三相全控橋或三相交流調(diào)壓晶閘管電路。其中三相電壓的零線和電源共地，同步電壓經(jīng)RC組成的T形網(wǎng)絡(luò)濾波分壓，并產(chǎn)生30相移，經(jīng)電容耦合電路取得同步信號，電路輸出端采用等值電阻進行1/2分壓，以保證對稱。輸出端由大功率管驅(qū)動，可配接脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管。1.5 控制電路的計算1.5.1 給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計根據(jù)電路要求，選用穩(wěn)壓管、晶閘管、集成穩(wěn)壓管等組成，本設(shè)計采用集成穩(wěn)壓管的可調(diào)輸出電路。由于放大器輸出電壓和輸出電壓極性相反，而觸發(fā)器的移相控制電壓VC又為正電壓，故給定電壓UG就為負電壓，而一切反饋均取正值，為此

8、給定電壓與觸發(fā)器共用一個15V的電源，用一個2.2K,1W電位器引出給定電壓。1.5.2 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計與計算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)設(shè)計（1）測速發(fā)電機的選擇 有電機參數(shù)可知選用的直流測速發(fā)電機的參數(shù)有:額定電壓ETG=40V,nTG=2000r/min 負載電阻RTG=2K的電位器。由于主電動機的額定轉(zhuǎn)速為1450r/min ,因此，測速發(fā)電機發(fā)出最高電壓為29V，給定電源15V,只要適當(dāng)取反饋系數(shù)，即可滿足系統(tǒng)要求。（2）轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié) 設(shè)轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)：Ton=0.01s,則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Un*/nN=15/1450=0.01Vmin/r（3）電流負反饋環(huán)節(jié) 設(shè)電流

9、反饋濾波時間常數(shù)：Toi=0.02s,則電流反饋系數(shù) =0.05V/A(4)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù) 電動機電動勢常數(shù) ： Ce=0.115按要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降：nN=7.63r/min1.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計(1)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1）確定時間常數(shù) 在三相橋式全控電路有：已知，所以電流環(huán)小時間常數(shù)=0.0017+0.002=0.0037S。2）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因為電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器 。 電流調(diào)機器的比例系數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的超前時間系數(shù) 3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算： 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)=0.

10、03s，又因為設(shè)計要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以=，電樞回路總電阻R=2=0.6，所以ACR的比例系數(shù) =4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： ，滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足條件。5） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的=40，有=4.3240=511.68，取172.8,取180，取0.,2，取0.2。故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖1.5 電流調(diào)節(jié)器 (2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1） 確定時間常數(shù)：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

11、結(jié)構(gòu)：按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。4）檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取3000。，取0.1，取1。故。其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖1.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計要求，應(yīng)使ASR 退飽和，重計算。設(shè)理想空載z=0，h=4時，查得=77.5%，所以 =0.00264 =0.264% 1

12、0%滿足設(shè)計要求.1.7 系統(tǒng)的計算機仿真1.7.1開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真從原理結(jié)構(gòu)圖可知，該系統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機部分等組成。下圖是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法作的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。A.系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。1 主電路的建模和參數(shù)的設(shè)置 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流的電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機部分等組成。由于同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個環(huán)節(jié)通常作為一個組合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進行建模。（1）三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置為了得到三

13、相對稱交流電壓源，其參數(shù)設(shè)置方法及參數(shù)設(shè)置如下。雙擊A相交流電壓源圖標(biāo)，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對話框，A相交流電壓源參數(shù)設(shè)置如下，幅值取220V、初相位設(shè)置為0、頻率為50Hz、其他為默認(rèn)值；B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法同A相相同。初相位設(shè)置為互差120外，其他參數(shù)同A.由此可得到三相對稱交流電源，本模型的相序是A-C-B.（2）晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)置采用三相整流橋，橋臂取3，；一般情況下，晶閘管的參數(shù)取默認(rèn)值，仿真理想就為默認(rèn)值，不理想再優(yōu)化參數(shù)。(3)平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置平波電抗器的類型直接選擇為電感就可以了，其電感值可通過仿真進行優(yōu)化。(4)直流電動機的建模和參數(shù)設(shè)置雙擊直流電動

14、機的圖標(biāo)，打開電動機的參數(shù)設(shè)置對話框，對其參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流、激磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩均按計算的實際值設(shè)置。(5)脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置通常，工程上將觸發(fā)器和晶閘管整流橋作為一個整體來研究，同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。同步脈沖觸發(fā)器如下圖所示。2.控制電路的建模與仿真開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)只有一個給定環(huán)節(jié)，雙擊給定環(huán)節(jié)模塊，打開參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置參數(shù)。（二）開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果輸出及結(jié)果分析。圖1.7 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型1.7.2 單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真從原理結(jié)構(gòu)圖可知，該系統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機、速

15、度反饋環(huán)節(jié)部分等組成。下圖是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法作的單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。（一）系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。1.主電路的建模和參數(shù)的設(shè)置主電路與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，只是平波電抗器的電感值設(shè)置不同，具體不再敘述。2.控制電路的建模與仿真單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機、速度反饋環(huán)節(jié)部分等組成。另增加了限幅器、偏置、反向器等模塊。給定信號模塊的建模和參數(shù)的設(shè)置方法與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同。速度調(diào)節(jié)器、限幅器、偏置、反向器等模塊的建模和參數(shù)的設(shè)置方法很簡單，找到相應(yīng)的模塊，進行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置即可。（二）單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果輸出及結(jié)果分析。圖1.8單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型1.7.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與開環(huán)、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型一樣，主電路由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機、速度反饋環(huán)節(jié)部分等組成。差別在控制電路上。（一）系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩