1、課程設計十機架連軋機分部傳動直流調速系統的設計學生姓名： 學 號： 學 院： 電氣信息工程學院 專業班級： 電氣工程及其自動化 專業課程： 自動控制系統 指導教師： 2014 年 12 月 26 日課程設計成績評定標準及成績序號評審項目指 標滿分評分1工作態度遵守紀律，學習認真；作風嚴謹，踏實肯干。 5分2工作量按期圓滿完成規定的任務，難易程度和工作量符合要求。 20分3出勤情況全勤： 得10分10分有遲到、早退、請假現象： 得8分曠課1天： 得5分曠課2天： 得2分曠課超過2天： 得0分4設計、實驗方案能靈活運用相關專業知識，有較強的創新意識，有獨特見解，設計有一定應用價值。30分5實驗技能

2、動手能力強，能獨立完成安裝、調試等實際操作，能解決設計及實驗過程中出現的問題。10分6小組表現注重團隊合作，在小組中表現突出，對設計方案的制定及選取起主要作用，在實驗操作過程中，承擔主要執行者。5分7設計報告質量報告結構嚴謹合理；文理通順，技術用語準確，符合規范；圖表完備、正確，繪圖準確、符合國家標準；。20分合 計評語：等 級：（優秀、良好、中等、及格、不及格）評閱人： 職稱：日 期：年月 日目 錄摘要1緒論21 設計的目的和要求31.1 設計的題目及給定的相關資料31.2 課程設計的目的31.3 設計的要求42 方案的選擇42.1 調速方案的選擇42.1.1 系統控制對象的確定42.1.2

3、 電動機供電方案的選擇52.2 總體結構設計52.2.1 系統結構的選擇52.2.2 系統的工作原理63 主電路設計與參數計算73.1 整流變壓器計算73.1.1 二次電壓計算73.1.2 變壓器一次、二次側電流計算73.1.3 變壓器容量計算83.2 整流器件計算83.2.1 晶閘管的選擇83.2.2 晶閘管的額定電流83.2.3 過電壓保護93.2.4 過電流保護103.3 平波電抗器的計算103.4 觸發電路的選擇124 雙閉環的動態設計和校驗134.1 電流調節器的設計和校驗134.2 轉速調節器的設計和校驗145 系統的MATLAB/SIMULINK仿真165.1 開環系統的建模16

4、5.1.1 開環系統的SIMULINK仿真電路設計165.1.1 開環系統仿真結果的輸出波形175.2 單閉環系統的建模175.2.1 單閉環系統的SIMULINK仿真電路設計175.2.1 單閉環系統仿真結果的輸出波形185.3 雙閉環系統的建模185.3.1 雙閉環SIMULINK仿真電路185.3.2 雙閉環系統仿真結果的輸出波形19總結20參考文獻21附錄A 熔斷器接法原理圖22附錄B 觸發電路原理圖23附錄C 交流側阻容吸收保護電路24十機架連軋機分部傳動直流調速系統的設計摘要本文實現了轉速電流雙閉環直流調速系統的設計，實驗結果可以準確直觀的觀察轉速-電流雙閉環調速系統的啟動過程，可

5、方便的設計各種不同的調節器參數及控制策略并分析其多系統性能的影響，取得了很好的效果。但怎樣處理好轉速控制和電流控制之間的關系呢？經過反復研究和實踐，終于發現，如果在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，兩者之間實行串聯連接，即以轉速調節器的輸出作為電流調節器ACR的輸入，再用電流調節器的輸出作為晶閘管觸發裝置的控制電壓，那么這兩種調節作用就能互相配合，相輔相成了。本文利用MATLAB軟件中的simulink組件對直流雙閉環調速系統進行仿真，結果表明，應用MATLAB進行系統仿真具有方便，高效及可靠性高等優點。關鍵詞雙閉環直流調速系統；晶閘管；直流電動機；MATLAB緒論許多生產機械要求在一

6、定的范圍內進行速度的平滑調節，并且要求具有良好的穩態、動態性能。而直流調速系統調速范圍廣、靜差率小、穩定性好以及具有良好的動態性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統。雙閉環直流調速系統是直流調速控制系統中發展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強等優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環的調速系統可以再保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足

7、要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。在單閉環系統中，只有電流截止至負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度啟動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩的條件下調速系統所能得到的最快的啟動過程。 隨

8、著社會化大生產的不斷發展，電力傳動裝置在現代化工業生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統作一些深入的了解和研究。本次設計的課題是雙閉環晶閘管不可逆直流調速系統，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢測等部分。1 設計的目的和要求1.1 設計的題目及給定的相關資料在冶金工業中，軋制過程是金屬壓力加工的一個主要工藝過程，連軋是一種可以提高勞動生產率和軋制質量的先進方法，連軋機則是冶金行業的大型設備。其主要特點是被扎金屬同時處于若干

9、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。每個機架的上下軋輥共用一臺電機實行集中拖動，不同機架采用不同電機實行部分傳動，各機架軋輥之間的速度實現協調控制。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，由此形成10個部分，各部分電動機參數如下表。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，由此形成10個部分，各部分電動機參數如下表。表1 十機架連軋機各部分電動機參數序號電動機型號(KW)(V)(A)(r/min)()()P極對數1Z2-9267230291145012Z2-9148230209145013Z2-8235230152145014Z2-812623011

10、3145015Z2-7219230145016Z2-711423061145017Z2-6211230145018Z2-6123037145019Z2-5262301450110Z2-5123014501課程設計的目的1、通過課程設計，進一步鞏固、深化和擴充在直流調速及相關課程方面的基礎知識、基本理論和基本技能，達到培養學生獨立思考、分析和解決實際問題的能力。2、通過課程設計，獨立完成一項直流調速系統課題的基本設計工作，達到培養學生綜合應用所學知識和實際查閱相關設計資料能力的目的。3、通過課程設計，使熟悉設計過程，了解設計步驟，掌握設計內容，達到培養我們工程繪圖和編寫設計說明的目的，為我們今后

11、從事相關方面的實際工作打下良好基礎。設計的要求電樞回路總電阻取；總飛輪力矩。其它參數可參考教材中“雙閉環調速系統調節器的工程設計舉例”的有關數據。要求：調速范圍D=10,靜差率；穩態無靜差，電流超調量，空載起動到額定轉速時。要求系統具有過流、過壓、過載和缺相保護。要求觸發脈沖有故障封鎖能力。要求對拖動系統設置給定積分器。2 方案的選擇2.1 調速方案的選擇0.0001之間，其調速范圍可達到1000:1到10000:1。故本系統采用雙閉環調速系統。系統控制對象的確定本次課設調速系統的調速對象為Z2-92直流電機，額定功率Pn=67Kw，額定電壓Un=230V，額定電流In=291A，額定轉速n=

12、1450r/min。電樞回路等效電阻取R=2Ra；總飛輪力矩GD2=2.5 GDa2。，在恒定磁場勵磁電感取0，空載試驗時摩擦系數(Bm)設置為0。電動機供電方案的選擇電動機為直流電動機，而電網電壓為交流電，為了驅動直流電機，需要將電的交流電整流為直流電。在我們已經學習的電力電子技術中整流電路主要有晶閘管相控整流電路，二極管整流電路和PWM整流三種。晶閘管整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著延遲觸發角的增大而增大，位移因數也隨之降低，同時，輸入電流中諧波分量也很大，因此功率因數很低。二極管整流電路雖然位移因數接近1，但輸入電流諧波分量很大，功率因數也很低。電壓型PWM整流電路雖然功率因數

13、較大，但其是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調節，如果向低調節就會使電路性能惡化，以致不能工作。因此，綜上所述，我們選擇晶閘管相控整流電路。晶閘管相控整流電路有單相和三相，半控和全控之分，單相半波電路雖然簡單，但由于電動機和電流總是斷續的，傳動工作性能很差，只適合小功率電動機，如果要求回饋制動，必須采用全控方案。三相全控橋式整流器電路采用共陰極接法的三相半波和共陽極接法的三相半波的串聯組合，由于共陰極組在正半周導電，流經變壓器的是正向電流；共陽極組在負半周導電，流經變壓器的是反向電流，因此變壓器繞組中沒有直流磁通，且每相繞組正負半周都有電流流過，提高了變壓器的利用率

14、，且直流側脈動較小，元件利用率較好，易濾波，故選擇三相全控橋式整流電路可用來給直流電機供電。2.2 總體結構設計系統結構的選擇在系統結構的選擇上一般有單閉環調速和雙閉環調速，雖然采用PI調節器的單個轉速比換直流調速系統（單閉環系統）可以保證在系統穩定的前提下實現轉速無靜差，但是在工業上，為了提高生產效率和加工質量，充分利用晶閘管元件及電動機的過載能力，要求實現理想啟動，單閉環系統難以滿足要求。要求在啟動過程中，是啟動電流一直保持最大允許值，此時電動機以最大轉矩啟動，轉速迅速以直線規律上升，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

15、要求較高，故采用轉速電流雙閉環負反饋調速系統。啟動時，讓轉速外環飽和不起作用，電流內環起主要作用，調節啟動電流一直保持最大允許值，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩態運行時，轉速負反饋外環起主要作用，使轉速隨轉速給定器的變化而變化，電流內環跟隨轉速外環調節電動機的電樞電流以平衡負載電流。雙閉環直流調速系統原理圖如圖1 所示ASRACRMTG*nUnUD*iUnUiUiUDctUGTVTAnIndIL+-+-圖1雙閉環調速系統原理圖系統的工作原理在雙閉環調速系統中，轉速調節器的作用是對轉速的抗擾調節并使之在穩態時無靜差，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電力電子變換器把交流供電電壓整流為供電動機使

16、用的直流電壓，電流調節器ACR的輸出限幅電壓。限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。為了獲得良好的靜、動態性能和電流兩個調節器一般都采用PI調節器，轉速、電流雙閉環系統把主要被調量轉速和輔助被調量電流分開加以控制，并以轉速調節器ASR的輸出電壓 作為電流調節器ACR的電流給定信號，再用電流調節器的輸出電壓Uc作為可控硅觸發裝置的移向控制電壓。這樣就組成了轉速、電流雙閉環調速系統。二者之間實行串級聯接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，到達穩態轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態性能。雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時

17、，轉速負反饋起主調作用，系統表現為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優于單閉環系統。在動態性能方面，雙閉環系統在起動和升速過程中表現出很快的動態跟隨性，在動態抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。3 主電路設計與參數計算3.1 整流變壓器計算二次電壓計算電動機的額定電壓為230V，為保證供電質量，應采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯結。U2是一個重要的參數，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即

18、：式中為電動機的額定電壓，b為電網波動系數，一般取0.900.95；為整流電壓計算系數，(11.2)考慮各種因數的安全系數；根據設計要求，采用此公式。取=230V,得變壓器一次、二次側電流計算由表查得=0.816, 考慮變壓器勵磁電流得：二次相電流I2的計算式中，為二次相電流計算系數，為整流器額定直流電流等于電動機的最大額定電流得=0.816*291=一次相電流I1的計算式中，電壓比K=U1/U2=380/121.29=3.13,=291A得=0.816*291/3.13=變壓器容量計算； ； 式中-一次側與二次側繞組的相數；由表查得=3×121.29×273.456=99

19、.5 KVA =1/2（86.412+99.5）=92.96KVA 3.2 整流器件計算晶閘管的選擇晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得=2.45，則晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值 ，即> 或 >=K考慮（1.52）倍的裕量式中K=）-電流計算系數。此外，還需注意以下幾點：當周圍環境溫度超過+40時，應降低元件的額定電流值。當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。關鍵、重大設備，電流

20、裕量可適當選大些。由表查得 K=0.368，考慮(1.52)倍的裕量取=。經查表可知：晶閘管的型號為KP(4CT)320。過電壓保護以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。 交流側過電壓保護1）阻容保護 即在變壓器二次側并聯電阻R和電容C進行保護。本系統采用D-Y連接。S=92.96KVA, 取值：當 S=50100KVA時，對應的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×92.96×1032耐壓1.5Um =1.5×121.29×選取150µF,耐壓300V的鋁電解電容器。 選取: S

21、=92.96KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S 2/92.96×103IC=2fCUC×10-6=2×50×150×121.29×10-6=5.715 APR(3-4)IC22×2=（195262）W，200W的金屬膜電阻。2）壓敏電阻的計算=1.3×流通量取5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10）作交流側浪涌過電壓保護。 直流側過電壓保護直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統的快速性，并且會造成加

22、大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2) ×230=414460V選MY31-440/5型壓敏電阻(允許偏差+10)作直流側過壓保護。 閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 查下表：表2阻容保護的數值一般根據經驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F12電阻/1008040201052抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5µF，R=10，=1.5××120=441V介質電容器, 耐壓

23、為450V。=選R為40普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。過電流保護本系統采用電流截止反饋環節作限流保護外，還沒有與元件串聯的快速熔斷器作過載與短路保護，用過電流繼電器切斷故障電流。 快速熔斷器的選擇 接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值IT=Id/1.732=/1.732=,故選用RLS-50的熔斷器，熔體電流為50A。 過電流繼電器的選擇 根據負載電流為，可選用吸引線圈電流為100A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整流電流可取。3.3 平波電抗器的計算為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數有流過電抗

24、器的電流一般是已知的，因此電抗器參數計算主要是電感量的計算。 算出電流連續的臨界電感量可用下式計算，單位mH。式中為與整流電路形式有關的系數，可由表查得；為最小負載電流，常取電動機額定電流的510計算。根據本電路形式查得=0.05×291A= 限制輸出電流脈動的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下

25、式計算式中系數，與整流電路形式有關，電流最大允許脈動系數，通常三相電路（510）。根據本電路形式查得=1.045, 所以 電動機電感量和變壓器漏電感量電動機電感量（單位為mH）可按下式計算式中 、n直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入；p電動機的磁極對數；計算系數。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。本設計中取=8、=230V、=291A、n=1450r/min、p=1=變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計算式中計算系數，查表可得變壓器的短路比，取3。本設計中取=3.2、=3所以 =3.2×3×121.29/（100×29

26、1）=0.91mH 實際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續時的實際電感量：mH 電樞回路總電感:3.4 觸發電路的選擇選用集成六脈沖觸發器電路模塊，其電路如電氣原理總圖所示。 從產品目錄中查得晶閘管的觸發電流為250mA,觸發電壓。由已知條件可以計算出 ，V=11.22V。因為=5.75V，3V，所以觸發變壓器的匝數比為，取3:1。設觸發電路的觸發電流為250mA，則脈沖變壓器的一次側電流只需大于250/3=83.3mA即可。這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數。觸發電路需要三個互差120°，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設計一個三相同步變壓器。這

27、里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯成DY型。同步電壓一次側直接與電網連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。4 雙閉環的動態設計和校驗電流調節器的設計和校驗 確定時間常數，已知s，s，所以電流環小時間常數 選擇電流調節器的結構，因為電流超調量，并保證穩態電流無靜差，可按典型型系統設計電流調節器電流環控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調節器電流調機器的比例系數電流調節器的超前時間系數 電流調節器參數計算，電流調節器超前時間常數=0.0133s，又因為設計要求電流超調量，查得有=0.5，所以=電樞回路總電阻R=2所以ACR的比例系數 = 校驗近似條件電流環截止頻率=。

28、晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： > ，滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環動態影響條件：，滿足條件。電流環小時間常數近似處理條件：，滿足條件。計算調節器的電阻和電容，取運算放大器的=40k，有，取70，故=，其結構圖2如下所示：圖2電流調節器4.2 轉速調節器的設計和校驗 確定時間常數：有則，已知轉速環濾波時間常數=0.01s，故轉速環小時間常數 選擇轉速調節器結構：按設計要求，選用PI調節器 轉速調節器的比例系數轉速調節器的超前時間常數 計算轉速調節器參數：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則ASR的超前時間常數為：轉速環開環增益為：ASR的比例系數為： 檢驗近似條件轉速環截止頻

29、率為：電流環傳遞函數簡化條件為：，滿足條件。轉速環小時間常數近似處理條件為：，滿足近似條件。 計算調節器電阻和電容：取=40，則，取1100。，取1。故其結構3圖如下： 圖3轉速調節器校核轉速超調量：由h=4，查得，不滿足設計要求，應使ASR 退飽和重計算。設理想空載z=0，h=5時，查得=81.2%，=，滿足設計要求。5 系統的MATLAB/SIMULINK仿真5.1 開環系統的建模開環系統的SIMULINK仿真電路設計開環系統的SIMULINK仿真電路如圖4所示圖4開環物理模型開環系統仿真結果的輸出波形當建模和參數設置完成后，即可開始進行仿真。圖5開環直流調速系統的仿真結果。圖5開環直流調速系統的仿真結果5.2 單閉環系統的建模單閉環系統的SIMULINK仿真電路設計開環系統的SIMULINK仿真電路如圖6所示圖6單閉環物理模型單閉環系統仿真結果的輸出波形當建模和參數設置完成后，即可開始進行仿真。圖7單閉環直流調速系統的仿真結果。圖7單閉環直流調速系統的仿真結果5.3 雙閉環系統的建模雙閉環SIMULINK仿真電路雙閉環SIMULINK仿真電路如圖8所示圖8雙閉環物理模型雙閉環系統仿真結果的輸出波形當建模和參數設置完成后，即可開始進行仿真。圖9是雙閉環直流調速系統的仿真結果。圖9雙閉環直流調速系統的仿真結果穩定后電流大小如圖1