十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计毕业设计

电气工程及其自动化课程设计 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 专业班级 1203 学 号 201202153648 系 部 电气工程及其自动化 指导教师 完成时间 2014年3 月9 日 目 录交直流调速系统的设计摘要1绪论21 方案选择部分31.1 设计要求31.2 调速的方案选择31.2.1 直流电动机的选择31.2.2 电动机供电方案的选择31.2.3 系统的结构选择31.2.4 直流调速系统的总体结构框图41.3 主电路的计算41.3.1 整流变压器的计算41.3.2 晶闸管元件的选择51.3.3 晶闸管保护环节的计算61.3.4 平波电抗器的计算81.4 触发电路的选择与校验91.5 控制电路的计算101.5.1 给定电源和给定环节的设计101.5.2 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设计101.6 双闭环直流调速系统的动态设计111.6.1电流调节器的设计111.6.2 转速调节器的设计122 MATLAB仿真142.1 系统的建模与参数设置142.1.1 开环物理模型的构建142.1.2 单闭环物理模型的构建152.1.3 双闭环物理模型的构建152.2系统动态仿真结果的输出及结果分析162.2.1 开环数学模型162.2.2 单闭环数学模型及其仿真结果162.2.3 双闭环数学模型及其仿真结果172.3系统仿真结果总体分析182.3.1电机转速曲线182.3.2电机电流曲线18参考文献20交直流调速系统的设计摘要 直流调速系统具有调速范围广精度高动态性能好和易于控制等优点，因此本设计运用电力拖动控制系统的理论知识设计出可行的直流调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用SIMULINK对系统进行各种参数的给定下的仿真。通过建模、仿真验证理论分析的正确性。也可以制作硬件电路。同时通过本次课程设计能够加强我们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高我们的工程设计与动手能力的目的。各个仿真结果都基本上符合设计要求。关键词：直流电机、双闭环调速系统、MATLAB/SIMULINK仿真绪论在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。1 方案选择部分1.1 设计要求(1） 电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GDa2=2.5*58.02NM2，极对数P=1。(2） 其它未尽参数可参阅教材第二章2.3.2节中“工程设计方法在双闭环直流调速系统中的应用”的有关数据。(3） 要求：调速范围D=10,静差率S=5%,稳态无静差，电流超调量I%=5%,电流脉动系数SI=10%;启动到额定转速时的转速退饱和超调量N=6Iem(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf式中S-变压器容量（KVA）； U2-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10100KVA的变压器，一般为10%4%；电阻值 RC=5U21/I21=5*120/170.544=3.518B.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=1.3U=1.3*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=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V1.3.3.2晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，阻容保护元件参数可以根据查经验数据表得到。晶闸管额定电流102050100200500100电容（uf）0.10.150.20.250.511电阻（）1008040201052表1.1 阻容保护的原件参数1.3.3.3过电流保护 快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在晶闸管损坏之前自身熔断，避免过电流损坏晶闸管，图1.3接法对过电流保护最有效。 图1.3 快速熔断器的安装方法1.3.3.4电压和电流上升率的限制 不同规格的晶闸管对最大的电压上升率及电流上升率有相应的规定，当超过其规定的值时，会使晶闸管误导通。限制电压及电流变化率的方法有 A交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器LB的计算公式为 LB=8.96H式中 交流器输出额定电流IdN，电源频率f,变压器二次相电压U2B在桥臂上串联空心电感，电感值取2030H为宜。C在功率较大或频率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间增长，影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁环套在桥臂导线上，使桥臂电感在小电流时磁环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目的，还可以缩短晶闸管的关断时间。1.3.4 平波电抗器的计算晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。1.3.4.1电动机电枢电感*1000=8*230*1000/(2*1*1450*209)=3.04mH对于快速无补偿电动机取8，磁极对数p=2。1.3.4.2变压器电感为=3.9*0.05*120/209=0.12mH式中=0.05。1.3.4.3平波电抗器的选择维持电流连续时的为=0.693*120/(0.05*209)-(2*0.12+3.04) =4.68(mH)式中，。限制电流的脉动系数=5%时，值为=1.045*120/(0.05*209)-3.14=3.14=8.72（mH）取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为8.72mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。1.4 触发电路的选择与校验触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择KC系列集成触发电路。此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。其缺点是移相范围小于180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。 选用集成电路MC787组成的三相触发电路，如图2-5所示。该集成块由同步过零、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲分配及驱动电路组成。 图1.4 MC787组成的三相触发电路原理接线图图1.4的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的T形网络滤波分压，并产生30相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用等值电阻进行1/2分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。1.5 控制电路的计算1.5.1 给定电源和给定环节的设计根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成稳压管的可调输出电路。由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压VC又为正电压，故给定电压UG就为负电压，而一切反馈均取正值，为此给定电压与触发器共用一个10V的电源，用一个2.2K,1W电位器引出给定电压。1.5.2 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设计1.5.2.1测速发电机的选择 有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有:额定电压ETG=40V,nTG=2000r/min 负载电阻RTG=2K的电位器。由于主电动机的额定转速为1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为29V，给定电源10V,只要适当取反馈系数，即可满足系统要求。1.5.2.2转速负反馈环节 设转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s,则转速反馈系数=Un*/nN=10/1450=0.007Vmin/r1.5.2.3电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈系数 =0.0032V/A1.5.2.4调速系统的静态参数 电动机电动势常数 ： Ce=0.12按要求调速系统的静态速降：nN=7.63r/min1.6 双闭环直流调速系统的动态设计1.6.1电流调节器的设计1.6.1.1确定时间常数 在三相桥式全控电路有：已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。1.6.1.2选择电流调节器的结构因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器 。 电流调机器的比例系数 电流调节器的超前时间系数 1.6.1.3电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，电枢回路总电阻R=2=0.6，所以ACR的比例系数 =1.6.1.4校验近似条件电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。1.6.1.5 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=4.3240=511.68，取172.8,取180，取0.,2，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图1.5 电流调节器 1.6.2 转速调节器的设计 1.6.2.1 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。1.6.2.2选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数1.6.2.3计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。1.6.2.4检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。1.6.2.5计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3000。，取0.1，取1。故。其结构图如下： 图1.6 转速调节器校核转速超调量：由h=5，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算。设理想空载z=0，h=5时，查得=77.5%，所以 =0.00264 =0.264% 10%满足设计要求.2 MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的SIMULINK工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。2.1 系统的建模与参数设置2.1.1 开环物理模型的构建表2-1 Z2-91型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-914823020914500.358.021根据Z2-91型电动机具体参数电动机的额定电流为209A，仿真结果基本符合要求。给定10V仿真结果也符合要求。此为开环物理模型。图2-1开环物理模型2.1.2 单闭环物理模型的构建 图2-2为转速单闭环物理模型及其仿真结果。给定105，限幅值80，0，采用PI控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。这样，电动机转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。图2-2单闭环物理模型2.1.3 双闭环物理模型的构建为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图4-3所示。给定为105，ASR、ACR的限幅值分别为12，-25和80,0，启动时间0.4s,仿真结果符合要求。 图2-3 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型2.2系统动态仿真结果的输出及结果分析2.2.1 开环数学模型图2-4开环数学模型2.2.2 单闭环数学模型及其仿真结果图2-5转速单闭环数学模型 当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节，使转速保持恒定即额定转1450。单闭环ASR Kp=53.6 Ki=616.1 限幅值【0 1】【-20 20】。2.2.3 双闭环数学模型及其仿真结果 图2-6双闭环数学模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，给定10V，ASR的限幅值为15，-10，ACR的限幅值为20，-10。因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为10。启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节，使转速保持恒定即额定转1450 NN(r/min)，实际仿真结果基本上反映了这一点。2.3系统仿真结果总体分析2.3.1电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。2.3.2电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动出现以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。3 心得及总结现代工业生产中,各种生产工艺的实现大多采用电动机拖动生产机械来完成。随着生产工艺要求的提高,对生产机械和拖动的电动机也提出更高的要求:有的要求电动机能迅速起动、控制和反转；有的要求多台电动机之间的转速按一定的比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机起、制动、平稳,并能准确地停止在给定的位置。在这两个星期的课程设计中,我认识到了电力拖动自动控制系统这门课的很多基础知识以及MATLAB软件的应用。在设计过程中遇到了很多自己不理解的问题,感谢在此过程中给与我帮助的指导老师。在此过程中,我懂得了,不管遇到什么问题,首先要做的就是冷静,在此基础上细心认真地检查,还要多问。相信付出总会有收获的,一定要有自己独立的见解和思路。参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，20022邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社 20033章燕申,袁曾任.控制系统的设计与实践.清华大学出版社,1992.34王兆安,黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，20025张柳芳,王彦辉.速度和电流双闭环直流调速系统的设计.新探平顶山师专,2000.56周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社,2003.7王果,朱大鹏.直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真.兰州交通大学,2000.58徐月华,汪仁煌. MATIAB在直流调速设计中的应用.广东工业大学,2001.89麻鸿儒,刑大成,谭敦生,曾令全.电力传动控制实验指导书.东北电力大学电机实验室,2003.1010马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术,1997.121