交直流调速系统设计课程设计(24页).doc

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1、- HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 实训报告 题 目 _交直流调速系统的设计 学生姓名 专业班级 学 号 系 （部） 指导教师(职称) 完成时间2014年 1月 2日 实训报告评语 一、实训期间个人表现 1.尊敬师长，团结他人，能吃苦耐劳。 2.在现场能坚持不迟到，不早退，勤奋学习。 3.出现少于3次迟到和早退现象，表现一般。 4.能主动向指导老师提问，能积极做好各项设计任务。 5.在实训中能灵活运用相关专业知识，有较强的创新意识。二、实训报告内容完成质量 1.能按时完成报告内容等实训成果资料，无任务遗漏。 2.能按时完成报告内容等实训成果资料，有少许任务遗漏。

2、3.不能按时完成报告内容等实训成果资料，有多处任务遗漏。 4.条理清晰，书写规范工整，图文并茂，报告内容全面，主要内容阐述详细，能体现实训过程中做了大量工作，与专业相关知识能紧密联系，认识体会深刻，起到了实训的作用。 5.条理清晰，书写规范工整，图文并茂，报告内容全面，主要内容阐述详细，能体现实训过程中做了大量工作，与专业相关知识能较紧密联系，认识体会较深刻，起到了实训的作用。 6.条理清晰，书写较规范工整，报告内容全面，主要内容阐述较详细，能体现实训工作过程，能与专业相关知识联系起来，认识体会较深刻，起到了实训的作用。 7.条理较清晰，书写较规范工整，报告内容较全面，主要内容阐述较详细，能体

3、现实训过程中的相关工作，与专业相关知识不能紧密联系，认识体会不太深刻，基本起到了实训的作用。 8.内容有雷同现象。三、成绩不合格原因 1.实训期间旷课超过3次。 2.报告有严重抄袭现象。 3.未同时上交实训报告。 四、需要改进之处 1.进一步端正实训态度。 2.加强报告书写的规范化训练，对主要内容要加强理解。 3.加强相关专业知识的学习，深刻理解各设计步骤具体的要求。 五、其他说明等 级： 评阅人： 职称： 讲师 年 月 日目录 第1章 设计目的和要求31.1 设计的题目及给定的相关资料31.2课程设计的目的41.3设计的要求5第2章 方案的选择62.1 调速的方案选择62.1.1 直流电动机

4、的选择62.1.2 电动机供电方案的选择62.2系统的结构选择7第3章 主电路设计与参数计算83.1整流变压器计算83.2整流器件计算93.3 平波电抗器的计算113.4 触发电路的选择与校验12第4章 双闭环直流调速系统的动态设计144.1电流环(ACR)的设计144.2 转速环（ASR）设计15第5章 系统的MATLAB/SIMULINK仿真175.1 系统的建模与参数设置175.2 系统仿真结果的输出及结果分析18总结22参考文献23摘 要本文所论述的是十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计，做的是第6组数据的设计，通过对开环、单闭环以及双闭环的数学和物理模型的电路设计，调速方案的方案选

5、定，主电路计算，参数选定，触发电路的选择与校验，控制电路设计计算，以及双闭环直流调速系统的动态设计，最后用MATLAB/SIMULINK仿真，得出仿真结果，根据双闭环直流调速系统原理图, 分析了转速调节器、电流调节器的作用, 并通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形。并对得到的波形进行分析。关键词：直流调速调速，转速和电流调节器, MATLAB/SIMULINK仿真第1章 设计目的和要求1.1 设计的题目及给定的相关资料在冶金工业中，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

6、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(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数1Z2-926723029114500.268.6012Z2-914823020914500.358.0213Z2-823523015214500.431.3614Z2-812623011314500.527.4415Z2-721923082.5514500.71

7、1.7616Z2-71142306114500.89.817Z2-621123047.814500.96.3918Z2-618.52303714501.05.4919Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.4311.2课程设计的目的1、通过课程设计，进一步巩固、深化和扩充在直流调速及相关课程方面的基础知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力。2、通过课程设计，独立完成一项直流调速系统课题的基本设计工作，达到培养学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料能力的目的。3、通过课程设计，使熟悉设计过程，了

8、解设计步骤，掌握设计内容，达到培养我们工程绘图和编写设计说明的目的，为我们今后从事相关方面的实际工作打下良好基础。1.3设计的要求（1）电枢回路总电阻取；总飞轮力矩(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；稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时。（4）要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。（5）要求触发脉冲有故障封锁能力。（6）要求对拖动系统设置给定积分器第2章 方案的选择2.1 调速的方案选择 调速选泽包括以下几种：直流电动机的选择、电动机供电方案的选择、系统的结构选择、确定直流调速系统的总体结构原理框图及仿真图

9、。2.1.1 直流电动机的选择 根据任务的安排，我们组分的是第六台机架连轧机，此机架连轧的电动机的型号是Z2-71，其个数据为表2.1表2.1第6组 电机参数表电机型号(KW)(V)(A)(r/min)()()P极对数Z2-71142306114500.89.812.1.2 电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT

10、的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨

11、损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。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

12、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。2.2系统的结构选择选择的双闭环的原理框图为：ASRACRMTG*nUnUD*iUnUiUiUDctUGTVTAnIndIL+-+-图2-1双闭环

13、调速系统原理图第3章 主电路设计与参数计算3.1整流变压器计算1、二次电压计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。 U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中为电动机的额定电压，b为电网波动系数，一般取0.900.95；为整流电压计算系数，(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：取=230V, =2.34，b=0.94

14、得=121.29V2、变压器一次、二次侧电流计算 由表查得=0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得：二次相电流I2的计算式中，为二次相电流计算系数，为整流器额定直流电流等于电动机的最大额定电流 得=0.816*61=49.776A一次相电流I1的计算式中，电压比K=U1/U2=380/121.29=3.13, =61得=0.816*61/3.13=15.9A3、变压器容量的计算 ； ； 式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=338015.9=18.13KVA=3121.2949.776=18.11 KVA =1/2（18.13+18.11）=18.12KVA 取S=18.12KVA

15、3.2整流器件计算3.2.1晶闸管的选择晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得=2.45，则=2.6*2.45*121.29=772.62v1、晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57 或 =K 考虑（1.52）倍的裕量 式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，

16、电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.368，考虑(1.52)倍的裕量 取=42.54。经查表可知：晶闸管的型号为KP(3CT)50。2、过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护1）阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=18.13KVA, =121.29V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6S/U22=6318.12103/121.292=22.18F耐压1.5Um =1.5121.29=257.25V选取20F,耐压300V的铝电解电容器。 选

17、取: S=18.13KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3121.292/18.13103=1.87取 R=2IC=2fCUC10-6=25010121.2910-6=0.381 APR(3-4)IC2R=(34) 0.38122=（0.82.32）W选取电阻为2，2W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3121.29=222.96V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速

18、性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 230=414460V 选MY31-440/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。3.3 平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=0.05=0.056

19、1A=3.05A=0.695*121.29/3.05mH=27.64mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=1.045*121.29/10%*61=20.78

20、mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中 、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=61A、n=1450r/min、p=1= mH =10.40mH =3.036mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.2、=3所以 =3.23121.29/（10061）=0.19mH （4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电

21、感量：mH 5) 电枢回路总电感:=17.410.420.0032 mH =27.8mH 3.4 触发电路的选择与校验1、为保证晶闸管装置能正常可靠地工作，触发电路必须满足以下要求：（1） 触发信号应有足够的功率，触发电路送出的触发信号时作用于晶闸管门极与阴极的。（2） 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。（3） 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求，为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角触发导通，触发脉冲必须与电源同步且脉冲与电源保持固定的相位关系。此设计选用SG3524作为触发电路的主要器件，S

22、G3524是通用型脉宽调制器（PWM），属于数子、模拟混合型集成电路，占空比可在0100%之间调节。触发电路图如3-1图3-1 触发电路图在上图中，ACR的输出Uc可以调节占空比在0100%内变化。使整流器的输出电压在0UN内变化，电机对应的转速也跟其变化。如果电机转速由于外界机械原因发生改变，对应测速发电机的输出也跟随变化。测速发电机输出的变化直接影响ASR的调节，从而Uc的大小，Uc大小的变化改变GS3524输出波形的占空比，从而使斩波电路的输出电压平均值改变，使电机转速返回到预先设定的值。2、根据被触发晶闸管的阳极电压相位，正确供给各触发电路特定相位的同步型号电压，才能使触发电路分别在各

23、晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲，这种正确选择同步信号电压相位以及得到不同相位同步信号电压的方法，称为晶闸管装置的同步。第4章 双闭环直流调速系统的动态设计设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节。再设计转速调节器。此设计包括了控制电路的有关计算和设计，根据其数据可以找到药给定的值，即U的范围，根据电流环、转速环的设计找到有关给定环节的计算。4.1电流环(ACR)的设计1、 对于三相桥式电路，平均失控时间为电流滤波时间常数为，三相桥式电路的每个波头时间为3.33ms，为基本滤平波头，应有（1这里取）则

24、电流环小时间常数2、选择电路调节器结构:根据设计要求%并且稳态无静差，则可按典型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI调节器，其传递函数为： 因此，检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型系统的动态抗扰性能，可见各项指标都是可以接受的。3、电流调节器参数的计算:电流调节器超前时间常数：，电流环开环增益，要求%时，应取 电流反馈系数：所以ACR的比例系数： 因为 且 有电机参数可知： = 即给定值为 4、校验近似条件 电流环截至频率为：(1)晶闸管整流装置传递函数近似条件： 满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理

25、条件：满足近似条件4.2 转速环（ASR）设计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。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 电流反馈系数：转速反馈系数：ASR的比例系数为：。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。第5章 系统的MATLAB/SIMULINK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MATLA

26、B，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。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，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2.5。给定值为105。5.1 系统的建模与参数设置根据设计的要求搭建物理模型，以下是本设计所需要的模型，电机两端所加的电压为220v，根据所给的参数数据可知平波电抗器的大小为

27、12.6mH,利用仿真模型仿真找到合适的的值，经仿真找到的范围为90v160v，如图5-1图5-1开环物理模型对于单闭环来说，仿真是为了与双闭环进行比较，看哪个快速性好，对负载的扰动，单闭环的给定值是105rad/s，电机电阻0.8，限幅是80 0，按照所给的值进行仿真。如图5-2 图5-2单闭环物理模型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，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课本第二章的各个部分的数值，本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time

28、设为0，Stop time设2.5。 经所给数据的计算可知：电流环ACR的参数值分别为： 经仿真调试设定限幅值为【170 -267】,给定信号为105rad/s 转速环ASR的参数设定为： 限幅值为【11 -23】 平波电抗器的值为11mH。如图5-3图5-3双闭环物理模型5.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图5-4开环物理仿真结果单闭环的仿真结果如下图5-2图5-5单闭环物理仿真图双闭环仿真结果 给定值的仿真结果电流仿真值为61A 最大电流为1.5=91.5A 仿真值是105rad/s 仿真结果如下图5-6图5-6双闭环物理仿真图数学模型：经计算后建

29、立数学模型，给定的值为14.5开环数学模型的建立及仿真结果： 图5-7开环数学模型 图5-8开环数学仿真结果单闭环的数学模型及仿真结果如下图5-9单闭环数学模型图5-10单闭环数学模型仿真结果双闭环数学模型，经以上计算可建立如下数学模型：给定的限幅值分别为11 -11 6.15 -2.6,给定值为14.9，电流给定值为61.图5-11双闭环数学模型仿真的结果如下图5-12图5-12双闭环数学模仿真结果经仿真可知：所需的启动电流最大值为： 所仿真的转速能达到额定值，稳定后能达到电动机的额定电流61A。通过开环、单闭环、双闭环的仿真结果的比较可以看出双闭环的波形要优于单闭环，因为双闭环多加了电流环

30、，使其快速性增加，抗扰动能力增强。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。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，接近其最大值。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。实际仿真结果基本上反映了这一点。 总结经过两周的努力我的课程设计终于完成了。课程设计是对自己所学专业知识的一种检验。通过这次课程设计，使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还

31、太多，这样我才明白学习是一个长期积累的过程。此次的电气传动系统课程设计是我和同学共同努力的结果，它增进了我们的团结互助的意识，这也是我们参加工作后所必需的。在这次电气传动系统课程设计中，首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，论证，都一一解决了。特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在此要感谢我们的指导老师程老师的悉心指导，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式来完成我们的设计。 参考文献 1陈伯时.电力拖动自动控制系统第3版M.北京：机械工业出版社，20042石玉等.电力电子技术题例与电路设计指M.北京：机械工业出版社，19983王离九等. 电力拖动自动控制系统.M 武汉：华中科技大学出版社，19914胡寿松.自动控制原理第4版M.北京：国防工业出版社5黄忠霖等.控制系统MATLAB设计及仿真M.机械工业出版社，2001-第 23 页-