十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 自動(dòng)控制電機(jī)拖動(dòng)

2  課程設(shè)計(jì)的任務(wù)

2.1 設(shè)計(jì)題目: 十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在冶金工業(yè)中，軋制過(guò)程是金屬壓力加工的一個(gè)主要工藝過(guò)程，而連軋則是一種可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和軋制質(zhì)量的先進(jìn)方法。其主要特點(diǎn)是被軋金屬同時(shí)處于若干機(jī)架之中，并沿著同一方向進(jìn)行軋制最終形成一定的斷面形狀。

連續(xù)軋制的基本條件是物質(zhì)流量的不變性，即S1v1=S2v2…=Snvn=常數(shù)，這里S1…Sn和v1…vn分別為被軋金屬的橫斷面積和線速度。而連軋機(jī)的電氣傳動(dòng)則應(yīng)在保證物質(zhì)流量恒定的前提下承受咬鋼和軋制時(shí)的沖擊性負(fù)載，實(shí)現(xiàn)機(jī)架的各部分控制和協(xié)調(diào)控制。每個(gè)機(jī)架的上下軋錕公用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)行集中拖動(dòng)，不同機(jī)架采用不同電動(dòng)機(jī)實(shí)行部分傳動(dòng)，各機(jī)架軋錕之間的速度則按物質(zhì)流量恒定原理用速度鏈實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制

物質(zhì)流量不變的要求應(yīng)在穩(wěn)態(tài)和過(guò)渡過(guò)程中都得到滿足，因此，必須對(duì)過(guò)渡過(guò)程實(shí)踐和超調(diào)量都提出相應(yīng)的限制。

連軋機(jī)的完整控制包括許多方面，本課題只考慮軋錕拖動(dòng)的基本控制即調(diào)速問(wèn)題，并以十機(jī)架軋機(jī)為例，至于張力卷取問(wèn)題等將不涉及。

2.2 基本參數(shù)

考慮到課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐有限，本課題直接給出各部分電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)作為設(shè)計(jì)條件，不再提及諸如軋制力、軋制轉(zhuǎn)矩、軋錕直徑等概念和參數(shù)，以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

以十機(jī)架為準(zhǔn)，每個(gè)機(jī)架對(duì)應(yīng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，由此形成10個(gè)部分，各部分電動(dòng)機(jī)參數(shù)集中列表2-1中，其中Pn(kW)為額定功率、Un(V)為額定電壓、In（A）為額定電流、nn[(r/min)]為額定轉(zhuǎn)速、Ra(Ω)為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻、GD2a(N·m2)為電動(dòng)機(jī)飛輪力矩、P為極對(duì)數(shù)。Ifn(A)為額定勵(lì)磁電流。

2.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

(1）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差。

(2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量≤5%；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量≤5%（按退飽和式計(jì)算）

2.4 設(shè)計(jì)要求

(1) 電樞回路總電阻取R=2Ra; 總分輪力矩GD2=2.5GD2。

    (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(jì)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(wú)靜差，電流超調(diào)量δI%<=5%,電流脈動(dòng)系數(shù)SI<=10%;啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量δN<=10%.

    (4) 要求系統(tǒng)具有過(guò)流，過(guò)壓，過(guò)載和缺相保護(hù)。

   (5) 要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。

    (6) 要求對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。

3  系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)速方案的選擇

本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z2-72型，其具體參數(shù)如下表3-1所示，

表3-1  Z2-72型電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)

3.1.1 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇

變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M系統(tǒng)。

在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓Ud。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路�？紤]使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無(wú)噪聲、無(wú)磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。

3.1.2 調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇

由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。

電動(dòng)機(jī)額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器應(yīng)采用D/Y聯(lián)結(jié)。

因調(diào)速精度要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。采用電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時(shí)由過(guò)流繼電器切斷主電路電源。

為使線路簡(jiǎn)單，工作可靠，裝置體積小，宜選用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。

該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持恒定。勵(lì)磁繞組采用三相不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。為保證先加勵(lì)磁后加電樞電壓，主接觸器主觸點(diǎn)應(yīng)在勵(lì)磁繞組通電后方可閉合，同時(shí)設(shè)有弱磁保護(hù)環(huán)節(jié)。

3.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。

直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖3-1所示。

圖3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 主電路的計(jì)算

4.1.1 整流變壓器的計(jì)算

(1）整流變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算

整流變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算公式：

U2=（1～1.2）                           （3-1）

查表知，三相全控橋式整流電壓的計(jì)算系數(shù)KUV=2.34，電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)b=0.90～0.95，查表知α角，考慮10°裕量，故cosαmin=0.985,由電機(jī)參數(shù)可知UN=230V,代入公式計(jì)算出U2

U2=(1～1.2)=110.9～133.08V

取U2=120V,變比K===1.83

(2) 一次、二次側(cè)電流計(jì)算

一次側(cè)電流：   =                                （3-2）

考慮變壓器自身的勵(lì)磁電流時(shí)，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)，查表知，一次相電流計(jì)算系數(shù)KIL=0.816，由電機(jī)參數(shù)可知=37A,代入公式計(jì)算出

=1.05*0.816*37/1.83=17.323A

二次側(cè)電流：   I2=                                  （3-3）

查表知，二次相電流計(jì)算系數(shù)KIV=0.816，一般取整流器額定直流電流=，由電機(jī)參數(shù)知=82.55A,代入公式算出I2

=0.816*82.55=67.32A

(3)變壓器容量的計(jì)算

                                 （3-4）

                                （3-5）

                                                  （3-6）

變壓器一次、二次繞組相數(shù)m1=m2=3

一次容量：S1=m1U1I1  =3*220*38.64=25.50KVA

二次容量：S2=m2U2I2=3*120*67.3212=24.23KVA

平均電容：S=(25.50+24.23)/2=24.86KVA

4.1.2 晶閘管元件的選擇

晶閘管的選擇主要是根據(jù)整流器的運(yùn)行條件，計(jì)算晶閘管電壓、電流值，選出晶閘管的型號(hào)規(guī)格，在工頻整流裝置中一般選擇KP型普通晶閘管，其主要參數(shù)為額定電壓、額定電流值。

  (1)額定電壓UTN的選擇，應(yīng)考慮下列因素。

1)分析電路運(yùn)行時(shí)晶閘管可能承受的最大電壓值。

2)考慮實(shí)際情況，系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的裕量，通�？煽紤]2～3倍的安全裕量，按下列公式計(jì)算，即

UTN=（2~3）KUTU2                            （3-7）

UTN=（2~3）KUTU2=(2~3)*2.45*120=588~882V

查表知，晶閘管的電壓計(jì)算系數(shù)KUT=2.45。

   (2)額定電流IT(AV)的選擇，晶閘管是一種過(guò)載能力較小的元件，選擇額定電流時(shí)，應(yīng)留有足夠的裕量，通�？紤]選擇1.5～2倍的安全裕量。按下列公式計(jì)算，即

IT(AV)=（1.5~2）*KIT*Idmin==（1.5~2）*0.367*82.5=45.41~60.55A    （3-8）                           

可知應(yīng)選擇型號(hào)為KK50-6的晶閘管

4.1.3 晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算

晶閘管有換相方便，無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

    (1）交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施

1)阻容吸收保護(hù)   即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R(Ω)和電容C（uf）的串聯(lián)支路進(jìn)行保護(hù)，對(duì)于大電容的的晶閘管裝置，采用圖4-1所示的接法。

                   圖4-1 交流側(cè)阻容吸收保護(hù)

電容值 C≥6Iem(uf)=6*0.1*11.15/1202=0.465uf

式中S----變壓器容量（KVA）；

    U2-----變壓器二次相電壓有效值（V）；

Iem----變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，對(duì)于10～100KVA的變壓器，一般為10%～4%；

電阻值   RC=5U21/I21=5*120/30.192=19.873Ω

    2)非線性電阻保護(hù)方式

非線性電阻保護(hù)方式主要硒堆和壓敏電阻的過(guò)電壓保護(hù)。

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）。

    3)直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)  直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)可以用阻容或壓敏電阻保護(hù)，但采用阻容保護(hù)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(guò)壓保護(hù)。

壓敏電阻的標(biāo)稱電壓U1Ma>=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V

4)晶閘管及整流二極管兩端的過(guò)電壓保護(hù)  為了抑制晶閘管的關(guān)斷過(guò)電壓，通常采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路的方法，阻容保護(hù)元件參數(shù)可以根據(jù)查經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表得到。

表4-1 阻容保護(hù)的原件參數(shù)

5)過(guò)電流保護(hù)  快速熔斷器是最簡(jiǎn)單有效的過(guò)電流保護(hù)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(shí)間小于20毫秒，能保證在晶閘管損壞之前自身熔斷，避免過(guò)電流損壞晶閘管，圖4-2接法對(duì)過(guò)電流保護(hù)最有效。

圖4-2    快速熔斷器的安裝方法

(2) 電壓和電流上升率的限制   不同規(guī)格的晶閘管對(duì)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(guò)其規(guī)定的值時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。限制電壓及電流變化率的方法有

1)交流進(jìn)線電抗器限制措施，交流進(jìn)線電抗器LB的計(jì)算公式為

                   LB=                             （3 -9）

LB==5.1mH

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U2

2)在橋臂上串聯(lián)空心電感，電感值取20~30μH為宜。

3)在功率較大或頻率較高的逆變電路中，接入橋臂電感后，會(huì)使換流時(shí)間增長(zhǎng)，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(shí)磁環(huán)不飽和，電感量大，達(dá)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(shí)間。

4.1.4 平波電抗器的計(jì)算

晶閘管整流器的輸出直流電壓是脈動(dòng)的，為了限制整流電流的脈動(dòng)、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(dòng)機(jī)電樞電感

                      *1000                         （3-10）

*1000=8*230*1000/(2*1*1450*82.5)=7.69mH

對(duì)于快速無(wú)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取8，磁極對(duì)數(shù)p=1。

(2）變壓器電感為

*1000                                 （3-11）

*1000=3.9*0.05*120/82.5=0.28mH

式中=0.05。

(3）平波電抗器的選擇。維持電流連續(xù)時(shí)的為

                                                （3-12）

=0.639*120/(0.05*82.5)-(2*0.49+7.69)=20.16-8.67=11.49(mH)

式中，。

限制電流的脈動(dòng)系數(shù)=5%時(shí)，值為

                                                    （3-13）

=1.045*120/(0.05*82.5)-8.67=30.40-8.67=21.73（mH）

取兩者中較大的，故選用平波電抗器的電感為21.73mH時(shí)，電流連續(xù)和脈動(dòng)要求能同時(shí)滿足。

4.2 觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)

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(diǎn)是體積小，功耗低，調(diào)試方便，性能穩(wěn)定可靠。其缺點(diǎn)是移相范圍小于180°，為保證觸發(fā)脈沖對(duì)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。該集成塊由同步過(guò)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(dòng)電路組成。

圖4-3  MC787組成的三相觸發(fā)電路原理接線圖

圖3-3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(hào)，電路輸出端采用等值電阻進(jìn)行1/2分壓，以保證對(duì)稱。輸出端由大功率管驅(qū)動(dòng)，可配接脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管。

4.3 控制電路的設(shè)計(jì)

4.3.1 給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

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(jì)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(fù)電壓，而一切反饋均取正值，為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個(gè)15V的電源，用一個(gè)2.2KΩ,1W電位器引出給定電壓。

4.3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)

(1）測(cè)速發(fā)電機(jī)的選擇  有電機(jī)參數(shù)可知選用的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的參數(shù)有:額定電壓ETG=40V,nTG=2000r/min 負(fù)載電阻RTG=2KΩ的電位器。由于主電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1450r/min ,因此，測(cè)速發(fā)電機(jī)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)α，即可滿足系統(tǒng)要求。

(2）轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)  設(shè)轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Ton=0.01s,則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

取α=Un/nN=10/1450=0.01V?min/r

(3）電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)  設(shè)電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.02s,則電流反饋系數(shù)

                  β=0.05V/A=10V/1.5=0.14V/A

(4)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù) ： Ce===0.11

按要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降：△nN===7.63r/min

4.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

4.4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

(1）確定時(shí)間常數(shù)

在三相橋式全控電路有：已知，，所以電流環(huán)小時(shí)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?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器                    。

   電流調(diào)機(jī)器的比例系數(shù)

電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間系數(shù)

(3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算：

   電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)==0.03s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以==，電樞回路總電阻R=2=2Ω，所以ACR的比例系數(shù)

                                   （3-14）

=

(4）校驗(yàn)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(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件：

，滿足條件。

電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：

，滿足條件。

(5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容

取運(yùn)算放大器的=40，各電阻和電容計(jì)算如下：

=2.0340=81.2，取80，

，取0.38，

，取0.1。

故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示。

                            圖4-4 電流調(diào)節(jié)器

4.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

(1）  確定時(shí)間常數(shù)：

有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。

(2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)

(3）計(jì)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=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：

，

轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 。

ASR的比例系數(shù)為：                             （3-15）

(4）檢驗(yàn)近似條件

轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。            

電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為，滿足條件。

轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。

(5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：

取=40，

則，取4，

，取22

，取1。

故。其結(jié)構(gòu)圖如下，

圖4-5   轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=5，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使ASR 退飽和，重計(jì)算。設(shè)理想空載z=0，h=5時(shí)，查得，所以

                                    （3-16）

                          =0.038 =3.8% < 10%

滿足設(shè)計(jì)要求。

5 系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真

5.1 系統(tǒng)的仿真模型

5.1.1 開(kāi)環(huán)直流系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求搭建物理模型，以下是本設(shè)計(jì)所需要的模型，電機(jī)兩端所加的電壓為220V，根據(jù)所給的參數(shù)數(shù)據(jù)可知平波電抗器的大小為49.37mH,利用仿真模型仿真找到合適的的值，經(jīng)仿真找到的范圍為143V～203V，開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-1所示。

圖5-1開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

5.2 雙閉環(huán)的仿真模型

雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等，因?yàn)樵诒敬卧O(shè)計(jì)中單片機(jī)代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設(shè)置參考課本第二章的各個(gè)部分的數(shù)值，本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23s，仿真Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)10。

經(jīng)所給數(shù)據(jù)的計(jì)算可知：電流環(huán)ACR的參數(shù)值分別為：Ki=2.03  Kp=67.7。

經(jīng)仿真調(diào)試設(shè)定限幅值為【120  -120】,給定信號(hào)為151rad/s  轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的參數(shù)設(shè)定為：Kpn=，0.099,Kip=1.133，限幅值為【11 -23】 平波電抗器的值為

49.37mH。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖5-2所示。

圖5-2  雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

5.3 系統(tǒng)仿真的輸出及結(jié)果分析

5.3.1 物理模型的仿真結(jié)果

開(kāi)環(huán)的仿真結(jié)果如圖5-3所示，

圖5-3開(kāi)環(huán)仿真結(jié)果

開(kāi)環(huán)仿真啟動(dòng)電流過(guò)大，會(huì)燒壞電機(jī)，不滿足要求。

雙閉環(huán)仿真結(jié)果：電流仿真值為82.55A 最大電流為1.5=121.3A 仿真值是151rad/s經(jīng)仿真可知： 所仿真的轉(zhuǎn)速能達(dá)到額定值，穩(wěn)定后能達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定電流82.55A.

雙閉環(huán)的仿真結(jié)果如圖5-4所示，

圖5-4雙閉環(huán)仿真結(jié)果

靜差率         (4-1)

雙閉環(huán)加階躍負(fù)載穩(wěn)定后局部電流如圖5-5所示，

圖5-5雙閉環(huán)加階躍負(fù)載穩(wěn)定后局部電流

電流脈動(dòng)系數(shù)  (4-2)

雙閉環(huán)階躍仿真結(jié)果波形圖如圖5-6所示，

圖5-6 雙閉環(huán)階躍仿真結(jié)果

通過(guò)開(kāi)環(huán)、雙閉環(huán)的仿真結(jié)果的比較可以看出雙閉環(huán)的波形要優(yōu)于開(kāi)環(huán)，因?yàn)殡p閉環(huán)多加了電流環(huán)，轉(zhuǎn)速換使其快速性增加，抗擾動(dòng)能力增強(qiáng)且符合設(shè)計(jì)要求,。

從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。啟動(dòng)過(guò)程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長(zhǎng)。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零。

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,各種生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)大多采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械來(lái)完成。隨著生產(chǎn)工藝要求的提高,對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也提出更高的要求:有的要求電動(dòng)機(jī)能迅速起動(dòng)、控制和反轉(zhuǎn)；有的要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速按一定的比例協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)達(dá)到極慢的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)、平穩(wěn),并能準(zhǔn)確地停止在給定的位置。

在兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了十機(jī)架連軋機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的基本技巧與基本理論知識(shí)、還有實(shí)踐能力，在老師的帶領(lǐng)下，我們很快熟悉了MATLAB軟件的仿真應(yīng)用。在學(xué)校機(jī)房的這10天在同學(xué)的幫助下隨著逐漸對(duì)軟件的熟悉，同時(shí)在同學(xué)們的共同探討下，我逐漸對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)認(rèn)識(shí)更加深入了。在實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)于仿真的數(shù)據(jù)與所需要用到的公式，剛開(kāi)始的時(shí)候，總是沒(méi)弄明白，隨后清楚了，但是仿真還是不如意，于是在同學(xué)們與老師的幫助下，最終才正確的仿真出理想的圖形出來(lái)。

另外這次課程設(shè)計(jì)讓我不僅對(duì)電力電子的理論知識(shí)有了很深的認(rèn)識(shí)也對(duì)我的實(shí)踐動(dòng)手能力有了很大的培養(yǎng)。。當(dāng)然這次設(shè)計(jì)還有很多不足之處，例如對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)了解不夠充分，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)很多不必要的麻煩，所以在以后的學(xué)習(xí)構(gòu)成中我會(huì)加倍學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，以彌補(bǔ)自己的不足。在此過(guò)程中,我懂得了,不管遇到什么問(wèn)題,首先要做的就是冷靜,在此基礎(chǔ)上細(xì)心認(rèn)真地檢查,還要多問(wèn)。相信付出總會(huì)有收獲的,一定要有自己獨(dú)立的見(jiàn)解和思路。

致謝

在本次課程設(shè)計(jì)中，首先感謝程老師傾注了大量的心血教導(dǎo)我們。在我們遇到困難時(shí)，感謝老師循循善秀的教導(dǎo)我們，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開(kāi)闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。

其次，我要感謝幫助過(guò)我的同學(xué)，他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè)計(jì)商的難題。最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過(guò)我的良師益友和同學(xué)。

張錦超-十機(jī)架連壓機(jī)分部傳動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc (1.14 MB, 下載次數(shù): 18)

2019-1-7 11:49 上傳

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