十機架連軋機分部傳動直流調速系統(tǒng)的設計畢業(yè)設計

1、 電氣工程及其自動化課程設計 題 目 十機架連軋機分部傳動直流調速系統(tǒng)的設計 學生姓名 專業(yè)班級 1203 學 號 201202153648 系 部 電氣工程及其自動化 指導教師 完成時間 2014年3 月9 日 目 錄交直流調速系統(tǒng)的設計摘要1緒論21 方案選擇部分31.1 設計要求31.2 調速的方案選擇31.2.1 直流電動機的選擇31.2.2 電動機供電方案的選擇31.2.3 系統(tǒng)的結構選擇31.2.4 直流調速系統(tǒng)的總體結構框圖41.3 主電路的計算41.3.1 整流變壓器的計算41.3.2 晶閘管元件的選擇51.3.3 晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算61.3.4 平波電抗器的計算81.4 觸

2、發(fā)電路的選擇與校驗91.5 控制電路的計算101.5.1 給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計101.5.2 轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算、調速系統(tǒng)的靜態(tài)參數設計101.6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)設計111.6.1電流調節(jié)器的設計111.6.2 轉速調節(jié)器的設計122 matlab仿真142.1 系統(tǒng)的建模與參數設置142.1.1 開環(huán)物理模型的構建142.1.2 單閉環(huán)物理模型的構建152.1.3 雙閉環(huán)物理模型的構建152.2系統(tǒng)動態(tài)仿真結果的輸出及結果分析162.2.1 開環(huán)數學模型162.2.2 單閉環(huán)數學模型及其仿真結果162.2.3 雙閉環(huán)數學模型及其仿真結果172.3系統(tǒng)仿真結果

3、總體分析182.3.1電機轉速曲線182.3.2電機電流曲線18參考文獻20交直流調速系統(tǒng)的設計摘要 直流調速系統(tǒng)具有調速范圍廣精度高動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，因此本設計運用電力拖動控制系統(tǒng)的理論知識設計出可行的直流調速系統(tǒng)，并詳細分析系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能，且利用simulink對系統(tǒng)進行各種參數的給定下的仿真。通過建模、仿真驗證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。同時通過本次課程設計能夠加強我們對一些常用單元電路的設計、常用集成芯片的使用以及對電阻、電容等元件的選擇等的工程訓練。達到綜合提高我們的工程設計與動手能力的目的。各個仿真結果都基本上符合設計要求。關鍵詞：直流電機、雙閉環(huán)

4、調速系統(tǒng)、matlab/simulink仿真緒論在電氣時代的今天，電動機在工農業(yè)生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調速問題一直是自動化領域比較重要的問題之一。不同領域對于電機的調速性能有著不同的要求，因此，不同的調速方法有著不同的應用場合。雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加

5、以抑制。采用轉速負反饋和pi調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直

6、流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。1 方案選擇部分1.1 設計要求(1） 電樞回路總電阻取r=2ra; 總分輪力矩gd2=2.5gda2=2.5*58.02nm2，極對數p=1。(2） 其它未盡參數可參閱教材第二章2.3.2節(jié)中“工程設計方法在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的應用”的有關數據。(3） 要求：調速范圍d=10,靜差率s=5%,穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量i%=5%,電流脈動系數

7、si=10%;啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量n=6iem(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf式中s-變壓器容量（kva）； u2-變壓器二次相電壓有效值（v）；iem-變壓器勵磁電流百分數，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.直流側過電壓保護 直流側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

8、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。壓敏電阻的標稱電壓u1ma=2=2*2.34u2=2*2.34*120=561.6v1.3.3.2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斷過電壓，通常采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路的方法，阻容保護元件參數可以根據查經驗數據表得到。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1.3.3.3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

9、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1.3.3.4電壓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的規(guī)定，當超過其規(guī)定的值時，會使晶閘管誤導通。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，而經常采用將幾只鐵氧磁環(huán)套

10、在橋臂導線上，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斷時間。1.3.4 平波電抗器的計算晶閘管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接入帶有氣隙的電抗器，稱作平波電抗器。1.3.4.1電動機電樞電感*1000=8*230*1000/(2*1*1450*209)=3.04mh對于快速無補償電動機取8，磁極對數p=2。1.3.4.2變壓器電感為=3.9*0.05*120/209=0.12mh式中=0.05。1.3.4.3平波電抗器的選擇維持電流連續(xù)時的為=0.693*120/(0.05

11、*209)-(2*0.12+3.04) =4.68(mh)式中，。限制電流的脈動系數=5%時，值為=1.045*120/(0.05*209)-3.14=3.14=8.72（mh）取兩者中較大的，故選用平波電抗器的電感為8.72mh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，要求交流電網波形畸變率小于5%。適用范圍：廣泛應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-

12、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、調制脈沖發(fā)生器、脈沖形成電路、脈沖分配及驅動電路組成。 圖1.4 mc787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rc組成的t形網絡濾波分壓，并產生30相移，經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)的設計根據電路要求，選用穩(wěn)壓管、晶閘管、集成穩(wěn)壓管等組成，本設計采用集成穩(wěn)壓管的可

13、調輸出電路。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，為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個10v的電源，用一個2.2k,1w電位器引出給定電壓。1.5.2 轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算、調速系統(tǒng)的靜態(tài)參數設計1.5.2.1測速發(fā)電機的選擇 有電機參數可知選用的直流測速發(fā)電機的參數有: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10v,只要適當取反饋系數，即可滿足系統(tǒng)要求。1.5.2.2

14、轉速負反饋環(huán)節(jié) 設轉速反饋濾波時間常數：ton=0.01s,則轉速反饋系數=un*/nn=10/1450=0.007vmin/r1.5.2.3電流負反饋環(huán)節(jié) 設電流反饋濾波時間常數：toi=0.02s,則電流反饋系數 =0.0032v/a1.5.2.4調速系統(tǒng)的靜態(tài)參數 電動機電動勢常數 ： ce=0.12按要求調速系統(tǒng)的靜態(tài)速降：nn=7.63r/min1.6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)設計1.6.1電流調節(jié)器的設計1.6.1.1確定時間常數 在三相橋式全控電路有：已知，所以電流環(huán)小時間常數=0.0017+0.002=0.0037s。1.6.1.2選擇電流調節(jié)器的結構因為電流超調量，并保證穩(wěn)態(tài)

15、電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用pi型電流調節(jié)器 。 電流調機器的比例系數 電流調節(jié)器的超前時間系數 1.6.1.3電流調節(jié)器參數計算： 電流調節(jié)器超前時間常數=0.03s，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=0.6，所以acr的比例系數 =1.6.1.4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)小時間常數近似處理條件：，滿足條件。1.6.1.5 計算調節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的=40，有=4.3240=511

16、.68，取172.8,取180，取0.,2，取0.2。故=，其結構圖如下所示： 圖1.5 電流調節(jié)器 1.6.2 轉速調節(jié)器的設計 1.6.2.1 確定時間常數：有則，已知轉速環(huán)濾波時間常數=0.01s，故轉速環(huán)小時間常數。1.6.2.2選擇轉速調節(jié)器結構：按設計要求，選用pi調節(jié)器 轉速調節(jié)器的比例系數轉速調節(jié)器的超前時間常數1.6.2.3計算轉速調節(jié)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(huán)開環(huán)增益 。asr的比例系數為：。1.6.2.4檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數簡化條件為，滿足條件。轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為：，滿足近似條件。1

17、.6.2.5計算調節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取3000。，取0.1，取1。故。其結構圖如下： 圖1.6 轉速調節(jié)器校核轉速超調量：由h=5，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=77.5%，所以 =0.00264 =0.264% 10%滿足設計要求.2 matlab仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件matlab，使用matlab對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數為基礎，使用matlab的simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖，使用power system

18、工具箱進行調速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。2.1 系統(tǒng)的建模與參數設置2.1.1 開環(huán)物理模型的構建表2-1 z2-91型電動機具體參數電動機型號pn(kw)un(v)in(a)nn(r/min)ra()gda2（nm2）p極對數z2-914823020914500.358.021根據z2-91型電動機具體參數電動機的額定電流為209a，仿真結果基本符合要求。給定10v仿真結果也符合要求。此為開環(huán)物理模型。圖2-1開環(huán)物理模型2.1.2 單閉環(huán)物理模型的構建 圖2-2為轉速單閉環(huán)物理模型及其仿真結果。給定105，限幅值80，0，采用pi控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實現了轉速的無靜

19、差調速，但因其結構中含有電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機轉速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。圖2-2單閉環(huán)物理模型2.1.3 雙閉環(huán)物理模型的構建為了提高生產率和加工質量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉矩，從而可使轉速直線上升過渡過程時間大大縮短。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、

20、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。采用面向電氣原理結構圖方法構成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖4-3所示。給定為105，asr、acr的限幅值分別為12，-25和80,0，啟動時間0.4s,仿真結果符合要求。 圖2-3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型2.2系統(tǒng)動態(tài)仿真結果的輸出及結果分析2.2.1 開環(huán)數學模型圖2-4開環(huán)數學模型2.2.2 單閉環(huán)數學模型及其仿真結果圖2-5轉速單閉環(huán)數學模型 當轉速達到給定值后。轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現超調。轉速超調后，asr輸入端出現負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調節(jié)，使

21、轉速保持恒定即額定轉1450。單閉環(huán)asr kp=53.6 ki=616.1 限幅值【0 1】【-20 20】。2.2.3 雙閉環(huán)數學模型及其仿真結果 圖2-6雙閉環(huán)數學模型轉速、電流雙閉環(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，給定10v，asr的限幅值為15，-10，acr的限幅值為20，-10。因為在本次設計中單片機代替了控制電路絕大多數的器件，所以在此直接給出各部分的參數，各部分參數設置參考前幾章各部分的參數。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真start time設為0，stop time設為10。啟動過程的第一階段是電

22、流上升階段，突加給定電壓，asr的輸入很大，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升。第二階段，asr飽和，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現為恒值電流給定作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉速線形增長。第三階段，當轉速達到給定值后。轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現超調。轉速超調后，asr輸入端出現負偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進入線性調節(jié)，使轉速保持恒定即額定轉1450 nn(r/min)，實際仿真結果基本上反映了這一點。2.3系統(tǒng)仿真結果總體分析2.3.1電機轉速曲線在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。

23、此時轉速調節(jié)器asr飽和，電流調節(jié)器acr起主要作用。轉速一直上升。當到達恒流升速階段時，asr一直處于飽和狀態(tài)，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)為恒值電流調節(jié)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統(tǒng)在最短時間內完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，asr的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續(xù)上升，出現轉速超調。轉速超調后，極性發(fā)生了變化，則asr推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉速在出現一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉速有所下降，此時經過asr和acr的調節(jié)作用后，轉速又恢復為先前的給定值，反映了系統(tǒng)的抗負載能力很強。2.3.2電機電流曲線直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器asr飽和，達到限幅值，迫使電流急速上升。當電流值達到限幅電流時，由于電流調節(jié)器acr的作用使電流不再增加。當負載突然增大時，由于轉速下降，此時轉速調節(jié)器asr起主要的調節(jié)作用，因此電流調節(jié)器acr電流有所下降，同啟動時一樣，當轉速調節(jié)器asr飽和，達到限幅值，