实训报告十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计.docx
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实训报告十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计
实训报告--十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计
HENAN
INSTITUTE
OF
ENGINEERING
实训报告
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
学
号
系
（部）
电气信息工程学院
指导教师（职称）
讲师
完成时间
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。
□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
摘
要
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，连轧机制则是冶金行业的大型设备。
其主要特点是被轧金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终形成一定的断面形状。
每个机架的上下轧制共用一台电动机实行集中拖动，不同机架采用不同电动机实行部分传动，各机架轧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，由此形成十个部分，我们选用的是Z2—71型号的电动机。
电气传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。
它是为了合理地使用电动机，通过对电动机的控制，使被拖动的机械按照某种预定的要求运行。
电气传动系统是将电能转换为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。
电气传动系统由电动机、控制装置以及被拖动的生产机械所组成。
其主要特点是功率范围极大，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦；调速范围极宽，转速从每分钟几转到每分钟几十万转，在无变速机构的情况下调速范围可达1：
10000；适用范围极广，可适用于任何工作环境与各种各样的负载。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，而直流调速系统又分为开环调速、单闭环调速和双闭环调速等调速方式。
其中开环调速的静差率不高，且只能实现一定范围内的无极调速；而在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的，它不能很理想的控制电流的动态波形，但双闭环控制可解决以上的所有问了题，故本系统采用双闭环调速系统。
1
系统方案的选择
1.1调速方案的选择
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。
1.2直流电动机的选择
根据任务的分配，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，电动机的参数见表1-1：
表1-1
电动机Z2-71的参数
电机型号
（KW）
（V）
（A）
（r/min）
（Ω）
（）
P极对数
Z2-71
14
230
61
1450
0.8
9.8
1
1.3电动机供电方案的选择
常用的整流器主电路比较和常用整流电路的计算系数分别见表1-2和1-3。
表1-2
常用的整流器主电路比较
形式
特点
单相半空桥式
单相全控桥式
三相半波
三相全控桥式
双反星形带平衡电抗器
三相半空桥式
双三相桥带平衡电抗器
变压器利用率
较好（0.9）
较好（0.9）
差
（0.74）
好
（0.95）
一般（0.79）
好
（0.95）
好
（0.97）
脉动情况
一般（m=2）
一般（m=2）
一般（m=3）
较小（m=6）
较小（m=6）
较小（m=6）
较小（m=12）
器利用率
好
（180）
好
（180）
较好（120）
较好（120）
较好（120）
较好（120）
较好（120）
直流磁化
无
无
无
无
无
无
无
波形畸变
一般（0.9）
一般（0.9）
严重（0.827）
较小（0.955）
较小（0.955）
较小（0.955）
小（0.955）
应用场合
10k以下不可逆
10kw以下可（不）逆
50kw以下及电动机励磁
10200kw可（不）逆，应用范围广
低压大
电流
不可逆
四象限运行
表1-3
常用整流电路的计算系数
电路形式
单相半空
单相全控
三相半波
三相半空
三相全控
换相电抗压降计算系数
0.707
0.707
0.866
0.5
0.5
整流电压计算系数
0.9
0.9
1.17
2.34
2.34
电压计算系数
Kut
1.41
1.41
2.45
2.45
2.45
电流计算系数
KIT
0.45
0.45
0.367
0.367
0.367
二次相电流计算系数
KIV
1
1
0.577
0.816
0.816
一次相电流计算系数
KIL
1
1
0.472
0.816
0.816
视在功率计算系数
KSI
1.11
1.11
1.35
1.05
1.05
漏抗计算系数
KTL
1
1
2.12
1.22
1.22
漏抗折算系数
KL
0
1
1
0
2
电阻折算系数
KR
1
1
1
2
2
通过以上数据分析可以知道选择晶闸管三相全控桥式变流供电。
1.4主电路结构的选择
工业上，为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元及电动机的过载能力，要求实现理想启动，即要求在启动过程中，是启动电流一直保持最大允许值，此时，电动机以最带转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间；启动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变，又因调速精度要求较高，故采用转速电流双闭环负反馈调速系统。
启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流一直保持最大允许值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环其主要作用，使转速随转速给定器的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。
选择的双闭环的原理框图为图1-1：
ASR
ACR
M
TG
n
U
n
U
D
i
U
n
U
i
U
i
U
D
ct
U
GT
V
TA
n
I
n
d
I
L
+
-
+
-
图1-1双闭环调速系统原理图
2
硬的设计
2.
1整流变压器的计算和选择
2.
2.1整流元的计算和选择
1）额定电压的选择，即:
取,式中，为晶闸管的电压计算系数；为整流变压器二次相电压。
2）额定电流选择，即:
取,式中,为晶闸管电流计算系数；为整流变压器二次侧的额定电流。
整流变压器的参数计算应考虑的因素：
1）最小延迟触发角：
一般可逆系统的取30°到35°，不可逆系统的取10°到15°。
2）电网电压波动：
电网电压允许波动范围为+5%到-10%，在电网电压最低时仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电网电压波动系数。
3）漏抗产生的换相压降。
4）晶闸管或整流二极管的正向导通压降。
二次相电压的计算如下：
取U2=125V
式中，为变压器二次相电压，单位为V；为电动机的额定电压，单位为V；为整流电压计算系数；b为电网电压波动系数，一般取。
整流变压器的电流计算如下：
式中，为二次相电流计算系数；当整流器用于电枢供电时，一般取；为一次相电流计算系数；K为变压器的电压比。
整流变压器的容量计算如下：
式中、分别为变压器一次、二次绕组的相数，对于三相全控桥，
；、分别为变压器一次、二次相电压；、分别为一次、二次相电流。
2.2平波电抗器的计算与选择
由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）及整流变压器的漏抗，再求出需要外接电抗器的电感值。
1.用于限制输出电流脉动的临界电感/mH
式中为临界计算系数，三相全控桥为1.045；为电流最大允许脉动系数，三相电路；为整流变压器二次相电压，单位为V；为电动机最小工作电流，单位为A，取电动机额定电流的。
②用于保证输出电流连续的临界电感
/mH
取=
25mH
式中为临界计算系数，三相全桥为0.693；为整流变压器二次相电压，单位为V；为电动机最小工作电流，单位为A，取电动机额定电流的。
③直流电动机的漏电感/mH
式中，为直流电动机的额定电压，单位为V；为直流电动机的额定电流，单位为A；为直流电动机的额定转速，单位为r/min；p为直流电动机磁极对数；为计算系数，对于一般无补偿绕组电动机，。
④折合到整流变压器二次侧的每相漏电感/mH
式中为计算系数，三相全桥取3.9，整流变压器阻抗电压百分比，一般取；为整流变压器二次相电压，单位为V；为直流电动机的额定电流，单位为A。
⑤实际应串入的平波电抗器电感
/mH
式中，N为系数，在三相桥路中取2，其余取1.
⑥
电枢回路总电感
2.3电阻的计算
①电动机电枢电阻Ra：
Ra=0.8Ω
②电枢回路总电阻
始终为平波电抗器的电阻，可从电抗器产品手册中查得或实测。
2.4电流环的设计和校验
2.4.1电流环的设计
1）
三相电桥的平均失控时间=0.0017s,电流滤波时间，
2）
确定将电流环设计成何种典型系统。
根据设计要求：
，
而且
因此，电流环可按典型I型系统设计。
3）
电流调节器的结构和参数选择。
ACR选用PI调节器，其传递函数为
ACR参数选择如下：
电流开环增益：
因要求，故应取，因此
于是，ACR的比列系数为
4）因为
且有电机参数可知：
=
所以
即给定值为
2.4.2电流环的校验
1）校验近似条
电流环截至频率为：
校验整流装置传递函数的近似条是否满足，因为
所以满足近似条。
校验忽略反电动势对电流环影响的近似条是否满足
因为
所以满足近似条。
校验小时间常数的近似处理是否满足条
因为
所以满足近似条。
2.5转速环的设计和校验
2.5.1转速环的设计
1）电流环等效时间常数为
2=0.0074s，转速滤波时间常数=0.01s
2）确定将转速环设计成何种典型系统。
由于设计要求转速环无静差，ASR必须含有积分环节；又根据动态设计要求：
应按典型Ⅱ型系统设计转速环。
3）ASR的结构和参数选择。
ASR选用PI调节器,其传递函数为
转速调节器的比例系数
转速调节器的超前时间常数
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：
2.5.2转速环的校验
1）检验近似条
转速环截止频率为
电流环传递函数简化条为，满足条。
转速环小时间常数近似处理条为：
，满足近似条。
3系统的MATLAB/Simulink仿真
3.1系统的仿真模型
3.1.2开环和单闭环直流系统的仿真模型
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12mH,利用仿真模型仿真找到合适的的值，经仿真找到的范围为，开环直流调速系统的仿真模型如图3-1所示：
图3-1开环直流调速系统的仿真模型
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,幅值是107，电机电阻0.8，限幅是[80
0]，按照所给的值进行仿真。
单闭环的仿真模型如图3-2所示：
图3-2
单闭环直流调速系统的仿真模型
3.2双闭环的仿真模型
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，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
-180】,给定信号为105rad/s
转速环ASR的参数设定为：
，，限幅值为
【12
-20】
平波电抗器的值为12.5mH。
双闭环直流调速系统的仿真模型如图3-3所示：
图3-3
双闭环直流调速系统的仿真模型
3.2系统的数学模型
开环的数学模型如图3-4所示：
图3-4
开环数学模型
单闭环数学模型如图3-5所示：
图3-5
单闭环数学模型
双闭环数学模型如图3-6所示：
图3-6
双闭环数学模型
3.2
系统仿真的输出及结果分析
3.2.1物理模型的仿真结果
开环的仿真结果如图3-7所示：
图3-7开环仿真结果
单闭环的仿真结果如图3-8所示：
图3-8
单闭环的仿真结果
双闭环仿真结果：
电流仿真值为61A
最大电流为1.5=91.5A
仿真值是105rad/s
双闭环的仿真结果如图3-9所示：
图3-9
双闭环仿真结果
3.2.2数学模型的仿真结果
开环、单闭环和双环的数学模型仿真结果如图3-10、3-11和3-12所示：
图3-10单环的数学模型仿真结果
图3-11单闭环的数学模型仿真结果
图3-12
双闭环的数学模型仿真结果
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，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
本次设计详细的介绍了双闭环直流调速系统的工作原理、参数选择和两个调节器的设计，通过这次的课程设计，使我对不可逆V-M双闭环直流调速系统有了更深的了解。
课本只是固然重要，但一个完整的方案设计，仅仅课本知识是不够的，同时也要参考课本知识，本次课设就使我认识到这一点。
另一方面，同学之间的合作和老师的指导也是很重要的，自己一人想的不够全面、仔细，同时工作量也大，和同学一起讨论会发现老多错误，使自己受益匪浅。
但是总体上说，通过这次的设计，我学到了许多，也收获了许多，我设计的可能还有很多的不足，但是我还是努力的完成了，这次的实训让我收获颇丰，在实践中认识知识中的真实的自己，我还有很多理论知识需要学习，还有很多钱欠缺的地方，我以后会更加努力，展望美好的未来。
参考文献
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机械工业出版社，20xx
[2]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，1998
[3]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，1991
[4]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
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