實訓報告-十機架連軋機分部傳動直流調(diào)速系統(tǒng)的設計

1、 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 實訓報告 題 目 十機架連軋機分部傳動直流調(diào)速系統(tǒng)的設計學生姓名 專業(yè)班級 學 號 系 （部） 電氣信息工程學院 指導教師(職稱) 講師 完成時間 實訓報告評語一、實訓期間個人表現(xiàn) 1.尊敬師長，團結(jié)他人，能吃苦耐勞。 2.在現(xiàn)場能堅持不遲到，不早退，勤奮學習。 3.出現(xiàn)少于3次遲到和早退現(xiàn)象，表現(xiàn)一般。 4.能主動向指導老師提問，能積極做好各項設計任務。 5.在實訓中能靈活運用相關專業(yè)知識，有較強的創(chuàng)新意識。二、實訓報告內(nèi)容完成質(zhì)量 1.能按時完成報告內(nèi)容等實訓成果資料，無任務遺漏。 2.能按時完成報告內(nèi)容等實訓成果資料，有少許

2、任務遺漏。 3.不能按時完成報告內(nèi)容等實訓成果資料，有多處任務遺漏。 4.條理清晰，書寫規(guī)范工整，圖文并茂，報告內(nèi)容全面，主要內(nèi)容闡述詳細，能體現(xiàn)實訓過程中做了大量工作，與專業(yè)相關知識能緊密聯(lián)系，認識體會深刻，起到了實訓的作用。 5.條理清晰，書寫規(guī)范工整，圖文并茂，報告內(nèi)容全面，主要內(nèi)容闡述詳細，能體現(xiàn)實訓過程中做了大量工作，與專業(yè)相關知識能較緊密聯(lián)系，認識體會較深刻，起到了實訓的作用。 6.條理清晰，書寫較規(guī)范工整，報告內(nèi)容全面，主要內(nèi)容闡述較詳細，能體現(xiàn)實訓工作過程，能與專業(yè)相關知識聯(lián)系起來，認識體會較深刻，起到了實訓的作用。 7.條理較清晰，書寫較規(guī)范工整，報告內(nèi)容較全面，主要內(nèi)容闡述

3、較詳細，能體現(xiàn)實訓過程中的相關工作，與專業(yè)相關知識不能緊密聯(lián)系，認識體會不太深刻，基本起到了實訓的作用。 8.內(nèi)容有雷同現(xiàn)象。三、成績不合格原因 1.實訓期間曠課超過3次。 2.報告有嚴重抄襲現(xiàn)象。 3.未同時上交實訓報告。 四、需要改進之處 1.進一步端正實訓態(tài)度。 2.加強報告書寫的規(guī)范化訓練，對主要內(nèi)容要加強理解。 3.加強相關專業(yè)知識的學習，深刻理解各設計步驟具體的要求。 五、其他說明等 級： 評閱人： 職稱： 講師 年 月 日摘 要在冶金工業(yè)中，軋制過程是金屬壓力加工的一個主要工藝過程，連軋是一種可以提高勞動生產(chǎn)率和軋制質(zhì)量的先進方法，連軋機制則是冶金行業(yè)的大型設備。其主要特點是被軋

4、金屬同時處于若干機架之中，并沿著同一方向進行軋制，最終形成一定的斷面形狀。每個機架的上下軋制共用一臺電動機實行集中拖動，不同機架采用不同電動機實行部分傳動，各機架軋之間的速度實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。本課題的十機架連軋機的每個機架對應一套直流調(diào)速系統(tǒng)，由此形成十個部分，我們選用的是Z271型號的電動機。電氣傳動又稱電力拖動，是以電動機作為原動機驅(qū)動生產(chǎn)機械的系統(tǒng)的總稱。它是為了合理地使用電動機，通過對電動機的控制，使被拖動的機械按照某種預定的要求運行。電氣傳動系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，用以實現(xiàn)生產(chǎn)機械的起動、停止、速度調(diào)節(jié)以及各種生產(chǎn)工藝過程的要求。電氣傳動系統(tǒng)由電動機、控制裝置以及被拖動的生產(chǎn)機械

5、所組成。其主要特點是功率范圍極大，單個設備的功率可從幾毫瓦到幾百兆瓦；調(diào)速范圍極寬，轉(zhuǎn)速從每分鐘幾轉(zhuǎn)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，在無變速機構(gòu)的情況下調(diào)速范圍可達1：10000；適用范圍極廣，可適用于任何工作環(huán)境與各種各樣的負載。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，而直流調(diào)速系統(tǒng)又分為開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速和雙閉環(huán)調(diào)速等調(diào)速方式。其中開環(huán)調(diào)速的靜差率不高，且只能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無極調(diào)速；而在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)時專門用來控制電流的，它不能很理想的控制電流的動態(tài)波形，但雙閉環(huán)控制可解決以上的所有問了題，故本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1 系統(tǒng)方案的選擇1.1調(diào)速方案的選擇調(diào)

6、速選澤包括以下幾種：直流電動機的選擇、電動機供電方案的選擇、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇、確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理框圖及仿真圖。1.2直流電動機的選擇根據(jù)任務的分配，我們組分的是第六臺機架連軋機，此機架連軋的電動機的型號是Z2-71，電動機的參數(shù)見表1-1：表1-1 電動機Z2-71的參數(shù)電機型號(KW)(V)(A)(r/min)()()P極對數(shù)Z2-71142306114500.89.811.3電動機供電方案的選擇常用的整流器主電路比較和常用整流電路的計算系數(shù)分別見表1-2和1-3。表1-2 常用的整流器主電路比較形式特點單相半空橋式單相全控橋式三相半波三相全控橋式雙反星形帶平衡電抗器三相半空橋式雙

7、三相橋帶平衡電抗器變壓器利用率較好（0.9）較好（0.9）差（0.74）好（0.95）一般（0.79）好（0.95）好（0.97）脈動情況一般（m=2）一般（m=2）一般(m=3)較?。╩=6）較小(m=6)較小(m=6)較小(m=12)器件利用率好（180）好（180）較好（120）較好（120）較好（120）較好（120）較好（120）直流磁化無無無無無無無波形畸變一般（0.9）一般（0.9）嚴重（0.827）較?。?.955）較?。?.955）較小（0.955）?。?.955）應用場合10k以下不可逆10kw以下可（不）逆50kw以下及電動機勵磁10200kw可（不）逆，應用范圍廣低壓大

8、 電流 不可逆四象限運行表1-3 常用整流電路的計算系數(shù)電路形式單相半空單相全控三相半波三相半空三相全控換相電抗壓降計算系數(shù)0.7070.7070.8660.50.5整流電壓計算系數(shù)0.90.91.172.342.34電壓計算系數(shù)Kut1.411.412.452.452.45電流計算系數(shù)KIT0.450.450.3670.3670.367二次相電流計算系數(shù)KIV110.5770.8160.816一次相電流計算系數(shù)KIL110.4720.8160.816視在功率計算系數(shù)KSI1.111.111.351.051.05漏抗計算系數(shù)KTL112.121.221.22漏抗折算系數(shù)KL01102電阻折算系

9、數(shù)KR11122通過以上數(shù)據(jù)分析可以知道選擇晶閘管三相全控橋式變流供電。1.4主電路結(jié)構(gòu)的選擇工業(yè)上，為了提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，充分利用晶閘管元件及電動機的過載能力，要求實現(xiàn)理想啟動，即要求在啟動過程中，是啟動電流一直保持最大允許值，此時，電動機以最帶轉(zhuǎn)矩啟動，轉(zhuǎn)速迅速以直線規(guī)律上升，以縮短啟動時間；啟動結(jié)束后，電流從最大值迅速下降為負載電流值且保持不變，轉(zhuǎn)速維持給定轉(zhuǎn)速不變，又因調(diào)速精度要求較高，故采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋調(diào)速系統(tǒng)。啟動時，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動電流一直保持最大允許值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán)其主要作用，使轉(zhuǎn)速

10、隨轉(zhuǎn)速給定器的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電動機的電樞電流以平衡負載電流。選擇的雙閉環(huán)的原理框圖為圖1-1：ASRACRMTGnUnUiUnUiUiUctUGTVTAnIndIL+-+-圖1-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2 硬件的設計2. 1整流變壓器的計算和選擇 2. 2.1整流元件的計算和選擇1）額定電壓的選擇，即:取,式中，為晶閘管的電壓計算系數(shù)；為整流變壓器二次相電壓。2）額定電流選擇，即:取,式中,為晶閘管電流計算系數(shù)；為整流變壓器二次側(cè)的額定電流。整流變壓器的參數(shù)計算應考慮的因素：1）最小延遲觸發(fā)角：一般可逆系統(tǒng)的取30到35，不可逆系統(tǒng)的取10到15。2）電網(wǎng)電壓波動：電網(wǎng)電壓

11、允許波動范圍為+5%到-10%，在電網(wǎng)電壓最低時仍能保證最大整流輸出電壓的要求，通常取電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。3）漏抗產(chǎn)生的換相壓降。4）晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航?。二次相電壓的計算如下?取U2=125V式中，為變壓器二次相電壓，單位為V；為電動機的額定電壓，單位為V；為整流電壓計算系數(shù)；b為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，一般取。 整流變壓器的電流計算如下：式中，為二次相電流計算系數(shù)；當整流器用于電樞供電時，一般??；為一次相電流計算系數(shù)；K為變壓器的電壓比。整流變壓器的容量計算如下：式中、分別為變壓器一次、二次繞組的相數(shù)，對于三相全控橋， ；、分別為變壓器一次、二次相電壓；、分別為一次、二次相電流。2.

12、2平波電抗器的計算與選擇由于一個整流電路中，通常包含有電動機電樞電抗、變壓器漏抗和外接電抗器的電抗三個部分，因此，首先應求出電動機電樞（或勵磁繞組）及整流變壓器的漏抗，再求出需要外接電抗器的電感值。1.用于限制輸出電流脈動的臨界電感/mH式中為臨界計算系數(shù)，三相全控橋為1.045；為電流最大允許脈動系數(shù)，三相電路；為整流變壓器二次相電壓，單位為V；為電動機最小工作電流，單位為A，取電動機額定電流的。用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感 /mH取= 25mH式中為臨界計算系數(shù)，三相全橋為0.693；為整流變壓器二次相電壓，單位為V；為電動機最小工作電流，單位為A，取電動機額定電流的。直流電動機的漏電感

13、/mH式中，為直流電動機的額定電壓，單位為V；為直流電動機的額定電流，單位為A；為直流電動機的額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min；p為直流電動機磁極對數(shù)；為計算系數(shù)，對于一般無補償繞組電動機，。 折合到整流變壓器二次側(cè)的每相漏電感/mH式中為計算系數(shù)，三相全橋取3.9，整流變壓器阻抗電壓百分比，一般?。粸檎髯儔浩鞫蜗嚯妷?，單位為V；為直流電動機的額定電流，單位為A。實際應串入的平波電抗器電感 /mH式中，N為系數(shù)，在三相橋路中取2，其余取1. 電樞回路總電感2.3電阻的計算電動機電樞電阻Ra：Ra=0.8電樞回路總電阻 始終為平波電抗器的電阻，可從電抗器產(chǎn)品手冊中查得或?qū)崪y。2.4電流環(huán)的設計和校

14、驗2.4.1電流環(huán)的設計三相電橋的平均失控時間=0.0017s,電流濾波時間， 確定將電流環(huán)設計成何種典型系統(tǒng)。根據(jù)設計要求：，而且因此，電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)設計。電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。ACR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ACR參數(shù)選擇如下：電流開環(huán)增益：因要求，故應取，因此于是，ACR的比列系數(shù)為4）因為 且有電機參數(shù)可知： = 所以 即給定值為 2.4.2電流環(huán)的校驗 1）校驗近似條件 電流環(huán)截至頻率為：校驗整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足，因為所以滿足近似條件。校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足因為所以滿足近似條件。校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件因為所以滿足近

15、似條件。2.5轉(zhuǎn)速環(huán)的設計和校驗2.5.1轉(zhuǎn)速環(huán)的設計1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為 2=0.0074s，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s2)確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設計成何種典型系統(tǒng)。由于設計要求轉(zhuǎn)速環(huán)無靜差，ASR必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設計要求：應按典型型系統(tǒng)設計轉(zhuǎn)速環(huán)。3)ASR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。ASR選用PI調(diào)節(jié)器 ,其傳遞函數(shù)為 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)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(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 電流反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：ASR的比例系數(shù)為：2.5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的校驗1)檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時

16、間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件。3系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真3.1系統(tǒng)的仿真模型開環(huán)和單閉環(huán)直流系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)設計的要求搭建物理模型，以下是本設計所需要的模型，電機兩端所加的電壓為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12mH,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，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖3-1所示： 圖3-1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 對于單閉環(huán)來說，仿真是為了與雙閉環(huán)進行比較，看哪個快速性好，對負載的擾動，單閉環(huán)的給定值是105rad/s,幅值是107，電機電阻0.8，限幅是80 0，按照所給的值進行仿真。單閉環(huán)的仿真模型如圖3-2所

17、示：圖3-2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 3.2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，因為在本次設計中單片機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)設置參考課本第二章的各個部分的數(shù)值，本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真Start time設為0，Stop time設2.5。 經(jīng)所給數(shù)據(jù)的計算可知：電流環(huán)ACR的參數(shù)值分別為： 經(jīng)仿真調(diào)試設定限幅值為【170 -180】,給定信號為105rad/s 轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的參數(shù)設定為：，限幅值為【12 -20】 平波電抗器的值為12.5

18、mH。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖3-3所示：圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型3.2系統(tǒng)的數(shù)學模型開環(huán)的數(shù)學模型如圖3-4所示：圖3-4 開環(huán)數(shù)學模型單閉環(huán)數(shù)學模型如圖3-5所示：圖3-5 單閉環(huán)數(shù)學模型雙閉環(huán)數(shù)學模型如圖3-6所示：圖3-6 雙閉環(huán)數(shù)學模型3.2 系統(tǒng)仿真的輸出及結(jié)果分析物理模型的仿真結(jié)果開環(huán)的仿真結(jié)果如圖3-7所示：圖3-7開環(huán)仿真結(jié)果單閉環(huán)的仿真結(jié)果如圖3-8所示：圖3-8 單閉環(huán)的仿真結(jié)果雙閉環(huán)仿真結(jié)果：電流仿真值為61A 最大電流為1.5=91.5A 仿真值是105rad/s 雙閉環(huán)的仿真結(jié)果如圖3-9所示：圖3-9 雙閉環(huán)仿真結(jié)果數(shù)學模型的仿真結(jié)果開環(huán)、單閉環(huán)和雙環(huán)的數(shù)學模型仿真結(jié)果如圖3-10、3-11和3-12所示：圖3-10單環(huán)的數(shù)學模型仿真結(jié)果圖3-11單閉環(huán)的數(shù)學模型仿真結(jié)果圖3-12 雙閉環(huán)的數(shù)學模型仿真結(jié)果經(jīng)仿真可知：所需的啟動電流最大值為： 所仿真的轉(zhuǎn)速能達到額定值，穩(wěn)定后能達到電動機的額定電流61A.通過開環(huán)、單閉環(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)于單閉環(huán)，因為雙閉環(huán)多加了電流環(huán)，使其快速性增加，抗擾動能力增強從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。啟動過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，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升，接近其最大