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1、摘 要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广本文所论述的是转速、电流双闭环直流调速系统设计。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功
2、能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。关键词：双闭环调速系统，转速调节器，电流调节器目录一、课程设计的任务（十机架连轧分部传动直流调速系统的设计）1（一）、连轧机原理1（二）、基本参数2(1)、电动机参数2（三）、设计指标2（四）设计要求7二、系统方案选择和总体结构设计8（一）、调速方案的选择8(1)、电动机供电方案的选择8(2)、调速系统方案的选择9（二）、总体结构设计10三、主电路的设计与参数计算11（一）整流变压器的设计11（1）、变压器二次侧电压U2的计算12（2）、一次、二次相电流I1、I2的计算12（3）、
3、变压器容量的计算12（二）、晶闸管元件的选择13（1）、晶闸管的额定电流13（2）、晶闸管的额定电压13（三）、晶闸管保护环节的计算14（1）、过电压保护14（2）、过电流保护15（四）、平波电抗器的计算15（五）、励磁电路元件的选择16（六）、继电器-接触器控制电路设计17四、触发电路选择19五、晶闸管双闭环直流调速系统的设计与选择18（一）、电流调节器的设计和校验19（二）、转速调节器的设计和校验21六、控制电路的设计与计算23（一）、给定环节的选择23（二）、控制电路的直流电源23（三）、反馈电路参数的选择与计算24七、直流调速系统电气原理总图及仿真图25致谢28参考文献29一、课程设计
4、的任务（十机架连轧分部传动直流调速系统的设计）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，而连轧则是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的先进方法。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。其轧制原理和过程如图3-1所示。连续轧制的基本条件是物质流量的不变性，即S1v1=S2v2=Snvn=常数，这里S1Sn和v1vn分别为被轧金属的横断面积和线速度。而连轧机的电气传动则应在保证物质流量恒定的前提下承受咬钢和轧制时的冲击性负载，实现机架的各部分控制和协调控制。每个机架的上下轧锟公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，
5、各机架轧锟之间的速度则按物质流量恒定原理用速度链实现协调控制物质流量不变的要求应在稳态和过渡过程中都得到满足，因此，必须对过渡过程实践和超调量都提出相应的限制。连轧机的完整控制包括许多方面，本课题只考虑轧锟拖动的基本控制即调速问题，并以十机架轧机为例，至于张力卷取问题等将不涉及。（二）、基本参数考虑到课程设计的实践有限，本课题直接给出各部分电动机的额定参数作为设计条件，不再提及诸如轧制力、轧制转矩、轧锟直径等概念和参数，以便简化设计计算。(1)、电动机参数以十机架为准，每个机架对应一台电动机，由此形成10个部分，各部分电动机参数集中列表3-1中，其中Pn(kW)为额定功率、Un(V)为额定电压
6、、In（A）为额定电流、nn(r/min)为额定转速、Ra()为电动机内阻、GDa(Nm)为电动机飞轮力矩、P为极对数。Ifn(A)为额定励磁电流。表3-1 各部分电动机额定参数机架序号电动机型号Pn/KwUn/VIn/Ana/(r/min)Ra/Ifn/AGda/NmP/对1Z2-926723029114500.24.9868.612Z2-914823020914500.33.7758.0213Z2-823523015214500.42.6731.3614Z2-812623011314500.52.76527.4415Z2-721923082.5514500.73.0511.7616Z2-7
7、1142306114500.82.179.817Z2-621123047.814500.90.9566.3918Z2-618.523037145011.145.4919Z2-52623026.114501.11.113.92110Z2-514.223018.2514501.21.0453.431（三）、设计指标 稳态指标：无静差。 动态指标：电流超调量i5%；启动到额定转速时的转速超调量n5%（按退饱和式计算）（四）设计要求 要求以转速、电流双闭环形式作为系统的控制方案。 要求主电路采用三相全桥整流形式。 要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 要求触发脉冲有故障封锁能力。 要求对1号机架拖
8、动系统设置给定积分器，其他机架拖动系统设置给定速度链，以实现速度协调控制。二 系统方案选择和总体结构设计（一）、调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-62型，其具体参数如下表2-1所示表2-1 Z2-62型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-524.223018.2514501.23.431（1）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
9、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的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，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Ud。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
10、，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。（2）调速系统方案的选择由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减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，主变压器应采用D/Y联结。因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流
11、保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节。直流调速系统框图如图1所示。（二）、总体结构设计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
12、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
13、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。直流调速系统的框图如图4-1所示： 图4-1 直流双闭环调速系统结构图三、主电路设计与参数计算（一）整流变压器的设计（1）、变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数，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 -整流电路输出电压最大值； -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；-变压器的短路比，对10100KVA， =0.050.1；/-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在
14、要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （3-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即A=/；B-延迟角为时输出电压Ud与之比，即B=/；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (3-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取=122V。电压比K=/=380/122=3.11。（2）、 一次、二次相电流I1、I2的计算表5-1 整流变压器的计算系数（电感负载）计算系数单相全孔桥三相可靠半波三相全控桥三相半控桥A=Udo/U20.91.172.342.34B=Ud/Udocosmincosmincosmin(1+cosmin)/2
