《电气传动与控制》课程设计指导书

《电气传动与控制》课程设计任务书南京工业大学自动化与电气工程学院2012-11-17《电气传动与控制》课程设计任务书课题：连轧机分部传动直流调速系统的设计一、连轧机原理冶金工业中，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1所示。

图1 连轧机的扎制原理和过程连续轧制的基本过程是物质流量的不变性，即S1v1=S2v2…=Snvn=常数，这里S1…Sn和v1…vn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在保证物质流量恒定的前提下承受咬刚和轧制时的冲击性负载，不同机架采用不同电动机实行部分传动，各机架轧辊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，必须对过渡过程时间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，本课题只考虑轧辊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不涉及。

二﹑原始条件考虑到课程设计的时间有限，本课题直接给出各部分电动机的额定参数作为设计条件，并做出若干假设，不再提及诸如轧制力，轧制转矩，轧辊直径等概念和参数，以便简化设计计算。

⒈电动机参数以十个机架为准，每个机架对应一台电动机，由此形成十个部分，各部分电动机参数集中列于表中，其中P n /kW 为额定功率﹑Un/V 为额定电压﹑In/A 为额 定电流﹑n n /(r/min)为额定转速﹑Ra/Ω 为电机内阻，GD a 2 / N.m 2为电动机飞轮力矩﹑P 为极对数﹑I fn /A 为额定励磁电流。

⒉若干假设①电枢回路总电阻为R ∑=2Ra,亦可按经验公式估算Ra=（21～32)2nnn n I P I U -。

②折合到电动机轴上的总飞轮力矩取为2∑GD =2.52a GD 。

三﹑技术指标① 稳态指标：无静差。

② 动态指标：电流超调量σi %≦5%；启动到额定转速时的转速超调量σn %≦5%(按退饱和方式计算)。

四﹑设计要求① 要求以转速﹑电流双闭环形式作为系统的控制方案。

② 要求主电路采用三相全控桥整流形式。

③ 要求系统具有过流，过压，过载和缺相能力。

④要求触发脉冲有故障封锁能力。

⑤要求写设计报告，将设计过程详细说明，设计报告包括：对课题涉及的理论基础与实际意义总结，写出文献综述；总体结构图，电路图；主电路设计计算；控制电路设计（双环设计过程）；控制结果的仿真。

五﹑设计安排由于整个系统多达十个部分，建议将每班同学分为两组，并给每组同学下达一个部分拖动系统的设计任务，以便能让学生在计划时间内按时完成。

附录：课程设计相关参考资料1. 整流变压器的计算与选择在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置间的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常均要配用整流变压器。

⑴ 整流变压器的电压 整流变压器的一次侧直接与电网相连，当一次侧绕组Y 接时，一次侧相电压U 1等于电网相电压；当一次绕组△接时，一次侧相电压U 1等于电网线电压。

整流变压器的二次侧相电压U 2与整流电路形式、电动机额定电压U n 、晶闸管装置压降、最小控制角αmin及电网电压波动系数ε 有关，可按下式近似计算U 2 = ABU Knzε （1）式中K Z 为安全系数，一般取为1.05～1.10左右。

⑵整流变压器的电流 整流变压器的二次侧相电流I 2和一次侧相电流I 1与整流电路的形式、负载性质和电动机额定电流I n 有关，可分别计算如下I 2 = K 2 I n （2）I 1 =UIU K 1221（3）⑶整流变压器的容量 整流变压器的二次侧容量S 2 、一次侧容量S 1 和平均计算容量S 可分别计算如下S 2 = m 2U 2I 2 （4）S 1 = m 1U 1I 1 （5） S =)(2121S S +（6）其中m 1 、 m 2分别为一次侧与二次侧绕组的相数。

2．整流元件的计算与选择正确选择晶闸管和整流管，能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。

选择整流元件主要是合理选择它的额定电压U Kn 和额定电流（通态平均电流）I T ，它们与整流电路形式、负载性质、整流电压及整流电流平均值、控制角α的大小等因素有关。

一般按α=0计算，且同一装置中的晶闸管和整流管的额定参数算法相同。

⑴整流元件的额定电压U Kn 整流元件的额定电压U Kn 与元件实际承受的最大峰值电压有关，即U Kn =（2～3）U m （7） 式中（2～3）为安全系数，要求可靠性高时取较大值。

U m =26U⑵整流元件的额定电流I T 整流元件的额定电流I T 最大负载电流I m 有关，即I T =（1.5～2.0）K fb I m （8）式中K fb 为计算参数，（1.5～2.0）为安全系数。

3．电抗器的计算与选择为了提高晶闸管装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性，通常需在直流侧串联带有空气隙的铁心电抗器，其主要参数为额定电流I n 和电感量L K⑴． 用于限制输出电流脉动的临界电感L m /mH L m =32102⨯ni d u I S f U S π （9）式中 S 1—为电流脉动系数，取5%～20%； S u —为电压脉动系数；f d —为输出脉动电流的基波频率，单位为H Z. S u 与f d 与电路形式有关。

⑵用于保证输出电流连续的临界电感L 1/mH L 1=min21I U K （10）式中 I min —要求的最小负载电流平均值，A; K 1—为计算系数。

⑶直流电动机的漏电感L a /mHL a =3102⨯Nn p n D I n n U K （11）式中 K D 为计算系数，对于一般无补偿绕组电动机，K D =8～12；对于快速无补偿绕组电动机，K D =5～6。

其余参数均为电机额定值。

⑷折合到整流变压器二次侧的每相漏电感L B /mHL B =nk B I u U K 100%2 （12）式中U K %—为变压器的短路比，一般取为5%； K B —为计算系数。

⑸实际应串入的平波电抗器L K / mHL K =max(L m ,L 1)-L a -2L B （13）式中max 表示取其中的最大值。

⑹电枢回路总电感L ∑= L K + L a +2 L B 4.电阻的计算⑴电动机电枢电阻 R a⑵整流变压器折合到二次侧的每相电阻R BR B =22max )1(92IS η- （14）式中max η为变压器的最大效率，一般取为95%。

⑶整流变压器漏抗引起的换向重叠压降所对应的电阻R hx对三相零式电路 R hx =3X B /2π （15）对三相桥式电路 R hx =3X B /π （16） 式中X B =2πf L B 。

⑷电枢回路总电阻R ∑= R a + R K + R hx +2R B （17） 式中, R K 为平波电抗器的电阻，可从电抗器产品手册中查得或实测。

5．时间常数的计算⑴电磁时间常数 T 1=L ∑/ R ∑ （18） ⑵机电时间常数 T m =me C C R GD 3752∑∑ （19）6. 保护元件的计算与选择⑴交流侧阻容过压保护① 交流侧过压保护电容（单位为F μ）的计算公式是 C ≥220%2US i （20）式中 S —整流变压器的平均计算容量，V ·A;i 0%—变压器励磁电流百分数，对于10～560kV ·A 的三相变压一般取i 0%=4～10。

电容C(单位为F μ)的交流耐压应大于或等于1.5U c ，U c 是阻容两端正常工作时的交流电压有效值。

② 交流侧过压保护电阻的计算公式是R ≥%%9.6022i u SU k （21）式中,u k %为变压器的短路比，对于10～1000kV ·A 的变压器，对应u k %=5～10。

电阻功率P 可在下式范围内选取（2～3）（2πf ）2K 1(CR)CU 22＜P R ＜(1～2)[（2πf ）2K 1(CR)+ K 2]CU 22（22） 式中： R 和C —为上述阻容计算值；f 和U —电源频率（H Z ）和变压器二次侧相电压（V ）;（2～3）和(1～2) —安全系数；K 1— 计算系数，对于单相K 1=1；对于三相K 1=3；K 2— 计算系数，对于单相K 2=200；对于三相半波：阻容△接法K 2=450；阻容Y 接法K 2=150; 对于三相桥式：阻容△接法K 2=900；阻容Y 接法K 2=300。

当CR ＜0.2ms 时，所选P R 值接近于上式之右方； 当CR ＞5 ms 时，所选P R 值接近于上式之左方；③不同接法下阻容的实际取值：⑵交流侧压敏电阻过压保护 单相电路用一只压敏电阻；三相电路用三只压敏电阻，可接成Y 形或△形。

① 压敏电阻的额定电阻 U 1mA U 1mA ≥9.08.0～mU ε （23）式中 U m —压敏电阻承受的额定电压峰值，V; ε—电网电压升高系数，取为1.05～1.10； 0.8～0.9—安全系数。

② 压敏电阻的通流容量I yI y ≥(20～50) I 2 （24）①③ 压敏电阻的残压（即限压值）U yU y ≥K y U 1mA （25）式中, K y 为残压比。

当I y ≤100A 时，K y =1.8～2；当I y ≥3kA 时，K y <3。

压敏电阻的残压U y 必须小于整流元件的耐压值。

⑶直流侧阻容和压敏电阻过压保护 可参照交流侧的计算方法进行计算。

⑷晶闸管元件过压保护①限制关断过电压的阻容RC 的经验公式C=(2～4) I T ×103- （26） R=10～30 （27） P R =RU m245.0 （28）式中C 的单位为μF ；R 的单位为Ω; P R 的单位为W. ② 阻容RC 的经验根据 ⑸晶闸管装置的过流保护① 直流侧快速熔断器熔体额定电流 IKRZ≤1.5I n（29）②交流侧快速熔断器熔体额定电流 IKRj ≤1.5I2（30）③晶闸管元件串联快速熔断器熔体额定电流 IK ≤ IKR≤1.57IT（31）④总电流快速熔断器熔体额定电流 IKRD ≤1.5I1（32）所有快速熔断器的额定电流均需大于其熔体额定电流；快速熔断器的额定电压均应大于线路正常工作电压的有效值。

⑤直流侧过流继电器动作电流小于或等于1.2In⑥交流侧过流继电器动作电流小于或等于（1.1～1.2）I2。

交直流侧的过流继电器额定电流均应大于或等于其动作电流，额定电压≥正常工作电压。

⒎．控制元件的计算与选择⑴总电源自动开关动作电流小于或等于1.2I1。