燕山大学2030五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告

时间：2021-03-22 18:01:52 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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燕山大学2030五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告 本文简介：燕山大学课程设计说明书2030五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告学院：机械工程学院班级：组员：指导教师：谢红飙张立刚燕山大学专业综合训练（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：冶金系小组成员设计题目2030五机架冷连轧机组压下规程设计及F1机座机架设计与分析设计技术参数1、原料：1.

燕山大学2030五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告 本文内容：

燕山大学课程设计说明书

2030五机架冷连轧机压下规程及机架设计项目报告

学

院：机械工程学院

班

级：

组

员：

指导教师：谢红飙

张立刚

燕山大学专业综合训练（论文）任务书

院（系）：

机械工程学院

基层教学单位：冶金系

小组成员

设计题目

2030五机架冷连轧机组压下规程设计及F1机座机架设计与分析

设

计

技

术

参

数

1、原料：

1.0mm—2.5mm×1850mm；产品：0.2—0.5mm×1850；

材质：Q235、Q195、合金钢（20Cr）

2、轧制速度v=13m/s;

3、开卷机最大张力10吨，卷取机最大张力25吨

设

计

要

求

1、制定轧制规程：计算道次压下量，压下率，轧制力，轧制力矩；

2、根据要求画机架三维图，并对机架进行有限元分析；

3、给出机架的工程图

4、完成一份不少于5000字的说明书

工

作

量

1、完成工程图至少1张；

2、完成设计计算说明书包括有限元分析报告；

3、查阅文献5篇以上。

工

作

计

划

1、12.2

准备参考资料；

2、12.3～12.15

计算；画草图；

3、12.16

中期检查；

4、12.17～12.25

画三维图，出工程图，分析，写说明书；

5、12.26、27

考核答辩；

参

考

资

料

1、王海文主编

《轧钢机械设计》

机械工业出版社

1986.6

2、王廷溥主编

《金属塑性加工学》

冶金工业出版社

1988.5

3、《机械设计手册》

机械工业出版社

2002.

4、曹鸿德

主编《塑性变形力学基础与轧制原理》

机械工业出版社

5、刘相华等著《轧制参数计算模型及其应用》

化学工业出版社

2007

指导教师

张立刚、谢红飙

基层教学单位主任

（签字）

目录

一、前言……………………………………………………………………….4

二、原料及成品尺寸……………………………………………………….…4

三、轧辊尺寸的预设定…………………………………………………….…4

四、压下规程制定……………………………………………………….……5

4.1、压下规程制定的原则及要求……………………………………….……….5

4.2、压下规程预设定.………………………………………………………….5

五、轧制力能参数计算……………………………………………….………7

5.1确定变形抗力……………………………………………………………….7

5.2确定前后张力…………………………………………….…………….….8

5.3单位平均压力及轧制力的计算………………………….…………………9

5.4轧制力矩的计算……………………………………………………………11

六、机架参数的设计…………………………………………………………13

6.1窗口宽度的计算……………………………………………………………13

6.2机架窗口高度H……………………………………………………………13

6.3机架立柱的断面尺寸…………………………….…………………………13

七、机架强度和刚度的校核…………………………………………………15

八、心得体会…………………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………………19

一、

前言

冷轧方法生产带钢相对于热轧方法有许多优点，例如：带钢的板厚和板形精度高，表面质量好，力学性能好等，冷轧带钢比热轧带钢的用途更为广泛。冷轧带钢生产的带钢的厚度范围为0.01～3.5mm，最薄可达到0.001mm。带钢生产的轧机机型主要有两种：连续式带钢冷轧机和可逆式带钢冷轧机。本设计题目为2030五机架冷连轧机，主要针对不同的材质及不同的原料厚度和不同的成品厚度制定相应的压下规程及进行机架的参数的设计计算及校核。

二、

原料及成品尺寸

Q235

来料尺寸1.5mm×1850mm

成品尺寸0.5mm×1850mm

Q195

来料尺寸1.0mm×1850mm

成品尺寸0.3mm×1850mm

20Cr

来料尺寸1.2mm×1850mm

成品尺寸0.4mm×1850mm

三、轧辊尺寸的设定

设计课题为“2030五机架冷连轧机组压下规程设计及F1机座机架设计与分析”，则工作辊的辊身长度

L=2030mm，辊身长度确定后即可根据经验比例值法确定轧辊直径，精轧机座设计时

其中L为辊身长度，为工作辊直径，为支承辊直径。

取L/D1=2.6

D2/D1=2.7

圆整可取D1=780

D2=2110

四、压下规程制定

4.1、压下规程制定的原则及要求

压下规程设计的主要任务是确定由一定来料厚度的板坯经过几个道次后轧制成为用户所需求的，满足用户要求的板带产品。在此过程中确定所需采用的轧制方法，轧制道次及每个道次压下量的大小，在操作上就是要确定各道次辊缝的位置和转速。因此，还要涉及到各道次的轧制速度，轧制温度，前后张力及道次压下量的合理分配。在此过程中，主要考虑设备能力和产品质量，设备能力主要包括咬入条件，轧辊强度和电机功率三个要素，而产品质量主要包括几何精度和力学性能。

压下规程制定的原则：在保证产品质量的前提下，充分发挥轧机的设备生产能力，达到优质高产。

压下规程制定的方法及步骤如下：

1）为提高热轧带钢的几何尺寸精度和表面质量，最后一架机座的相对压下量要取得比较小，一般取10%——15%。

2）为保证金相组织和力学性能，要保证终轧温度。

3）负荷的合理分配是制定精轧机组压下规程的关键，它直接影响到生产的稳定性和产品的产量和质量。分配方法有：对数伸长率法，能耗曲线法，按最大生产率或最佳质量的目标函数优化法，动态规划法，专家系统分配法。

制定精轧机组压下规程除合理的分配各工作机座的压下量外，还需要给出各机座的速度分配和计算各机座的温度变化。

4.2、压下规程预设定

ε==

ε：压下率

：轧前厚度

mm

：轧后厚度

mm

:

绝对压下量

mm

五机架冷连轧机组的道次压下率分配参考分配比表

机架号

1

2

3

4

5

参考分配比（%）

32

26

20

14

8

根据上表初步制定压下规程：

表1

Q235压下规程设计

道次

0

1

2

3

4

5

压下量△h

单位mm

0.37

0.29

0.205

0.095

0.04

出口厚度h

单位mm

1.5

1.13

0.84

0.635

0.54

0.5

压下率ε

24.70%

25.70%

24.40%

15.00%

7.40%

表2

Q195压下规程设计

道次

0

1

2

3

4

5

压下量△h

单位mm

0.27

0.21

0.13

0.06

0.03

出口厚度h

单位mm

1.0

0.73

0.52

0.39

0.33

0.3

压下率ε

27.00%

28.77%

25.00%

15.38%

9.09%

表3

20Cr压下规程设计

道次

0

1

2

3

4

5

压下量△h

单位mm

0.

3

0.23

0.17

0.07

0.03

出口厚度h

单位mm

1.2

0.9

0.67

0.50

0.43

0.4

压下率ε

25.00%

25.56%

25.37%

14.00%

6.98%

五、轧制力能参数计算

5.1确定变形抗力

经过查阅资料，可以得到计算冷轧过程中Q235、Q195、20Cr的变形抗力公式。

对于Q235变形抗力计算公式为：

对于Q195变形抗力计算公式为：

对于20Cr变形抗力计算公式为：

经过计算可以得到各道次三种材料的变形抗力如表4：

表4

变形抗力表（单位Mpa）

第一道次

第二道次

第三道次

第四道次

第五道次

Q235

394.952

399.990

393.428

342.287

294.307

Q195

324.299

328.394

319.411

290.617

263.286

20Cr

580.911

584.240

583.153

499.618

416.864

5.2确定前后张力

采用较大的轧制张力是冷轧带钢的特点之一，采用张力轧制的优点如下：（1）张力的拉伸作用会改变轧制时金属的应力状态，有利于金属的塑形变形，降低变形抗力；（2）张力有利于减少轧件厚度，控制张力可以在一定范围内控制带钢厚度；（3）张力在一定程度上改善半板形；（4）张力轧制可以防止带钢在轧制过程中跑偏；（5）张力卷曲可以使带卷卷的更紧密、整齐。

轧制张应力大小在不超过屈服极限的范围内选择，一般取（0.1～0.6）σs。轧制带材越薄，变形抗力越大，张应力应取较大值。但成品道次考虑到断带和罩式退火炉的粘卷问题，张应力不能取较大值，一般取50MPa。具体三种材料的张力数值见表5。

表5

各道次的张力数值（单位t，前张力T1，后张力T0）

第一道次

第二道次

第三道次

第四道次

第五道次

T0

T1

T0

T1

T0

T1

T0

T1

T0

T1

Q235

5

10

10

15

15

18

18

17

17

16

Q195

5

15

15

22

22

20

20

17

17

15

20Cr

5

10

10

15

15

18

18

17

17

16

所确定数值均满足设计要求，即开卷机最大张力10吨，卷取机最大张力25吨。

5.3单位平均压力及轧制力的计算

斯通在研究冷轧薄板的平均单位压力计算问题时，考虑到轧辊直径与板厚之比甚大，另外，由于冷轧时轧制压力较大，轧辊发生显著地弹性压扁现象，近似的将薄板的冷轧过程看作为平行平板间的压缩。

斯通公式：

公式中的l值，应以考虑轧辊弹性压缩的变形区长度l

带入。

（赫希柯克公式）

式中，x0为在载荷不变的情况下轧辊间直接接触时的接触宽度的一半。

L和l

需要进行不断地迭代计算，直到计算出的与上次计算出的之间的误差不超过0.001。进行人工迭代计算繁琐且易出错，所以采取编程计算得方法。

编程时使用Visual

Basic进行，具体代码为：

Dim

r#,h1#,h2#,l#,k2#,o#,x#,p0#,p1#

r

=

Val(Text1.Text)

轧辊半径

h1

=

Val(Text2.Text)

压下量

h2

=

Val(Text3.Text)

平均厚度

l

=

Val(Text4.Text)

变形区长度

k2

=

Val(Text5.Text)

变形抗力2k

o

=

Val(Text6.Text)

平均水平法应力

Do

n

=

n

+

1

p

=

(k2

-

o)

((Exp(0.05

l

/

h2)

-

1)

/

(0.05

l

/

h2))

斯通公式

x

=

8

r

p

1.58

10

^

-6

赫希柯克公式中x的求法

p0

=

p

l

900

/

1000000

p1

=

p0

l

=

Sqr(r

h1

+

x

^

2)

+

x

p0

=

p

l

900

/

1000000

Loop

Until

Abs(p1

-

p0)

/

p0

T0时，；当T1T0时，；当T1

具体的计算数值见表6。

表6

各道次的轧制力矩（单位N*m）

第一道次

第二道次

第三道次

第四道次

第五道次

Q235

37797.88

31729.33

22264.25

7022.478

1647.066

Q195

22410.11

15674.08

6115.12

3030.28

1300.22

20Cr

60901.21

52518.63

43499.79

10984.10

2765.83

六、机架参数的设计

轧钢机机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承座及轧辊调整装置等都安装在机架上。机架要承受轧制力，必须有足够的强度和刚度。根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度，主要用于轧制力比较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等，在换辊时轧辊延其轴线方向从机架窗口中抽出或装入，一般都设有专用的换辊装置。开式机架由机架本体和上盖两部分组成，主要用在横列式型钢轧机上，主要优点是换辊方便。综上所述，本设计采用闭式机架。

机架的主要结构参数包括窗口宽度、窗口高度和机架立柱的断面尺寸

6.1窗口宽度的计算

四辊轧机机架窗口宽度一般为支承辊直径的1.15～1.30倍。为换辊方便换辊侧的机架窗口应比传动侧窗口宽5～10mm，本次设计选取窗口宽度B=2532mm。

6.2机架窗口高度H

对于四辊液压压下轧机，可取H=（4.0～4.2）×（D1+D2）

故取H=9248

式中D1、D2——工作辊、支承辊直径，mm。

6.3机架立柱的断面尺寸

机架立柱的断面尺寸是根据强度条件确定的。由于作用于轧辊辊颈和机架立柱上的力相同，而辊颈强度近似地与其直径平方()成正比，故机架立柱的断面积()与轧辊辊颈（对于四辊轧机则是支承辊辊颈）的直径平方()有关。在设计时，可根据比值(F/d2)的经验数据确定机架立柱断面积，再进行机架强度验算。根据轧辊材料和轧钢机类型，比值F/d2=1.0～1.2，可取F=1562500mm2。

取机架立柱的断面形状:a、方形断面b、长方形断面、c、工字形断面d、T字形断面。查手册可知一般四辊轧机选择正方形断面。故可得到断面边长为a=1250mm。

其余尺寸根据老师给定的参考图以及手册中相关轧机机架的数据试给定，可以设计得到机架，具体二维工程图见附图，三维图如下图所示：

七、

机架强度和刚度的校核

由于机架式轧机中最贵重和最重要的零件，必须具较大的强度储备。一般机架的系数不小于10，对于ZG270-500来说，横梁的许用应力小于50～70MPa，立柱的许用应力应小于40～50MPa。此外，对于冷轧钢板轧机，机架的允许变形为0.4～0.5mm。

由于机架的重要性及其结构复杂，在设计时采用了弹性力学有限单元法来进行计算。用这种方法进行计算，不但计算结果精确，还可以求出机架完整的应力场及应变场。为获得合理的结构参数，以保证应力均匀，变形最小，还可以对机架圆角等处进行最优化设计。

有限单元法是根据变分原理（或虚功原理）求解数学、物理问题的一种数值解法。一般可将机架简化为二维应力分析和三维应力分析问题，将弹性连续体（机架）离散为有限个单元组成的集合体。

本次采用ansys软件进行机架受力及变形的分析。具体的分析结果如下：

首先先简化结构，并且取机架的一半进行分析，如图划分单元网格：

给机架施加载荷和位移约束，计算，可以得到y方向的变形如下图：

横梁部分的米塞斯应力云图为：

立柱部分米塞斯应力云图为：

由上述分析结果可知，横梁处的最大等效应力为20.53MPa，小于等于50MPa，强度条件符合要求；立柱除的最大等效应力为5.12MPa，强度条件符合要求；机架的弹性变形量为0.317×10-3mm，在允许变形范围之内。综上所述，本次设计完成的机架强度、变形完全符合要求，可以应用。

八、心得体会

经历了将近一个月的课程设计，使我们学会了很多东西，认识到了团队合作的重要性。由于有上次进行辊系设计的经验，我们从一开始就能很好的进行设计日程的安排。

在进行轧制力计算得时候，由于变形抗力的大小需要查表，这为以后的调试工作增加了很大的困难，为了更加精确和简化后续工作，我们没有采取图表的方法查取变形抗力，而是利用各种参考书等工具查取各种材料的变形抗力的回归模型。虽然在查取回归模型的时候浪费了一些时间，但是这样使以后的调试工作变得极其简便。在计算平均单位压力的时候，由于需要不断地进行迭代计算，这就使手工计算变得极其繁琐，为了简化工作，我们采用了编程的方式，并且将编程和excel表格结合起来，使迭代计算求解变得极其简便。

在整个设计的过程中，我们力争做到每一个数据都有可靠地来源，不断地翻阅参考资料，渐渐地培养了我们查阅资料的能力。在计算结束后采用等功率原则对不合理的规程进行了调试。

在后期画图的过程中，我们虽然有老师给的例图，但是有很多不理解的地方，但是经过思考，寻味老师以及网上查阅，又学到了很多的知识。

通过这次课程设计，使我明白了很多，以前学到的知识也进行了巩固，尤其是用vb语言进行编程的时候，终于在实践中的到了具体的应用。也认识到自己以前学到的知识在实践中有很多的不足，知道了以后具体的努力方向。

最后，衷心的感谢每一位指导老师，有了他们的细心指导，才有我们最后的成果，谢谢老师。

参考文献

1、许石民,孙登月主编.板带材生产工艺及设备.冶金工业出版社

2、邹家祥主编,轧钢机械.冶金工业出版社

3、王海文主编.轧钢机械设计.冶金工业出版社

4、轧机轴承

5、曹鸿德主编,塑性变形力学基础与轧制原理.机械工业出版社

6、刘相华著,轧制参数计算模型及其应用.机械工业出版社

7、罗朝胜主编.visual

basic

6.0

程序设计实用教程.清华大学出版社

8、张文志主编.机械结构有限元分析.哈尔滨工业大学出版社

9、王廷溥主编.金属塑性加工学.冶金工业出版社

10、机械设计手册.机械工业出版社

11、邵晓荣,张艳主编.互换性与测量技术基础.中国标准出版社

20

篇2：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 本文关键词：轧机，机架，调速，分部，传动

实训报告--十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计 本文简介：HENANINSTITUTEOFENGINEERING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

实训报告--十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计 本文内容：

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)

器件利用率

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，充分利用晶闸管元件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

硬件的设计

2.

1整流变压器的计算和选择

2.

2.1整流元件的计算和选择

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）校验近似条件

电流环截至频率为：

校验整流装置传递函数的近似条件是否满足，因为

所以满足近似条件。

校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足

因为

所以满足近似条件。

校验小时间常数的近似处理是否满足条件

因为

所以满足近似条件。

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)检验近似条件

转速环截止频率为

电流环传递函数简化条件为，满足条件。

转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。

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件，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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[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