直流電動機調速系統(tǒng)的設計

1、 黎松課程設計一 直流電動機調速系統(tǒng)的設計1 引 言在電機的發(fā)展史上，直流電動機有著光輝的歷史和經歷，皮克西、西門子、格拉姆、愛迪生、戈登等世界上著名的科學家都為直流電機的發(fā)展和生存作出了極其巨大的貢獻，這些直流電機的鼻祖中尤其是以發(fā)明擅長的發(fā)明大王愛迪生卻只對直流電機感興趣，現而今直流電機仍然成為人類生存和發(fā)展極其重要的一部分，因而有必要說明對直流電機的研究很有必要。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日

2、新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月

3、異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。本設計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由集成電路實現，系統(tǒng)中有速度調節(jié)器、電流調節(jié)器、觸發(fā)器和電流自適應調節(jié)器等。 232 系統(tǒng)方案選擇和總體結構設計2.1調速方案的選擇本次設計選用的電動機型號Z2-71型，其具體參數如下表2-1所示表2-1 Z2-51型電動機具體參數電動機型號PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P極對數Z2-71142306

4、114500.89.812.1.1電動機供電方案的選擇變壓器調速是直流調速系統(tǒng)用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。旋轉變流機組簡稱G-M系統(tǒng)，適用于調速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實現平滑調速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據本此設計的技術要求和特點選V-M系統(tǒng)。在V-M系統(tǒng)中，調節(jié)器給

5、定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。2.1.2調速系統(tǒng)方案的選擇 計算電動機電動勢系數：由 v min/r,當電流連續(xù)時， 系

6、統(tǒng)額定速降為: r/min, .開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率:，大大超過了S5%.若D=10，S5%.，則，可知開環(huán)調速系統(tǒng)的額定速降是780.8，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調速系統(tǒng)無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)。因調速要求較高，故選用轉速負反饋調速系統(tǒng)，采用電流截止負反饋進行限流保護，出現故障電流時由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器。該系統(tǒng)采用減壓調速方案，故勵磁應保持恒定。采用三相全控橋式整流電路供電。2.2總體結構設計采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許

7、過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉

8、速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。直流調速系統(tǒng)的框圖如圖2-1所示： 圖2-1 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖3主電路設計與參數計算電動機的額定電壓為230V，為保證供電質量，應采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯結。3.1整流變壓器的設計3.1.1變壓器二次側電壓U2的計算U2是一個重要的參數，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會

9、造成延遲角加大，功率因數變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： （3-1） 式中 -整流電路輸出電壓最大值；nUT -主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；C - 線路接線方式系數；Ush -變壓器的短路比，對10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-變壓器二次實際工作電流與額定之比，應取最大值。在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： （3-2）式中A-理想情況下，=0°時整流電壓與二次電壓之比, 即A=/；B-延遲角為時輸出電壓與之比，即B= /；電網波動系數；(11.2)考慮各種因數的安全系數；根據設計要求，采用公式： 8 (3-3

10、)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取U2=120V。電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。3.1.2 一次、二次相電流I1、I2的計算由表查得 =0.816, =0.816考慮變壓器勵磁電流得： 3.1.3變壓器容量的計算 （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中-一次側與二次側繞組的相數；由表查得=3×380×16.49=18.799 KVA=3×120×49.776=17.919 KVA =1/2（18.799+17.919）=18.395 KVA 取S=18.4 KVA3.2

11、晶閘管元件的選擇3.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得，則 （3-7）取V.3.2.2 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值 ，即 =1.57> 或 >=K （3-8）考慮（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-電流計算系數。此外，還需注意以下幾點：當周圍環(huán)境溫度超過+40時，應降低元件的額定電流值。當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定

12、電流值。關鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。由表查得 K=0.367，考慮(1.52)倍的裕量 （3-10） 取。故選晶閘管的型號為KP20-7。3.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。3.3.1過電壓保護以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護1）阻容保護 即在變壓器二次側并聯電阻R和電容C進行保護。本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=18.4KVA, =120V取

13、值：當 S=50100KVA時，對應的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×18.4×103/1202=23µF耐壓1.5Um =1.5×120×=254.6V選取10µF,耐壓300V的鋁電解電容器。 選取: S=18.4KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.3×1202/18.4×103=34.48取 R=35IC=2fCUC×10-6=2×50×10×120×10-6=0.376 APR(3-4)IC2R

14、=(34) ×0.3762×35=（14.8419.79）W選取電阻為2.2，20W的金屬膜電阻。2）壓敏電阻的計算=1.3××120=220.6V流通量取5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10）作交流側浪涌過電壓保護。（2）直流側過電壓保護直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2) ×230=414460V 選MY31-660/5型壓敏電阻(允許偏差+10)

15、作直流側過壓保護。（3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 查下表：表3-1 阻容保護的數值一般根據經驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5µF，R=10，電容耐壓1.5=1.5×=1.5××120=441V選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質電容器, 耐壓為450V。=50×0.15

16、×=0.324W 選R為80，1W的普通金屬膜電阻器。3.3.2 過電流保護快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯。 （1） 晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值=120.7 A選取RLS-150快速熔斷器，熔體額定電流150A。（2）過電流繼電器的選擇因為負載電流為209A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25A260A3.4平波電抗器的計算為了使直流負載得到平滑的直流電流，

17、通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數計算主要是電感量的計算。（1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計算，單位mH。 （3-11）式中為與整流電路形式有關的系數，可由表查得；為最小負載電流，常取電動機額定電流的510計算。根據本電路形式查得=0.695所以=7.98mH （2）限制輸出電流脈動的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過

18、熱。因此，應在直流側串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計算 （3-12）式中系數，與整流電路形式有關，電流最大允許脈動系數，通常三相電路（510）。根據本電路形式查得=1.045, 所以=6mH （3）電動機電感量和變壓器漏電感量電動機電感量（單位為mH）可按下式計算 （3-13）式中,n直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入；P電動機的磁極對數；計算系數。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。本設計中取=8、=230V、=209A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 變壓器漏電感量（單位為mH）

19、可按下式計算 （3-14）式中計算系數，查表可得變壓器的短路比，取3。本設計中取=3.9、=3所以 =3.9×3×120/（100×209）=0.067mH （4）實際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量： 如上述條件均需滿足時，應取作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=60 mH作為平波電抗器的電感值。3.5勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取700V。額定電流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)×0.367×1.2A=0.60.88A 可選用ZP型3A、700V的二極管

20、。為與電動機配套的磁場變阻器，用來調節(jié)勵磁電流。為實現弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器 ，動作電流通過 調整。根據額定勵磁電流Iex =1.2A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。 圖31主電路圖電路 4 觸發(fā)電路選擇選用集成六脈沖觸發(fā)器電路模塊，其電路如電氣原理總圖所示。 從產品目錄中查得晶閘管KP20-7的觸發(fā)電流為(5100)mA觸發(fā)電壓3.5V。由已知條件可以計算出 ，觸發(fā)器選用15V電源，則：Ks=15。因為，3.5V，所以觸發(fā)變壓器的匝數比為取14:1。設觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為100mA，則脈沖變壓器的一次側電流只需大于100/14=7.14m

21、A即可。這里選用3DG12B NPN管作為脈沖功率放大管，其極限參數.觸發(fā)電路需要三個互差120°，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯成DY型。同步電壓二次側取30V，一次側直接與電網連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。 觸發(fā)器的電路圖如下圖41所示：圖41集成六脈沖觸發(fā)電路5 雙閉環(huán)的動態(tài)設計和校驗5.1電流調節(jié)器的設計和校驗（1）確定時間常數在三相橋式全控電路有：已知，所以電流環(huán)小時間常數=0.0017+0.002=0.0037S。（2）選擇電流調節(jié)器的結構因為電流超調量，并保

22、證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調節(jié)器 。 電流調機器的比例系數 電流調節(jié)器的超前時間系數 （3）電流調節(jié)器參數計算： 電流調節(jié)器超前時間常數=0.03s，又因為設計要求電流超調量，查得有=0.5，所以=，電樞回路總電阻R=2=2.4，所以ACR的比例系數 =（4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： > ，滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數近似處理條件：，滿足條件。（5） 計算調節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的=40，有=11.9740=511.6

23、8，取520，取0.1，取0.2。故=，其結構圖如下所示： 圖51電流調節(jié)器5.2 轉速調節(jié)器的設計和校驗（1） 確定時間常數：有則，已知轉速環(huán)濾波時間常數=0.01s，故轉速環(huán)小時間常數。（2）選擇轉速調節(jié)器結構：按設計要求，選用PI調節(jié)器 轉速調節(jié)器的比例系數轉速調節(jié)器的超前時間常數（3）計算轉速調節(jié)器參數：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時間常數為：，轉速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數為：。（4）檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數簡化條件為，滿足條件。轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為：，滿足近似條件。（5）計算調節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取1000。，取0

24、.1，取1。故。其結構圖如下： 圖52 轉速調節(jié)器校核轉速超調量：由h=4，查得，不滿足設計要求，應使ASR 退飽和，重計算。設理想空載z=0，h=4時，查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% < 10%滿足設計要求.6 控制電路的設計與計算6.1 給定環(huán)節(jié)的選擇已知觸發(fā)器的移相控制電壓為正值，給定電壓經過兩個放大器它的輸入輸出電壓極性不變，也應是正值。為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個15V的直流電源，用一個2.2、1W的電位器引出給定電壓。6.2 控制電路的直流電源這里選用CM7815和CM7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源，如下圖所示圖61直流穩(wěn)壓電源原理圖6.3 反

25、饋電路參數的選擇與計算 本設計中的反饋電路有轉速反饋和電流截止負反饋兩個環(huán)節(jié)，電路圖見主電路。6.3.1測速發(fā)電機的選擇因為，故這里可選用ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機。它的主要參數見下表。表62ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機 型號最大功率W最高電壓V最大工作電流A最高轉速r/minZYS-14A121201003000取負載電阻=2,P=2W的電位器，測速發(fā)電機與主電動機同軸連接。6.3.2 電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇選用LEM模塊LA25-NP電流傳感器作為檢測元件，其參數為：額定電流100A，匝數比1：1000，額定輸出電流為25mA。選測量電阻=120,P=1W的繞線電位器。負載電

26、流為1.2時。讓電流截止環(huán)節(jié)起作用，此時LA25-NP輸出電流為1.2/250=1.2×18.25/1000=0.099A，輸出電壓為120×0.099=11.88V，再考慮一定的余量，可選用1N4240A型的穩(wěn)壓管作為比較電壓，其額定值為10V。7 直流調速系統(tǒng)電氣原理總圖小結1經過兩周的努力我的課程設計終于完成了。課程設計是對自己所學專業(yè)知識的一種檢驗。通過這次課程設計，使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。這樣我才明白學習是一個長期積累的過程。此次的電氣傳動系統(tǒng)課程設計是我和同學共同努力的結

27、果，它增進了我們的團結互助的意識，這也是我們參加工作后所必需的。在此要感謝我們的指導老師胡老師和王老師的悉心指導，感謝老師們給我們的幫助。在設計過程中，我和同學通過查閱大量有關資料，并向老師請教等方式來完成我們的設計。小結經過兩周的努力，這次的電氣傳動系統(tǒng)課程設計終于完成了。這是我和同學們共同努力的結果，它增進了我們的團結互助的意識，這也是我們參加工作后所必需的。在這次電氣傳動系統(tǒng)課程設計中，首先我通過認真的準備，對所學的理論知識有了更深的了解，對以前沒有弄清楚的問題在這次設計中通過親自動手查證，論證，都一一解決了。特別是對這門課程中比較重要的知識，同時通過此次設計，增強了掌握這門技術的興趣和

28、決心。在此要感謝我們的指導老師胡老師和王老師的悉心指導，感謝老師們給我們的幫助。在設計過程中，我和同學通過查閱大量有關資料，并向老師請教等方式來完成我們的設計。不久我們將走上工作崗位，希望能夠綜合應有所學理論知識去分析解決實際工程問題，將設計應有于實踐，展現出大學生應該具有的技術理論知識水準。參考資料1、陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)，第3版.北京：機械工業(yè)出版社，20042、石玉等.電力電子技術題例與電路設計指導.北京：機械工業(yè)出版社，19983、王兆安.電力電子技術. 第4版北京：機械工業(yè)出版社，20004、王離九等. 電力拖動自動控制系統(tǒng). 武漢：華中科技大學出版社，19915、胡壽松.自動控制原理：