10t桥式起重机毕业设计计算说明书

目 录引言.31 课程设计要求与目的.3 2 设计内容3 2.1 主电路选择与参数计算3 2.1.1 主电路选择原则3 2.1.2 控制电路5 2.1.3 KC04移相触发电路6 2.2 参数计算包括73 设计方案7 3.1 直流电动机7 3.2 电动机供电方案7 3.3 反馈方式的选择8 3.4 直流调速系统框架图8 3.5 主电路计算8 3.5.1 U2的计算8 3.5.2 一次电流I1和二次电流I2的计算9 3.5.3 变压器容量的计算9 3.5.4 晶闸管元件的选择9 (1) 晶闸管的额定电压9 (2) 晶闸管的额定电流9 3.5.5 晶闸管保护环节的计算10 (1) 交流侧过电压保护10 (2) 阻容保护10 3.6 压敏电阻的选择11 3.7 直流侧过电压保护11 3.8 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护11 3.9 过电流保护11 3.9.1 交流侧快速熔断器的选择12 3.9.2 元件端快速熔断器的选择12 3.10 平波电抗器13 3.10.1 平波电抗器电阻计算13 3.10.2 平波电抗器电感量计算134 直流电动机13 4.1 直流电动机的结构13 4.2 直流电机的励磁方式13 4.3 直流电动机的工作原理145 PWM控制的直流电动机调速系统14 5.1 系统设计原理15 5.2 元器件的选择比较16 5.3 光耦隔离开关16 5.4 驱动电路部分与电源部分16 5.5 用示波器检测电路176 结论.18参考文献资料.19引言 在励磁电流不变的前提下，直流电动机的转速与直流电机电枢绕组的感应电动势成正比。利用电压负反馈电流补偿来代替转速负反馈，可以节省测速装置，降低调速系统成本。 采用主电路串入取样电阻Rs，形成电流正反馈，只能补偿电枢内阻产生的压降，而不能补偿电枢自感产生的压降。利用电桥法检测电枢电动势来代替转速负反馈，这种法可没有考虑电枢自感电动势的影响。在直流双闭环调速系统的调速过程中，电枢电流变化率很大，产生的自感电动势也大，因此电流补偿的误差也很大。针对电流补偿的缺点可以做以下改进，在主电路中增加一个串联电感，来提取由电枢自感电动势产生的压降，这样就可以保证在电流变化率很大时，电流补偿能精确地补偿电枢压降。 1 课程设计要求与目的技术要求：已知直流电动机额定功率10KW，额定电压=220V、额定电流 =55A转速=1000r/min ，允许电动机过载倍数为2，最轻负载电流为0.05倍的额定电流，要求电流波仍会连续。通过课程设计，一方面使我们对本课程所学内容加深理解，另一方面熟悉工程设计的过程、规范和方法，能正确查阅技术资料、技术手册和标准，培养我们的工程设计能力。电力电子是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程，学习本课程，培养我们对物理概念与基本分析方法的学习能力，做到理论结合实际，尽量做到器件、电路、应用三者结合。在学习方法上也形成了对电路的相位与波形的分析习惯，抓住电力电子器件在电路中道通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作状况，培养了读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整及电路分析等方面的实践能力。2 设计内容2.1 主电路选择与参数计算2.1.1 主电路选择原则图2-1 10KW直流电动机不可逆调速系统图2-2 10KW直流电动机不可逆调速电路（一）图2-3 10KW直流电动机不可逆调速电路（二）一般整流器功率在4KW以下采用单向整流电路，4KW以上采用三相整流。该电路采用三相减压变压器将电源电压降低的减压调速方案，因此励磁电压保持恒定。励磁绕组采用三相全控桥式整流电路，整流电源从主变压器二次侧U2、V2、W2端引入。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。2.1.2 控制电路该电路采用转速负反馈来稳定转速，采用电流截止负反馈进行限流保护，还设有与晶闸管串联的快速熔断器做过载与短路保护，出现故障时由过电流继电器KI2切断主电路电源。由三块集成触发电路KC04组成6脉冲触发电路。该电路需要三个相位互差120且与主电路三个相电压uU、uv、uw同相的三个同步电压。由三个单相变压器接成三相变压器组TC来代替，并联成Dy0,即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压uus、uvs、uws。每一相同步电压均经RC组成的T形网络滤波、移相30，电位器RP4RP6微调各相同步电压的相位，保证三相脉冲间隔均匀。同步电压输入后，在一个周期里，其4脚依次形成两个锯齿波。偏移电压调好后，改变Ueo就可以在KC04的1、15脚得到移相的一定宽度的相位差180的两个触发脉冲，送至VD1与VD2、VD3与VD4、VD5与VD6、VD7与VD8、VD9与VD10、VD11与VD12组成的六个与门电路，再按照主电路的触发相序要求，即后相给前相补脉冲，经外部功率放大管VT1VT6放大，可输出驱动电流为300800mA的双窄脉冲列。脉冲变压器初级公共端接+15V电源，脉冲变压器次级U、-W、V、-U、W、-V分别接于各自晶闸管的控制极。2.1.3 KC04移相触发电路KC04晶闸管全控桥移相触发专用集成电路适用于单相、三相全控桥式变流装置中作晶闸管的双路脉冲移相触发。该器件输出二路相差180的移相脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低以及具有脉冲列调制输出等特点。KC04由同步检测电路，锯齿波形成电路，偏移电压、及锯齿波电压综合比较器和功率放大电路等几部分组成。图2-4 KC04内部电路KC04采用双列直插16脚结构，电路各引脚功能为：1脚同相脉冲输出端；2脚悬空；3脚锯齿波电容连接端；4脚同步锯齿波电压输出端；5脚电源负端；6脚悬空；7脚地端；8脚同步电源信号输入端；9脚移相、偏置及同步信号综合端；10脚悬空；11脚方波脉冲输出端；12脚脉宽信号输入端；13脚负脉冲调制及封锁控制端；14脚正脉冲调制及封锁控制端；15脚反相脉冲输出端；16脚电源正端。图2-5 KC04有关引脚波形2.2 参数计算包括整流变压器的参数计算、整流晶闸管的型号选择、保护电路的说明，参数计算与元件选择，平波电抗器电感量计算。3 设计方案3.1 直流电动机型号：71 、额定功率=10KW、额定电压=220V、额定电流 =55A 、转速=1000r/min 、极数2P=4、电枢电阻 =0.5、电枢电感=7mH、励磁电压=220V、S=15%、励磁电流=1.6A。3.2 电动机供电方案据题意采用晶闸管可控整流装置供电。本设计选用的是中直流电动机，可选用三相整流电路。又因本系统设计是不可逆系统，所以可选用三相半控桥整流电路。电动机的额定电压为220V，若用电网直接供电，会造成导通角小，电流脉动大，并且功率因数抵，因此，还是用整流变压器供电方式为宜。题中对电流的脉动提出要求，故使用增加电抗器。反馈方式选择原则应是满足调速指标要求的前提下，选择最简单的反馈方案。3.3 反馈方式的选择负载要求D10，S15，则系统应满足的转速降电动系数：该直流电动机固有转速降故采用电压闭环控制系统，控制系统电压放大倍数3.4 直流调速系统框架图系统框架图如图所示：图3-1 直流调速系统框架图3.5 主电路计算3.5.1 U2的计算其中：则A：电路参数0.4 1.17 2.34B：电网电压波动系数0.91.05E：安全裕量，取电压比：3.5.2 一次电流I1和二次电流I2的计算已知全波整流电路中3.5.3 变压器容量的计算，3.5.4 晶闸管元件的选择 图3-2 晶闸管元件的的选择(1) 晶闸管的额定电压，取。(2)晶闸管的额定电流取 整流二极管同上3.5.5 晶闸管保护环节的计算晶闸管的过压保护晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制图3-3 阻容三角抑制过电压 图3-4 压敏电阻或硒堆抑制过电压过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下：图3-5 过电压保护原理图(1) 交流侧过电压保护(2) 阻容保护，选、耐压700V ，取3.6 压敏电阻的选择3.7 直流侧过电压保护选用的压敏电阻作直流侧过电压保护。3.8 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护由参考文献上获得晶闸管过电压保护参数估计值如下：元件容量（A）5102050100200500C（）0.050.100.150.200.250.501.00R（）1020表3-1 晶闸管过电压保护参数依据上面表格可以初步确定、3.9 过电流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。快速熔短器的接入方式共有三种，其特点和快速熔短器的额定电流。图3-6 快速熔断器的接入方法对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下：图3-7 过电流保护原理图3.9.1 交流侧快速熔断器的选择由于,考虑到电动机启动瞬间电流较大，熔断器的选取依据原则可以选用额定电压为300V，额定电流为120A熔断器。3.9.2 元件端快速熔断器的选择由于,为了减少元件的多样性便于设计和安装，本设计将元件端快速熔断器的规格定为额定电压为300V，额定电流为85A熔断器。3.10 平波电抗器3.10.1 平波电抗器电阻计算=0.024按电流连续要求的电感量：式中， ;对于三相桥式全控电路3.10.2 平波电抗器电感量计算方法一、 L =rl =0.5x7mh=17.2mH 方法二、式中，为最低次谐波电压幅值；为最低次谐波电流频率，对于三相桥式电路=6=300；为电流脉动系数，要求=0。05；三相桥式电路=0.45。故平波电抗器电感选为18mH。4 直流电动机4.1 直流电动机的结构直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 图4-1 直流电动机的分类4.2 直流电机的励磁方式他励直流电机，励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机。永磁直流电机也可看作他励直流电机。 并励直流电机，并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 串励直流电机，串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。 复励直流电机，复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。 直流电动机的特点。调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。 4.3 直流电动机的工作原理图4-2 直流电动机工作原理大致应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。 要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换， 即进行所谓“换向”。 为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理。5 PWM控制的直流电动机调速系统近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。5.1 系统设计原理脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需。要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为式中 Ua电枢供电电压（V）； Ia 电枢电流（A）； 励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）； CE电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式可以看出，式中Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；改变电枢供电电压Ua；改变励磁磁通。桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形电动机电枢端电压的平均值为 由于01，Ua值的范围是 -Ud+Ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。下图给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线。图5-1 两种斩波器的输出电压特性5.2 元器件的选择比较基于IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计的比较IGBT驱动电路能驱动大型的功率设备，但价格高。MOSFET能驱动较大的功率设备，价格比IGBT低很多。本课程设计是驱动小功率直流电动机，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计。但电动机功率仅为100W，所以本课程设计采用MOSFET管来进行控制。功率场效应管(MOSFET)与双极型功率相比具有如下特点：场效应管(MOSFET)是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；输入阻抗高，可达108以上；工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；有较优良的线性区，并且场效应管(MOSFET)的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；功率场效应管(MOSFET)可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。5.3 光耦隔离开关光耦隔离开关是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电光电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。5.4 驱动电路部分与电源部分图5-2 驱动电路驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成，由单片机的P26口提供的信号，P26当为高电平时，发光管导通，光电耦合器输出低电平，MOSFET关闭，回路关闭。当P26口为低电平时，发光管关闭，光电耦合器输出为高电平，MOSFET打开，回路导通。图5-3 电源电路电源部分采用的是三端稳压器7805，输入由AC-DC变压器提供+9V直流电，经7805稳压，由电容滤波，输出+5V电压，为单片机提供工作电源。实验数据记录 转速和电压的关系序号1234转速（VPM）11931073906717电压（V）169152.3129.1102.4 表5-1 转速和电压关系5.5 用示波器检测电路使用按键，示波器检测MOSFET功率管1脚，发现其占空比能改变。检测P2.6，光耦隔离开关发射端A脚，接受端C脚，波形正常。然后检测MOSFET功率管1脚的波形，发现其低电平为1v左右,高电平为13v左右。最后猜想可能是1V的电平也可能使MOSFET功率管导通，于是减小MOSFET功率管3脚的电压，把其改为5V。用示波器测量1脚电压，显示方波的低电平为0.2v左右,高电平5v左右。最后按下按键能控制电机转速。原因分析：MOSFET功率管3脚的输入电压过高时,在前面电路的影响下其低电平电压会偏高，从而导通IRF740MOSFET功率管。解决方法：降低MOSFET功率管3脚的输入电压，可降至5V。结论电力电子是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程，学习本课程时，要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论结合实际，尽量做到器件、电路、应用三者结合。在学习方法上要特别注意电路的相位与波形的分析，抓住电力电子器件在电路中道通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作状况，培养读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整及电路分析等方面的实践能力。一些时间，但这比空想要有效的多。做事情一定要细心，更要耐心，遇到问题要慢慢去检查，然后仔细分析后再解决；除此之外，还要有合作精神，注重团队合作，和合作者一起做，相互鼓励，互相弥补不足之处，很多难点的突