10kW直流电动机不可逆调速系统设计

1、目录 1. 课程设计目的 1 2. 课程设计要求 1 2.1技术数据与要求 1 2.2设计内容 1 3. 设计内容 2 3.1 调速系统方案的选择 2 3.2 主电路计算 3 3.2.1 整流变压器计算 3 3.2.2 晶闸管元件的额定电压 5 3.2.3 晶闸管保护环节的计算 5 3.2.4 电抗器的参数计算 7 3.2.5 励磁电路元件的选择 8 3.3 触发电路的选择与校验 9 3.4 反馈电路参数的选择与计算 11 3.4.1 测速发电机的选择 12 3.4.2 电流截止反馈环节的选择 12 3.4.3 调速静态精度的计算 12 3.4.4 给定环节的选择 14 3.4.5 控制电路的

2、直流电源 15 4. 设计总结 16 参考文献 16 附 录 17 1. 课程设计目的 通过对直流电动机不可逆调速系统的设计，巩固和提高学过的基础知识和 专业知识，提高运用所学的知识进行独立思考和综合分析、解决实际问题的能 力，培养掌握正确的思维方法和利用软件和硬件解决实际问题的基本技能。 2. 课程设计要求 2.1 技术数据与要求 技术数据： 直流电动机： 型号： Z3 71 ；额定功率 PN 10kW ； 额定电压 U N 220V ；额定电流 I N 55A； 转速 nN 1000r min ；极数 2p 4； 电枢电阻 Ra 0.5 ；电枢电感 LD 7mH ； 励磁电压 U L 22

3、0V ；励磁电流 IL 1.6A。 要求：调速范围 D 10，静态率 s 5% ，电流脉动系统 Si 10% 。 2.2 设计内容 确定调速系统方案 主电路选择与计算 控制电路选择与计算 调速系统静态精度计算 3. 设计内容 3.1 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，故选用三相全控制整流电路 供电方案。 电动机额定电压为 220V ，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， 主变压器采用 D Y 联接。 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 进行限流保护，出现故障电流

4、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。 3.2 主电路计算 3.2.1 整流变压器计算 U 2的计算 U 2是一个重要参数，现在过低，无法保证输出额定电压。选择过高，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 U2 U dm

5、ax nUT I2 sh I 2N A Cos min CU 3-1) 式中， A 理想情况下，0 C时整流电压 U d 0与二次电压 U 2之比， 即A Ud0 U2 ； B 控制角为 时，输出电压 Ud与U d0之比，即 B Ud Ud0 ； 电网波动系数，通常取 0.9 ； U d max 整流电路输出电压最大值； nUT 主电路电流回路； C 线路连接方式系数； U sh 变压器的短路比， 10 100KVA变压器U sh 0.05 0.1； I2/ I 2N 变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。 在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便 3-2) (11.2

6、) AUdB AB 其中 A 2.34 ， 取 0.9 角考虑 10 的裕量： B cos 0.985 U 220 U2 (11.2) Ud 220 V 106 127V ，取U2 2 A B 2.34 1 0.985 2 U1 U2 一次和二次相电流 I1和 I2的计算 电压比 380 3.45 110 KI1 KI 20.816 考虑变压器的励磁历次电流时， I 1 应乘以 1.05 左右的系数， I d55 I1 1.05K I1 d 1.05 0.816 A 13.7A 1 I 1 K3.45 I 2 K I2I d 0.816 55A 45A 变压器的容量计算 S1 m1U 1 I

7、1 S2 m2U 2 I 2 1 S(S1 S2 ) 2 式中： m1、 m2 一次侧、二次侧绕组的相数 S1 3U 1I1 (3 380 13.7)kVA 15.6kVA S2 3U2I 2 (3 110 45)kVA 14.85kVA 11 S(S1 S2 )(15.6 14.85)kVA 15.3kVA 22 考虑励磁功率 PL (220 0.6)W 0.352kW ，取S1 16kVA ， 110V （3-3） 所以 （3-5） （3-6） （3-7） S2 15.2kVA ， S 15.6kVA， I1 14A，I2 46A 。 晶闸管和整流管的选择主要指合理的选择器件的额定电压和额

8、定电流 3.2.2 晶闸管元件的额定电压 晶闸管的额定电压 UTN (2 3)Um (2 3) 6U2 (2 3) 6 110V 539 808V ，取UTN 700V 晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 I TN 大于实际流过管子电流最大有效值 IT ，即 ITN 1.57I T(AV) 1.57IT(3-8 ) IT (AV)KI d(3-9 ) T(AV) 1.57 1.57 I dd 考虑1.5 2倍的裕量， K 0.367 IT(AV) (1.5 2)KI d (1.5 2) 0.367 55A 36.3 48.4A，取 IT(AV) 50

9、A。 故选用型号为 KP50 7 晶闸管元件。 3.2.3 晶闸管保护环节的计算 交流侧过电压保护 阻容保护 在变压器二次侧并联电阻 R( )和电容 C( F )进行保护，接线方式如图 2所 示。 S5200 C1 6I em 2 6 10 2 F 25 F 1 em U 221102 电容 C1的耐压 1.5Um 1.5 2 110V 233V 故选用 CZJD 2型金属化纸介电容器，电容量 20 F，耐压 250V 。 R12.3U 2Ush2.3 11052.2 1 SI em 520010 I c 2 fU c 10 6 2 50 20 110 10 6 A 0.69A PR (34)

10、Ic2R (3 4)0.692 2.2W 3.1 4.2W 因此，可选 2.2 、5W 的金属膜电阻。 图 2 阻容保护接线方式 压敏电阻 RV1 的选择 U Im A 1.3 2U 1.3 2 110V 202V 通过查询相关产品参数目录，取电压为 220V ，通流量为 5KA ，由此选用 MY 220/ 5的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。 直流侧过电压保护 U Im A 1.3 2U 1.3 2 110V 202V 故选用 MY 430/ 3压敏电阻作为直流侧过电压保护 晶闸管两端的过电压保护 晶闸管过电压保护参数估计值如表 1 所示。 表1 晶闸管过电压保护参数书估计值 元件容量（ A

11、 ） 5 10 20 50 100 200 500 1000 取 R2 43 ， 1W 金属膜电阻。 C( F) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.50 1.00 2.00 R( ) 1020 依据上面表格可以初步确定 C2 0.2 F 、 R2 20 电容耐压 1.5Um 1.5 6 110V 566V 。 选CZJD 2型金属化纸介电容，电容量 0.22 F ，耐压400V 。 PR2 fCU C2 10 6 50 0.22 ( 3 110)2 10 6 0.8W 过电流保护 本系统除采用电流截止反馈环节做限流保护外，还设有与元件串联的快速 熔断器作过载和短路保护，用过

12、流继电器切断故障电流。 快速熔断器的选择 熔断器是同它保护的电路串联的，当该电路中发生过载或短路故障时，如 果通过熔体的电流达到或超过某一定值，则熔体上产生的热量就会使其温度上 升到熔体金属的熔点。于是，熔体自行熔断，并以此切断故障电流，对电路实 行保护，快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护 措施。 通过晶闸管电流有效值为 IT Id 55A 32A 33 故选用 RLS 50 的熔断器，容体电流为 50A。 过电流继电器的选择 根据负载电流为 55A，可选用吸引线圈电流为 100A的 JL14 11ZS型手动 复位直流过电流继电器，整定电流可取 1.25 55A 70

13、A 。 3.2.4 电抗器的参数计算 使电流连续的临界电感量 L1 K1 0.695 ，取 Idmin 0.05Id 0.05 55A 2.75A, 则 U110 L1 K1 2 0.695 mH 27.8mH I d min2.75 限制电流脉动的电感量 L2 U 2110 K 2 1.045，取 Si 0.1，则 L2 K 2 2 1.045 mH 21mH 2 i 22 SiI d0.1 55 变压器漏电感量 LT U U5 110 KT 3.9 ，取U sh 5，则 LT KT sh 2 3.9 mH 0.39mH T sh T T 100 I d100 55 实际串入电抗器电感量 L

14、d 已知电动机电感量为 LD 7mH ，则 Ld L1 (LD 2LT ) 27.8 (7 0.78) 20mH 3.2.5 励磁电路元件的选择 图 3 励磁电路接线方式 励磁电压 UL 220V ；励磁电流 IL 1.6 A ，电路接线方式如图 3 所示 整流二极管耐压值与主电路晶闸管相同，故取 700V ，额定电流取0 查 得 K 0.367 ，则 ID(AV) (1.52)KIL (1.5 2) 0.367 1.6A 0.881.2A 可选用 ZP型3A， 700V 二极管 3.3 触发电路的选择与校验 普通晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管由阻断状态转入导通状 态，晶闸管在承受正

15、向阳极电压的同时，还需要在门极加上适当的触发电压。 控制晶闸管导通的电路称为触发电路。触发电路常以所组成的主要元件名称进 行分类，包括简单触发电路、单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电 路触发器和计算机控制数字触发电路等。 控制GTR、GTO 、功率MOSFET 、 IGBT 等全控型器件的通断则需要设置 相应的驱动电路。基极（门极、栅极）驱动电路是电力电子主电路和控制电路 之间的接口。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开 关状态，缩短开关时间，减少开关损耗。另外，许多保护环节也设在驱动电路 或通过驱动电路来实现。 触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分。为了

16、充分发挥电力 电子器件的潜力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动 电路。 晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分，也可用直流，还可用短暂 的正脉冲。为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性，触发信号常采用脉冲 形式。晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条： （1）触发信号要有足够的功率 为使晶闸管可靠触发， 触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸 管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功 率。例如， KP50要求触发电压不小于 3.5V ，触发电流不小于 100mA；KP200要 求触发电压不小于 4V，触发电流不小于 200mA。但触发信号不

17、许超过规定的门 极最大允许峰值电压与峰值电流，以防损坏晶闸管的门极。在触发信号为脉冲 形式时，只要触发功率不超过规定值，允许触发电压或触发电流的幅值在短时 间内大大超过铭牌规定值。 （2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 为了保证电路的品质及可靠性， 要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上 触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关 系，即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶 闸管主电压之间满足一定的相位关系。 （3）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡 为使被触发的晶闸管能保持住导通状态， 晶闸管的阳极电流在触发脉冲消 失前必须达到擎住电流，

18、因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。 特别是当负载为电感性负载时， 因其中电流不能突变， 更需要较宽的触发脉冲， 才可使元件可靠导通。例如，单相整流电路，电阻性负载时脉冲宽度应大于 10 s ，电感性负载时则因大于 100 s ；三相全控桥中采用单脉冲触发时脉宽应 大于 60 （通常取 90 ），而采用双脉冲触发时，脉宽为 10 左右即可。此外， 很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡的前沿，以实现精确的触发导通控制。 （4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求 触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。 例如，单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为 180 ，

19、而电感性负载（不 接续流管时） 要求移相范围为 90 。三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围 为 150 ，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为 120 。选用集成 六脉冲触发器实用电路。 为了实现弱磁保护， 在磁场回路中串入欠电压继电器 KA2 ，动作电流通过 RP1调整。已知励磁电流 1.6A ，可选用吸引线圈电流为 2.5A的 JL14 11ZQ直流 欠电压继电器。 KP50晶闸管的触发电流为 8 150mA ，触发电压为 UC 3.5V ，在触发 电路电源电压为 15V时，脉冲变压器匝数比 2:1，Us可获得约 6V 的电压，脉冲 变压器一次电流只要大于 75A ，即可满足

20、晶闸管要求，这里选用的 3DG12B作 为脉冲功率放大管，其极限参数 BVCEO 45V ， ICM 300mA ,完全能足要求。 该电路需要设计一个三相同步变压器，考虑各种不便因素，用三个单相变压器 结成三相变压器组代替，并结成 DY0 ，确定单相变压器的参数为：容量 3VA， 电压为 380V /30V 三台。同步变压器的联接如图 4所示。 图 4 同步变压器的联接组 3.4 反馈电路参数的选择与计算 转速与电流截止负反馈环节如图 5 所示。 图 5 转速和电流截止反馈环节 3.4.1 测速发电机的选择 由电机产品样本查得，选用 55CY61型永磁直流测速发电机。其参数为： ETG 110

21、V ，nTG 2000r /min ，负载电阻 RTG是2K ， 2W的电位器，测速发 电机与主电机同轴联结。由于主电机额定转速为 nN 1000r /min ，因此测速发 电机发出的最高电压为 55V ，若给定电源取 15V ，则只要适当取反馈系数 ， 即可满足系统要求。 3.4.2 电流截止反馈环节的选择 为了提高直流调速系统的动静态性能指标， 通常采用闭环控制系统 （ 包括单 闭环系统和多闭环系统 ） 。对调速指标要求不高的场合， 采用单闭环系统， 而对 调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流 反馈，电压反馈等。 在电流单闭环中， 将反映电流变化的电流互感器

22、输出电压信号作为反馈信 号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到 移相控制电压 U Ct ，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电 压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的 输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用 P（比例）调节，对阶跃输入有稳态 误差，要消除该误差将调节器换成 PI（ 比例积分 ）调节。当“给定”恒定时，闭 环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机 的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。 选用 LEM 模块 LA100 NP 电流传感器作为电流检测元件，其参数为：额 定电流 100A

23、 ，匝数 比为 1/1000，额定输出电流为100mH ，测量电阻 RM 30 50 ，取 RM 为47 、1W 的绕线电位器。 负载电流为 1.2I N 时，让电流截止反馈环节起作用， 此时 LALA 的输出电流 为1.2IN /1000 （1.2 55 / 1000）mA 66mA ，输出电压为 3.1V ，考虑一定的调节 裕量，选 2CW9稳压管作为比较电压， UVC 2V 。 3.4.3 调速静态精度的计算 电动机和测速发电机电动势常数计算 U N I N Ra 220 55 0.5 电动机电动势常数： CeN N a 0.193 nN1000 测速发电机电动势常数： CeTG TG

24、ETG40 0.02 nNTG 2000 整流装置的内阻 Ri K取 1.2，则 Ri KU d0 UN IN 1.2 2.34 110 220 55 要求调速系统的静态速降 nN nNs D 1 s 1000 0.05 10 1 0.05 r / min 5.26r / min 求闭环系统的开环放大倍数 K KIN R1 55 1.6 0.5 1 113 Ce nN0.193 5.26 触发器与整流装置的放大倍数的估算 在触发器选用 15V 电源情况下， 锯齿波同步电压最大值应小于 按最大移相电压为 15V 计算。 15V，这里 U d max C max 220 15 15 计算转速反馈系

25、数 由于U gd取15V ，U fn约12V 左右，而 ETG 20V ，故 TG 0.6。 所以转速反 馈系数TGCeTG TG 0.6 0.02 0.012 计算放大器的放大倍数 由于 K KPKS Ce ，故 K KCe KS 113 0.193 121 0.012 15 因为 K P较大，故选用放大倍数可调的放大器，如图 6 所示。 图 6 放大倍数可调的放大器 由于 点是虚地，故 U C 。 R0R1 式中R3 分压电阻的分压系数。 R3 R4 所以 KP U CR1 。 P UgdR0 为了避免放大器开环， 不能调到零，可在电位器接地端串一个不可调的 小电阻。若该电路电位器取 4.

26、7k 、1W ，固定小电阻取 470 、 0.25W ，则 min 0.47 / 4.7 0.47 1/1，1 故最多能把放大倍数从 R1/R0提高到 11 倍。采 用F 007运算放大器，其输入电阻 ri 0.5M ,为了不影响 ri，应使 R0 ri /10。 故取R0 20k , R1 KKR0, 取 0.136,R1 0.136 121 20 103329k ，实取 330k 。 R0 、 R1均取0.25W 。 3.4.4 给定环节的选择 由于放大器输入电压和输出电压极性相反， 而触发器的移相控制电压 U c又 为正电压，故给定电压 U gd就得取负电压，而一切反馈均取正电压。为此给定 电压与触发器共用一个 15V 电源，用一个 2.2k 、 1W电位器引出给定电压。 3.4.5 控制电路的直流电源 选用CM 7815和CM 7915三端集成稳压器作为控制电路电源， 如图 7所示。 +1 5V -1 5V 图 7