10kW直流电动机不可逆调速系统设计

1、目录1. 课程设计目的错. 误!未定义书签2. 课程设计要求 错误 !未定义书签。 设计内容和数据资料错误 !未定义书签技术指标要求 错误 ! 未定义书签3. 设计内容 错误 ! 未定义书签。 调速系统方案的选择错误 !未定义书签主电路计算 错误 ! 未定义书签。 整流变压器计算 错误 !未定义书签。晶闸管元件的额定电压 晶闸管保护环节的计算 电抗器的参数计算 励磁电路元件的选择 触发电路的选择与校验错误 !未定义书签 错误 !未定义书签 错误 !未定义书签。 错误 !未定义书签。错误 !未定义书签反馈电路参数的选择与计算 错误! 未定义书签 测速发电机的选择错误 !未定义书签。电流截止反馈环

2、节的选择 错误 !未定义书签 调速静态精度的计算错误 !未定义书签。给定环节的选择 错误 ! 未定义书签。 控制电路的直流电源错误 !未定义书签。4. 设计总结 错误 ! 未定义书签。 参考文献 错误 ! 未定义书签。 附 录 错误 ! 未定义书签。1. 课程设计目的通过课程设计，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

3、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. 课程设计要求 技术数据与要求 技术数据：直流电动机：型号：Z371 ；额定功率Pn 10kW ；额定电压U n 220V ；额定电流In 55A ；转速 nN 1000 n. min ；极数 2p 4；电枢电阻Ra 0.5 ；电枢电感LD7mH ；励磁电压UL 220V ；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%。设计内容 确定调

4、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

5、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下图所示。主电路计算1 TN1 .571 T (AV)1.571 T( 3-8)图直流调速系统框图321整流变压器计算U2的计算加大,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U2U d max nU TCOS minCUshI 21 2N(3-1)式中，A 理想情况下，OC时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即 A Udo U2 ；

6、B 控制角为时，输岀电压 Ud与Udo之比，即B Ud Udo ；U d max整流电路输岀电压最大值；nUT主电路电流回路；C线路连接方式系数；Ush 变压器的短路比，10 100KVA变压器Ush 0.05 0.1 ；12 /12N 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UdU2(1 1.2)( 3-2)A B其中A 2.34，取 0.9角考虑10的裕量：B cos 0.9858U220U2(11.2) dV 106 127V，取 u2110VA B 2.34 1 0.985电压比U1U23803.45110(3-3)一次和二

7、次相电流I1和I 2的计算已知全波整流电路中Ki1 Ki2 0.816考虑变压器的励磁历次电流时,11应乘以左右的系数，所以(3-5)I2 Kd 0.816 55A45 A(3-6)111.05心4 1.05 0.816 -55 A 13.7AK3.45变压器的容量计算S1mQ 111(3-7)S2m 2 U 2121S(S1 S2 )2式中：mi、m2 一次侧、二次侧绕组的相数51 3U1I1 (3 380 13.7)kVA 15.6kVA52 3U2I2(3 110 45)kVA 14.85kVA11S -(S1 S2)-(15.6 14.85)kVA15.3kVA22考虑励磁功率 PL

8、(220 0.6)W 0.352kW ,取 S1 16kVA , S2 15.2kVA ,S 15.6kVA, I114A, I246A。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定电流晶闸管整流电路如图 2所示：T 300V. R 口 FU TCQr丰CFUFURVFU图2晶闸管电路La/W需二二 cCFU R二二 CFU3.2.2晶闸管元件的额定电压晶闸管的额定电压Utn (2 3)U m (2 3) 6U 2(2 3) . 6 110V539 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|tn大于实际流过管子电流最

9、大有效值|t，即| TIT(AV)1.57T d(3-9)1.57Idd考虑1.5 2倍的裕量,K 0.367It(av) (1.5 2)KId (1.5 2)0.36755 A 36.3 48.4A，取I T(AV)50A故选用型号为KP507晶闸管元件。323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。C16em-S26 10 5200 F 25 FU2110电容C1的耐压1.5Um 1.5、2 110V233VR1Ushcc11022.22.322.3 -S；I em520010Ic2 fUc10 6250 201

10、1010 6a0.69APr(3 4)I(3 4)0.6922.2W3.14.2W因此,可选2.2、5W的金属膜电阻。故选用CZJD2型金属化纸介电容器，电容量阻容保护接线方式如图 3所示:20 F，耐压 250V图3阻容保护接线方式压敏电阻RV1的选择220V，通流量为5KA，由此选用 MY 220/5的压UImA 13、2U 1.3、.2 110V202V通过查询相关产品参数目录，取电压为敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。直流侧过电压保护UImA 13、2U 1.32 110V202V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。

11、表1晶闸管过电压保护参数书估计值元件容量(A)51020501002005001000C( F)R()10 20依据上面表格可以初步确定C20.2F、R220。电容耐压1.5Um 1.5、611CV566V。选 CZJD2型金属化纸介电容，电容量0.22 F，耐压 400VPr2fCUC 106 50 0.22 (73 110)2 10 6 0.8W取R243，1W金属膜电阻。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

12、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。I55A通过晶闸管电流有效值为 lT - 32 AV373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 55A70A。3.2.4电抗器的参数计算使电流连续的临界电感量L1K10.695，取 I d min0.05Id0.05 55A2.75A,则L1K

13、U0.695I d min110 u mH27.8mH2.75限制电流脉动的电感量L2K2 1.045，取 Si 0.1，贝U L2K2- 1.045mH 21mHSi I d0.1 55变压器漏电感量 LtUshU2c小5110,小“,KT3.9，取 U sh5，则 LtKT3.9 -mH 0.39mH100Id10055实际串入电抗器电感量Ld已知电动机电感量为LD 7mH，则Ld L1 (LD 2Lt)27.8(70.78)20mH3.2.5励磁电路元件的选择RPLR PIIkA励磁电压UL 220V ；励磁电流IL 1.6A，电路接线方式如图 4所示整流二极管耐压值与主电路晶闸管相同，

14、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 1.6A0.88 1.2A可选用ZP型3A，700V二极管。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 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

15、（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

16、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

17、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， 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

18、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 ，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

19、。KP50晶闸管的触发电流为 8150mA，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5所示。图5同步变压器的联接组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6

20、所示。图6转速和电流截止反馈环节110V，341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：EtgEg 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，因此测速发电机发岀的最高电压为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。342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

21、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Uct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输岀，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岀限幅所决定。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

22、元件，其参数为：额定电流100A，匝数比为1/1000，额定输岀电流为100mH，测量电阻Rm30 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LA la的输岀电流为1.2IN /1000（1.2 55/1000）mA 66mA，输岀电压为 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电动机电动势常数：CeUn I NRa220 55 0.5nN1000测速发电机电动势常数:EtgCeTG TG“NTG4020000.02整流装置的内阻 RKUd。Un

23、I N1.2 2.34 110 220551.6要求调速系统的静态速降nNnNSD 1 s1000 0.05,.r / min10 1 0.055.26r /min1求闭环系统的开环放大倍数K1 113IN R 1551.6 0.5CenN 0.193 5.2615V，这里按最大移相电压为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15V计算。Ksd maxC max2201515计算转速反馈系数0.6。所以转速反馈系数由于U gd取15V，Ufn约12V左右，而 Etg20V，故 tgTGCeTG TG 6002.12计算放大器的放大倍数由于KKp

24、Ks，故KpKCeKs但4 1210.012 15因为Kp较大，故选用放大倍数可调的放大器，如图7所示。图7放大倍数可调的放大器由于点是虚地，故UgdRoUcR1式中3分压电阻的分压系数。Rg R4所以Kp出UgdRi。Ro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 4.7k、1W，固定小电阻取 470 、0.25W，贝U min 0.47/ 4.7 0.471/11，故最多能把放大倍数从R1/R0提高到11倍。采用F007运算放大器，其输入电阻ri 0.5M为了不影响r ， 应使R0 ri /10。故取R020k329k,RKK R0,取0.136,R0.136 121 20 103，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岀电压极性相反，而触发器的移相控制电压Uc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、1