直流电动机调速系统的设计

1、直流电动机调速系统的设计1引言在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献， 这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制

2、功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、 调试困难， 阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。 随着单片机技术的日新月异，使得许多控

3、制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本设计主电路采用品闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节2系统方案选择和总体结构设计2.1 调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-71型，其具体参数如下表2-1所示表 2-1Z2-512-1Z2-51 型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)I IN(A)N NN(r/min)(r/min)R Ra(Q)(Q)2,2、GDGDa(N

4、m)(Nm)P P 极对数Z2-71Z2-7114142302306161145014500.80.89.89.81 12.1.1电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统,通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud,从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWME器件

5、各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择品闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流

6、电路供电方案。2.1.2调速系统方案的选择计算电动机电动势系数Ce：230610.80.125vmin/r,1450速系统的额定速降是780.8r/min,而工艺要求的是7.6r/min,故开环调速系统无能为力， 需采用反馈控制的闭环调速系统。因调速要求较高，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，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电。2.2 总体结构设计采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电

7、机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统， 在系统中设置了两个调节器， 分别调节转速和电流， 二者之间实行审级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于IdN时表现为

8、转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和开速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。直流调速系统的框图如图2-1所示：当电流连续时,系统额定速降为IdNnN-CeR61208780.8r/min,0.125开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率SNnNnNnN780.81450780.8100%35%,大大超过了S5%.若D=10,SIT或1T(AV)1.571.57Id=KId(3-8)考虑（1.52）倍的裕量T(AV)=(1.52)

9、KI式中K=IT/(1.57Id)-电流计算系数此外，还需注意以下几点:当周围环境温度超过+40C时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得K=0.367,考虑(1.52)倍的裕量1.5-2KI1.5-20.3686133.67244.896A取IT40A0故选晶闸管的型号为KP20-7。3.3 晶闸管保护环节的计算品闸管有换相方便，无噪音的优点。设计品闸管电路除了正确的选择品闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.3.

10、1过电压保护以过电压保护的部位来分， 有交流侧过压保护、 直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。(1)交流侧过电压保护1)阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=18.4KVA,U2=120VIem取值：当S=50100KVA寸，对应的Iem=41,所以Iem取3。C6IemS/U22=6X3x18.4x103/1202=23aF耐压1.5Um=1.5X120X.2=254.6V选取10pF,而寸压300V的铝电解电容器。Ush选取：S=18.4KVA,S=50100KVAUsh=1-5,所以Ush=32Ush233R2.3U2/S-sh=2.3X1

11、20/18.4X103=34.48Qem取R=35Q(3-9)(3-10)I(=2兀fCUCX10-6=2兀X50X10X120X10-6=0.376APR(3-4)IC2R=(34)X0.3762X35=(14.8419.79)W选取电阻为2.2Q,20W的金属膜电阻。2)压敏电阻RV1的计算U1mA=1.3V2U2=1.3X也X120=220.6V流通量取5KA选MY31-330/5型压敏电阻(允许偏差+10%)作交流侧浪涌过电压保护。(2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加

12、大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。U1Ma(1.82)UDC=(1.82.2)X230=414460V选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10%)作直流侧过压保护。(3)闸管及整流二极管两端的过电压保护查下表：表 3-13-1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A/A10102020505010010020020050050010001000电容/ /科 F F0.10.10.150.150.20.20.250.250.50.51 12 2电阻/10010080804040202010105 52 2抑制品闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保

13、护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um的1.11.15倍。由于1T140A由上表得C=0.5FF,R=10Q,电容耐压1.5Um=1.5XV6U2=1.5X年X120=441V选C为0.15尸的CZJD-2型金属化纸介质电容器，耐压为450V。PR2fcUc2106=50X0.15X(.3120)2106=0.324W选R为80Q,1W的普通金属膜电阻器。3.3.2过电流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。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管用联。(1)品闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值ITI

14、d/,3209/.3=120.7A选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A(2)过电流继电器的选择因为负载电流为209A,所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25X209=261.25A=260A3.4平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流， 通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld,称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。(1)算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mHL1K1-U(3-11)Idmin式事KI为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；1

15、dmin为最小负载电流，常取电动机额定电流的5%10%计算根据本电路形式查得K1=0.695所以(2)限制输出电流脉动的临界电感量L2由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。 通常负载需要的只是直流分量， 对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧用入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2(单位为mH)可用下式计算式中K2系数， 与整流电路形式有关，Si电流最大允许脉动系数， 通常三相电路SiWci,满足条件30.0017忽略反电动势变化对电流

16、环动态影响条件:31一-3J112.792S1WCi,满足条件TmT1.840.03电流环小时间常数近似处理条件:(5)计算调节器的电阻和电容1有KITi0.5，则2Ti20.0037s0.0074s,已知转速环滤波时间KI1常数Ton=0.01s,故转速环小时间常数TnTonKI(2)选择转速调节器结构:转速调节器的超前时间常数(3)计算转速调节器参数:按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为:TsT3丫0.00170.002180.8S1Wci,满足条件。Ci0.25.2取运算放大器的氏=40k，有RRi0.03520k0.057KiRo=11,9740=511.68

17、k4Toi40.002R040k故WACR，取520k,转速调节器的设计和校验(1)确定时间常数：0.00740.010.0174s。按设计要求，选用PI调节器WASRsKnns1nsKN转速调节器的比例系数0.03s1,其结构图如下所示:Kii112.97hTn40.01740.0696s,转速环开环增益KNh12h2T2n51厂上2516.1s。2420.01742ASR的比例系数为：Knh1CeTm2hRTn50.050.1151.84240.0072.40.017422.62。(4)检验近似条件转速环截止频率为WcnKNWKN516.10.069635.92。电流环传递函数简化条件为1

18、KI3Ti1.135.163.7s13.0.0037WCn,满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为:1KI3.Ton1135.13.0.0138.7s1Wcn,满足近似条件。(5)计算调节器电阻和电容:取R0=40k,则RnKnR022.6240904.8k,取1000k。CnRn0.06961000k0.0696F,取0.1FCon40k0.01d1故WASRsKnns122.620.0696s10.0696snsO其结构图如下:图 5 52 2 转速调节器校核转速超调量：由h=4,查得n43.6%10%,不满足设计要求，应使ASRn0设理想空载z=0,h=4时，查得,max=77.5%,

19、所以Cb18.252.4n2(Cmax)(z)1277.5%1.50.115CbnTm1450=0.00792=0.79%10%满足设计要求.6控制电路的设计与计算6.1 给定环节的选择已知触发器的移相控制电压Uc为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2K、1W勺电位器引出给定电压。6.2 控制电路的直流电源退饱和，重计算这里选用CM781序口CM7915E端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示图 6 61 1 直流稳压电源原理图6.3反馈电路参数的选择与计算本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个

20、环节，电路图见主电路。6.3.1测速发电机的选择因为Unmnmax0.007145010.15V,故这里可选用ZYS-14A型水磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表 6 62ZYS-14A2ZYS-14A 型永磁直流测速发电机型号最大功率 W W最高电压 V V最大工作电流 A A最高转速 r/minr/minZYS-14AZYS-14A121212012010010030003000取负载电阻RG=2K,P=2W勺电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。6.3.2电流截止反馈环节的选择选用LEM1块LA25-NP电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A,匝数比1:1000,额定输

21、出电流为25mA选测量电阻RM=120,P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2IN时。让电流截止环节起作用，此时LA25-NP输出电流为1.2IN/250=1.2X18.25/1000=0.099A,输出电压为120X0.099=11.88V,再考虑一定的余量， 可选用1N4240A的稳压管作为比较电压，具额定值为10V。7直流调速系统电气原理总图+_4O-2OSG)X.、+1R2OF1P2OF1P1OT小结1经过两周的努力我的课程设计终于完成了。课程设计是对自己所学专业知识的一种检验。通过这次课程设计，使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什

22、么东西都懂，有点眼高手低。这样我才明白学习是一个长期积累的过程。此次的电气传动系统课程设计是我和同学共同努力的结果， 它增进了我们的团结互助的意识， 这也是我们参加工作后所必需的。在此要感谢我们的指导老师胡老师和王老师的悉心指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式来完成我们的设计。小结经过两周的努力，这次的电气传动系统课程设计终于完成了。这是我和同学们共同努力的结果，它增进了我们的团结互助的意识，这也是我们参加工作后所必需的。在这次电气传动系统课程设计中，首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中

23、通过亲自动手查证，论证，都一一解决了。特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在此要感谢我们的指导老师胡老师和王老师的悉心指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式来完成我们的设计。不久我们将走上工作岗位，希望能够综合应有所学理论知识去分析解决实际工程问题，将设计应有于实践，展现出大学生应该具有的技术理论知识水准。参考资料1 1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第 3 3 版.北京：机械工业出版社，200420042 2、石玉等. .电力电子技术题例与电路设计指导.北京：机械工业出版社，199819983 3、王兆安.电力电子技术.第 4 4 版.北京：机械工业出版社，200020004 4、王离九等. .电力拖动自动控制系统. .武汉：华中科技大学出版社，199119915 5、胡寿松. .自动控制原理：第 4 4 版.北京：国防工业出版社6 6、电工手册1010 在触发电路相位移动时，控制电压为 0 0 时，控制角为多少度?1111 晶闸管的保护有哪些？KEY短路保护和过载保护（快速熔断器），短时过压保护（阻容吸收电路），过热保护（热敏电阻），过压保护（压敏电阻）。不过最常用的是头两种。1、过流保护如果想得到较安全的过流保护，建议用户优先使用内部带过流保护功能的模块。另外还可