60KW晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计

60KW晶闸管直流电动机大可逆调速系统设计

东北大学秦皇岛分校课程设计报告

东北大学秦皇岛分校自动化工程系

东北大学秦皇岛分校自动化工程系

自动化工程

自动控制系统课程设计

自动控制系统课程设计

晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计

专业名称

班级学号

学生姓名

指导教师

设计时间

自动化*****王娃子闫师傅2010.6.28^2010.7.9

第1页

东北大学秦皇岛分校自动化工程系《自动控制系统》课程设计任务书

自动控制系统》

专业自动化班级#####学生姓名****

设计题目：晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计

设计实验条件利用计算机进行绘图仿真

二，设计任务L直流电动机的主要数据:额定功率60kw,额定电压220V,额定电

流305A,额定转速1000n/min,电枢绕组电阻R=0.05,Ce=O.2V.min/r,励磁电压

220V,励磁电流2A;2.电网供电电压：三相380V;晶匣管可控整流电路允许电

流脉动系数Si=10%,3.调速范围D=15,静差率.主电路中，晶闸管要有过

电压，过电流及抑制其E向电压上升率正向电流上升率的保护电路;5.选择合适

的晶闸管触发电路，并为其确定接入的同步电压.要求：1.系统调速方案的确定⑵

主电路的选择与计算①整流变压器二次侧相电压的计算,整流变压器一，二次侧

电流与容量计算；②电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算，以及晶

闸管型号的确定；③励碳整流电路中二极管额定电压和额定电流的计算，以及二

极管型号的确定；④与电流电动机电枢绕组串联电抗器的电感量计算：：3.触发电

路的选择与计算；4.同步变压器联结组别的确定;5.绘制系统接线图；三,设计组

成员F4第2页东北大学秦皇岛分校课程设计报告用纸目

录绪论........................................4绪论1,设计任

务..............................................5，设计任务2,设计内

容.........................................5，设计内容3,调速系统的方案

选择，3.1.电动机供电方案的选择......................5,电动机供电方案

的选择3.2,触发电路的选择...................5，触发电路的选择

3.3,反馈方式的选择............................6，反馈方式的选择3.4,直

流调速系统框架图，直流调速系统框架图.........................6框架图4,

主电路计算，4.1,整流变压器计算.............................8，整流变压

器计算4.2,晶闸管元件选择.............................8,晶闸管元件选择

4.3,晶闸管保护环节的i一算.......................9,晶闸管保护环节的计算

4.4,励磁电路的选择...................................10，励磁电路的选择

5,同步变压器.......................................12，同步变压器6,平

波电抗器..........................................12，平波电抗器7,晶闸

管直流电动机不可逆调速系统原理总图，晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理

总图…….......13直流电动机不可逆调速系统原理总图8,总

结..................................................14，总结9,参考资

料....................................……14,参考资料第3页东北

大学秦皇岛分校课程设计报告用纸绪论现代电力电子技术是从

以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代

电力电子学方向转变.电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,

其发展先后经历了整流器时代，逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技

术在许多新领域的应用.八十年代末期和九十年代初期发展起来的，以功率

MOSFET和IGBT为代表的,集高频，高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,

表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代.大功率的工业用电由工频

（50Hz）交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典

型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解），牵引（电气机车，电传动的内

燃机车,地铁机车,城市无轨电车等）和直流传动（轧钢,造纸等）三大领域.大功率

硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代,

大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展.随着新型电力电子耦件和

适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下

快速发展.在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能

受到膨响.为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影

响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电

压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性

能优良的开关电源.与交流机组（主控制电路主要是通过接触器来控制的）相比，

品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，功耗小，效率高，因此,直流电动机不可逆调速系统采用晶闸管可控整流装

置供电.第4页东北大学秦皇岛分校课程设计报告用纸1

设计任务1）直流电动机的主要数据：额定功率60kw,额定电压220V,额定电

流305A,额定转速100Jn/min,电枢绕组电阻R=0.05,Ce=O.2V.min/r,励磁电压

220V,励磁电流2A;2）电网供电电压:三相380V;3）昆闸管可控整流电路允许

电流脉动系数Si=10乳调速范围D=15,静差率Wl%;4）主电路中，品闸管要有过

电压，过电流及抑制其正向电压上升率正向电流.上升率的保护电路;5）选择合适

的晶闸管触发电路,并为其确定接入的同步电压.要求：】•系统调速方案的确定⑵

主电路的选择与计算①整流变压渊二次侧相电压的计算,整流变压器一，二次侧

电流与容量计,算;②电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算，以及晶

闸管型号的确定;③励磁整流电路中二极管额定电压和额定电流的计算，以及二

极管型号的确定：④与直流电动机电枢绿组串联电抗器的电感量计克：3.触发电

路的选择与计算;4.同步变压器联结组别的确定;5.绘制系统接线图；2设计内

容1）确定调速系统控制方案2）主电路选择与计算3）绘制系统原理图3调

速系统的方案选择3.1电动机供电方案的选择据题意采用的是大型直流电动机,

可选用三相整流电路，又因本系统设计是不可逆系统，所以可选用三相全控桥整

流电路，电动机的额定电压为220V,若用电网直接供电，会造成导通脚小，电流脉

动大，并且功率因数低，因此，还是用整流变压器供电方式为宜.本系统对输出电

流的脉动提出要求,故使用增加电抗器.3.2触发电路的选择本题设计所选用的

直流电动机容量较大，可采用晶闸管强触发电路.3.3反债方式的选择反馈方式

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.第5页东

北大学秦皇岛分校课程设计报告用纸负载要求D=15,SW%则

系统应满足的转速降n=1)(1s)nsNW1000X0.01r/min=0.673r/

min15X(10.01)电动系数C<beN=UNINRn=N220305X0.05=

0.204751000该直流电动机固有转速降nN='IRCNe=N305X0.05

r/min=74.481r/min»0.673r/min0.20475故采用电压闭环控制系统

控制系统电压放大倍数nK=nu*N1=74.4811=109.670.6733.4直流

调速系统框架图系统框架图如图1所示：4主电路计算4.1整流变压器计算

4.1.1U2的计算第6页东北大学秦皇岛分校课程设计报告

用纸UU2=(1~1.2)Ud其中：A=0.9,B=1,取£=0.9贝ljAEB220

V=271.6~325.925V0.9X1X0.92=(1~1.2)取U2=300V电压比K

=U1=U2380=1.2673004.1.2一次电流11和二次电流12的计算已知

全波整流电路中KI=K1f=1.11,KIIIdd12=1.11I1=1.05K2K

=1.05X1.11X305Z1.267A=280.566AI=KII2=1.11X305A=

338.55A4.1.3变压器容量的计算S=U111221=380X280.566VA=

106615.08VA=300X338.55VA=101565VAS=UIS4.2211=(S1+S

2)=(106615.08।101565)VA=104.09kVA22晶闸管元件的选择4.2.1晶

闸管的额定电压UTN=(2~3)1：m=(2~3)2X300V=848.528~1272.79V

取UTM=1200V4.2.2晶闸管的额定电流接电抗器的电动机负载性质介于电阻

与电感负荷之间，为了晶闸管正常工作，可采用如下公式：3052=(1.5~2)2

A=206.052~274.736ATIT(AV)=(1.5~2)1.57=(1.5~2)1.57

1.57IId取IT(AV)=300A第7页东北大学秦皇岛分校课

程设计报告用纸尽管整流二极管导通时间长，既有整流作用又有续流作用,

但考虑到品闸管电流裕量大，故而整流二极管电流也选300A.4.3品闸管保护

环节的计算4.3.1交流恻过电压保护阻容保护：C25IemSU22=6X

305X104090.04F=2116.497F2300U>1.5Um=1.5X2X300V=

636.4V查询相关电容器分类等级以及标称容量获得如下信息：纸质电容器：

般是用两条铝箔作为电极，中间以厚度为0.008〜0.012mm的电容器纸隔开重叠

卷绕而成.制造工艺简单，价格便宜,能得到较大的电容量，一般在低频电路内，通

常不能在高丁-3〜4Wlz的频率上运用.油浸电容器的耐压比普通纸质电容器高，

稳定性也好，适用于高压电路.故而可以选用2200F，耐压1000V纸介电容器.

UUR>2.3SI22k=2.3Xem300227.5=0.6104090.04305取R=

1Ic=2nfCUeX106=2nX50X2200X300X106A=207.345

ARP2(3~4)ICR=(3~4)X207.3452X1W=129~172KW2可选

1,180KW金属膜大功率电阻压敏电阻RV1的选择：UImA=1.32U=1.3

X2X300V=551.543V通过杳询相关产品参数目录，取电压为660V.通流量

为5kA的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护.4.3.2直流侧过电压保护UIm

A2(1.8"2)UDC=(1.8~2)X220V=396~440V第8页东北大学

秦皇岛分校课程设计报告用纸选用MY31440/3的压敏电阻作

直流侧过电压保护.4.3.3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)C(F)R()51020

501002005000.050.100.150.200.250.501.0010〜20依据上面表格可

以初步确定C=0.2F,R=20PR2=fCUmX106=50X0.2X(2

X300)2X106W=I.8W由此可以确定电容器选用C.2F,1000V的纸介电

容器.电阻选用20,2K的金属膜电阻.4.3.4过电流保护交流侧快速熔断器

的选择：由于I=I2=338.55A,考虑到电动机启动瞬间电流较大，熔断器的

选取依据Irn2(1.5~2.5)IfN原则可以选用额定电压为300V,额定电流

为800A的熔断器.元件端快速熔断器的选择：由于IT=I2=338.552A=

239.391A,为了减少元件的多样性便于设计和额定电流为240A安装，木设计

将元件端快速熔断器的规格定为额定电压为300V,的熔断器.4.4励磁电路的

选择励磁电路额定电压:220V,额定电流:2A由于本设计系统是采用减压调速，励

磁不变，故励磁绕组采用单相桥式不控整流电路供电，其励磁额定电压与电枢电

压不同，需要另外寻找一个电源以满足励磁电路的需要.整流变压器的计算’U

2=(1~1.2)'取U2=300VUd220=(1"1.2)V=272~326VAcB

0.9XIX0.9第9页东北大学秦皇岛分校课程设计报告用

纸按照计算电枢供电变压器容量的方法计算励磁变压器的容量可得：K=U1380

==1.267'U2300II=1.05KI1Id/K=1.05X1.11X21.267A

=1.84AI2=KI2Id=1.11X2A=2.22ASL=UIIL=380X

1.84VA=699.2VAS2=U2I2=300X2.22VA=666VAS=11(SI+S

2)=(699.2+666)VA=682.6VA22所以励磁电路所需变压器的容量为700VA.

励磁电路的整流二极管元件选择：'UTN=(2~3)Um=(2~3)2U2=849

~1273VIT(AV)22=(1.5~2)2A=1.35"1.8A=(1.5~2)1.57

1.57IL取UTN=1300V,IT(AV)=2A5同步变乐器同步变压器的选用：

触发电路所需容量50X0.IVA=5VA给定电压所需容量20X0.15VA=

3.OVA指示装置所需容量两只1W的指示灯容量约为2VA故而脉冲同步变压器

的容量选用10VA比较合适.6平波电抗器在电力系统发生短路时，会产生数值

很大的短路电流.如果不加以限制，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常

困难的.因此，为了满足某些断路器遮第10页东北大学秦皇岛分校

课程设计报告用纸断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大

短路阻抗，限制短路电流.由于采用了电抗器，在发生短路时，电抗器上的电压

降较大,所以也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证

了非故障