10kW直流电动机不可逆调速系统设计.doc

目 录
1. 课程设计目的 1
2. 课程设计要求 1
2.1设计内容和数据资料 1
2.2技术指标要求 1
3. 设计内容 1
3.1 调速系统方案的选择 1
3.2 主电路计算 1
3.2.1 整流变压器计算 1
3.2.2 晶闸管元件的额定电压 1
3.2.3 晶闸管保护环节的计算 2
3.2.4 电抗器的参数计算 2
3.2.5 励磁电路元件的选择 3
3.3 触发电路的选择与校验 3
3.4 反馈电路参数的选择与计算 3
3.4.1 测速发电机的选择 3
3.4.2 电流截止反馈环节的选择 3
3.4.3 调速静态精度的计算 3
3.4.4 给定环节的选择 3
3.4.5 控制电路的直流电源 3
4. 设计总结 3
参考文献 4
附 录 5

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
2.1技术数据与要求
技术数据：
直流电动机：
型号：；额定功率；
额定电压；额定电流；
转速；极数；
电枢电阻；电枢电感；
励磁电压；励磁电流。
要求：调速范围，静态率，电流脉动系统。
2.2设计内容
①确定调速系统方案
②主电路选择与计算
③控制电路选择与计算
④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，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。

3.2 主电路计算
3.2.1 整流变压器计算
⑴的计算
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

（3-1）

式中，——理想情况下，时整流电压与二次电压之比，
即；
——控制角为时，输出电压与之比，即；
——电网波动系数，通常取；
——整流电路输出电压最大值；
——主电路电流回路；
——线路连接方式系数；
——变压器的短路比，变压器；
——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）
其中， 取
角考虑的裕量：8
，取
电压比
（3-3）
⑵一次和二次相电流和的计算
已知全波整流电路中

考虑变压器的励磁历次电流时，应乘以1.05左右的系数，所以
（3-5）
（3-6）
⑶变压器的容量计算
（3-7）
式中：、——一次侧、二次侧绕组的相数

考虑励磁功率，取，，，，。
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：

3.2.2 晶闸管元件的额定电压
⑴晶闸管的额定电压
，取
⑵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大于实际流过管子电流最大有效值，即
（3-8）
（3-9）
考虑倍的裕量，
，取。
故选用型号为晶闸管元件。

3.2.3 晶闸管保护环节的计算
⑴交流侧过电压保护
① 阻容保护
在变压器二次侧并联电阻和电容进行保护，接线方式如图2所示。

电容的耐压
故选用型金属化纸介电容器，电容量，耐压。

因此，可选、的金属膜电阻。
阻容保护接线方式如图3所示：

图3 阻容保护接线方式

② 压敏电阻的选择

通过查询相关产品参数目录，取电压为，通流量为，由此选用的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。
⑵直流侧过电压保护

故选用压敏电阻作为直流侧过电压保护
⑶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）
5
10
20
50
100
200
500
1000

0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.50
1.00
2.00

10～20

依据上面表格可以初步确定、。
电容耐压。
选型金属化纸介电容，电容量，耐压。

取，金属膜电阻。
⑷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。
①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
故选用的熔断器，容体电流为。
②过电流继电器的选择
根据负载电流为，可选用吸引线圈电流为的型手动复位直流过电流继电器，整定电流可取。
3.2.4 电抗器的参数计算
⑴使电流连续的临界电感量
，取,则

⑵限制电流脉动的电感量
，取，则
⑶变压器漏电感量
，取，则
⑷实际串入电抗器电感量
已知电动机电感量为，
则
3.2.5 励磁电路元件的选择

图4 励磁电路接线方式
励磁电压；励磁电流，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，故取，额定电流取查得，则

可选用型，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、、功率、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，要求触发电压不小于，触发电流不小于；要求触发电压不小于4V，触发电流不小于。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，电感性负载时则因大于；三相全控桥中采用单脉冲触发时脉宽应大于（通常取），而采用双脉冲触发时，脉宽为左右即可。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，而电感性负载（不接续流管时）要求移相范围为。三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围为，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为。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，动作电流通过RP1调整。已知励磁电流，可选用吸引线圈电流为的直流欠电压继电器。
晶闸管的触发电流为，触发电压为，在触发电路电源电压为时，脉冲变压器匝数比，可获得约的电压，脉冲变压器一次电流只要大于，即可满足晶闸管要求，这里选用的作为脉冲功率放大管，其极限参数，,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，确定单相变压器的参数为：容量，电压为三台。同步变压器的联接如图5所示。

图5 同步变压器的联接组
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6所示。

图6 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，选用型永磁直流测速发电机。其参数为：，，负载电阻是，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，因此测速发电机发出的最高电压为，若给定电源取，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，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。
选用模块电流传感器作为电流检测元件，其参数为：额定电流，匝数比为，额定输出电流为，测量电阻，取为、的绕线电位器。
负载电流为时，让电流截止反馈环节起作用，此时LA的输出电流为，输出电压为，考虑一定的调节裕量，选稳压管作为比较电压，。

3.4.3 调速静态精度的计算
⑴电动机和测速发电机电动势常数计算
电动机电动势常数：
测速发电机电动势常数：
⑵整流装置的内阻
取1.2，则
⑶要求调速系统的静态速降

⑷求闭环系统的开环放大倍数

⑸触发器与整流装置的放大倍数的估算
在触发器选用电源情况下，锯齿波同步电压最大值应小于15V，这里按最大移相电压为计算。

⑹计算转速反馈系数
由于取，约左右，而，故。所以转速反馈系数
⑺计算放大器的放大倍数
由于，故
因为较大，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 。
式中——分压电阻的分压系数。
所以 。
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、，固定小电阻取、，则，故最多能把放大倍数从提高到11倍。采用运算放大器，其输入电阻,为了不影响，应使。故取, ,取
，实取。、均取。
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又为正电压，故给定电压就得取负电压，而一切反馈均取正电压。为此给定电压与触发器共用一个电源，用一个、电位器引出给定电压。
3.4.5 控制电路的直流电源
选用和三端集成稳压器作为控制电路电源，如图8所示。

图8 直流稳压电源原理图

表2 直流稳压电源元件明细表
序号
代号
名称
规格
数量
1
，
桥堆
，
2
2
，
电解电容
，
2
3
，
电容

2
4
7815
三端集成稳压器

1
5
7915
三端集成稳压器

1
6
，
电容

2
7
，
二极管

2

4. 设计总结
在本次设计过程中，我查阅了大量的书籍，设计电力电子技术、电机原理及拖动、电力拖动自动控制系统等几门学科，不但巩固和加深了所学的专业基础课知识，还将所学的知识融会贯通，并且将课本与实际相结合，真正实现了学有所用。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够通过查阅相关书籍得以解决同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献
[1] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京：机械工业出版社，2009.
[2] 唐介等. 电机与拖动. 北京：高等教育出版社，2007.
[3] 彭鸿才. 电机原理及拖动. 北京：机械工业出版社，2005.
[4] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2000.
[5] 黄家善. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2002.
[6] 刘松. 电力拖动自动控制系统. 北京：清华大学出版社，2006.

附 录
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