直流电动机无级调速 毕业设计.doc

毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 直流电动机无级调速 学院：北京化工大学 专业： 机电一体化 班级： 华电专111学生： 范一玮 指导教师： 陈慧荣 1设计（论文）的主要任务及目标(1) 本次的设计任务就是直流电动机无级调速的设计，使其能更好的为我们的生产和生活服务。 (2) 本次的设计目的就是要求设计要使得电动机转速可以由零平滑调至额定转速，能实现高速起动，具有较高的调速精度。2设计（论文）的基本要求和内容(1) 直流电动机的基本知识 (2) 直流电动机的运行原理 (3) 主电路以及控制电路的设计3主要参考文献1 张家生.电机原理与拖动基础.北京邮电学院出版社，2006年 2 唐介.电机与拖动 . 北京:高等教育出版社,2003年 3 陈世元.电机学.中国电力出版社，2004年 4 徐邦荃.直流调速系统与交流调速系统.华中科技大学出版社,2008年5 赵影.电机与电力拖动. 北京:国防工业出版社,2006年4进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1论文初稿2012年12月27日2第一次修改2012年12月30日3第二次修改2013年01月08日4第三次修改2013年02月17日5论文终稿2013年03月16日直流电动机无极调速摘 要本设计主要是运用调速系统对直流电动机进行调速，使其实现无级的效果。此调速系统由主电路和控制电路两部分组成：主电路是采用晶闸管可控整流装置进行调速;控制电路是采用双闭环速度电流调节方法进行反馈。系统采用调压调速的调速方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速。双闭环速度电流调节这种方法虽然初次头次成本相对而言较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。36关键词：无级调速；双闭环；晶闸管北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）目录第1章 前 言1第1节 问题提出的意义1第1.2节 国产直流电机简介2第1.3节 直流电动机的发展现状及趋势2第2章 直流电动机的概述5第2.1节 直流电动机的基本知识52.1.1直流电动机的基本结构52.1.2直流电动机的工作原理62.1.3直流电动机的组成及分类7第2.2节 直流电动机运行原理92.2.1直流电动机的励磁方式92.2.2直流电动机的基本方程102.2.3直流电动机的机械特性11第3章 设计任务与要求16第3.1节 设计任务16第3.2节 设计要求与性能指标16第4章 电路设计18第4.1节 主电路设计184.1.1电机参数计算和晶闸管容量参数计算184.1.2整流电路的选择204.1.3整流器件的选择214.1.4 触发电路的选择214.1.5稳压电源的选择224.1.6主电路保护器件选择23第4.2节 控制电路设计234.2.1双闭环调速系统的组成254.2.2 双闭环直流调速系统的启动过程分析264.2.4转速和电流两个调节器的作用29第4.3节 调速系统主、控电路图30第4.4节 调试过程31总 结33参考文献34致 谢35北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）第1章 前 言第1节 问题提出的意义 随着科学技术的迅猛发展，电气设备发展日新月异。尤其以计算机、信息技术为代表的高新技术的发展，使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化，传统的电气设备设计、制造技术不断吸收信息控制、材料、能量及管理等领域的现代成果，综合应用于产品设计、制造、检测、生产管理和售后服务。在生产技术和生产模式等方面，许多新的思想和概念不断涌现，而且，不同科学之间相互渗透、交叉融合，迅速改变着传统电气设备制造业的面貌，从而使得产品频繁的更新换代，这就使得电机成为社会生产和生活中必不可少的工具。随着科学技术的不断发展，人类社会的不断进步，人们对生活产品的需求要不断趋向多样化，这就要求生产设备必须具有良好的动态性能，在不同的时候进行不同的操作，完成不同的任务。为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计。特别是大型的钢铁行业和材料生产行业，为达到很高的控制精度，速度的稳定性，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，尤其是直流无级调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。第1.2节 国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求，将直流电机制造成不同型号的系列。所谓系列就是指结构形状基本相似，而容量按一定比例递增的一系列电机。它们的电压、转速、机座型号和铁心长度都是一定的等级。现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。z2系列为普通用途的中、小型电机。它的容量从400w到200kw，电动机的额定电压有200v和110v两种，额定转速有3000、1500、1000、750及600r/min五个等级。z2系列普通用途的中型直流电动机，容量从40kw到370kw。zjd系列为大型直流电动机，容量从150kw到6500kw，主要用于驱动大型轧钢机及卷扬机。第1.3节 直流电动机的发展现状及趋势随着电力半导体交流技术的日益发展成熟，直流电机在许多领域已被整流装置代替，但直流电动机具有良好的启动、调速和正反转特性，能满足生产过程中的各种特殊要求，因而在需要宽广调速的场合及特殊要求的自动化控制系统中占有一定得应用地位。目前，我国电机有一定生产规模的企业有500多家，生产的电机产品有500多个系列，近1500个品种。1997年我国电机产量约为55288mw，1998年约为72505mw，1999年约为62000mw。电动机出口量约为12000mw。可以看出1998年较1997年电机产量有较大的提高，到1999年电机产量略有下降，企业负债持续攀升，效益不断下滑，行业整体形势有所下降。745918但随着改革开放的深入，国家宏观政策的调整以及市场需求的推动，我国电机产品由劳动密集型、资源密集型向高附加值和高技术含量的产品转移，出口产品结构也逐步趋向于市场化和合理化。我国500多个电机企业大多集中在沿海地区，西部地区的企业寥寥无几，在国家开发西部的大好机遇里，对电机行业的发展提供了一个发展的机会。另外，我国加入wto后，可将国内一部分富裕的电机生产能力转移到国外去，也是发展的一条出路。在国际市场上，电机是机电产品的重要组成部分之一，每年的贸易额约35亿美元。电机行业单机出口产品主要为交流电动机、交流发电机及直流电动机。由上述可以看到电机的发展还是有很大发展空间的。为了发展电机产品，满足客户需求，扩大国内、国际市场，电机产品必须向多用途、多品种方向发展，向高效、节能方向发展。要开拓市场、扩大出口，今后电机行业的发展必须向以下几方面努力：1电机的多用途、多品种随着电机行业的不断发展，电机产品的外延和内涵也不断拓展，电机产品也广泛应用于能源、交通、石油、化工、建筑等各个领域，并且电机的通用性逐渐向专用性方向发展，打破了过去同一类电机分别用于不同性质、场合的局面。电机正向专用性、特殊性、个性化方向发展，充分发挥电机的效率，这也是国外电机发展的最新观点。2可靠性高、寿命长、噪声低、重量轻、外形美观改革的不断深入，市场的全面开放，市场竞争的日渐激烈，用户对产品高性能的要求，使得产品的生产者为了适应市场及用户的需求，不断地改进工艺，提高技术水平，采用新材料，设计出符合市场需求的电机产品。3高效、节能为了提高电机效率，实现节能的目的，我们采用了许多办法，如采用降低起动转矩、电容补偿、阻尼槽等，但这都是在频率不变的条件下实现的。自从有了逆变器之后，电源的变频变压变得更加容易，从而可以调节异步电机在最佳工作点上运行，保证出力不变的情况下，可用最大效率和高功率因数代替额定效率和额定功率因数，减小了电机尺寸，减轻其重量和降低成本。4机电一体化、智能化随着科学技术的发展，高新技术对电机产品注入了新的活力，计算机辅助设计的运用、国家政策的鼓励、各企业对科技的重视使新产品开发的周期逐渐缩短，机电一体化、智能化电机，应运而生，并且不断推陈出新，在高新技术产品上我国电机的技术水平与发达国家相比，已水平相当。但我国的电机产品要扩大国内、国际市场份额除了要满足以上的要求外，我们还要强化市场竞争意识、市场服务意识，在未来的电机行业大发展中独占鳌。北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）第2章 直流电动机的概述第2.1节 直流电动机的基本知识北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）2.1.1直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的，但任何直流电机都包括定子部分和转子部分，这两部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电路和磁场发生相对运动。直流电机定子部分主要由主磁极、电刷装置和换向极等组成，转子部分主要由电枢绕组、换向器和转轴等构成。结构图如图2-1。 图2-1直流电机结构图1-电刷；2-磁轭；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁轭1定子部分（1）主磁极: 其作用是产生磁场。通常用厚1-1.5mm的低碳钢片叠装而成。在磁极铁心上绕有励磁绕组，整个磁极利用螺杆固定在磁轭上。（2）换向极: 其作用是改善换向，使电机运行时电刷下不产生有害的火花。换向极也是由铁心及绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。（3）机座: 机座分磁轭和底脚两部分。磁轭的作用是固定主磁极和换向极，是磁路的一部分。底脚起支撑和固定整台电机的作用。机座一般式用铸钢铁制造或钢板焊接而成。2转子部分（1）电枢铁心:电枢铁心是磁路的一部分，表面开槽以嵌放电枢绕组，为减少铁耗，采用0.35-0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成，固定在转子支架或转轴上。（2）电枢绕组:电枢绕组由许多按一定规则连接起来的线圈组成，是通过电流和产生电动势的关键性部件。线圈用带绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。嵌放在电枢铁心表面的槽内直流电机采用双层绕组，每槽内的线圈边分上、下两层，上下层之间及线圈于铁心之间都是要可靠绝缘。槽口用槽契压紧，再用钢丝或玻璃丝带扎紧，大型电机中，绕组伸出槽外的端接部分应扎紧在支架上。2.1.2直流电动机的工作原理电动机是一种把电能转变为机械能的机械。它的基本原理是利用带电导体和磁场间的相互作用而把电能变为机械能。电动机结构主要包括两部分：转子和定子。转子为电动机的旋转部分，由转轴座组成，导体绕组的排列方式决定电动机的类型及其特性。绝大多数的电动机都须作连续的转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷a、b相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于n极下，其中通过电流的方向总是由电刷a流入的方向，而在s极下时，总是从电刷b流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。2.1.3直流电动机的组成及分类直流电动机的种类有很多，但一般将其分为电磁式直流电动机、永磁式直流电动机、无刷式直流电动机，三种。1电磁式直流电动机： 电磁式直流电动机由定子磁极、转子(电枢)、换向器(俗称整流子)、电刷、机壳、轴承等构成。电磁式直流电动机的定子磁极(主磁极)由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁(旧标准称为激磁)方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通(由定子磁极的励磁线圈通电后产生)的变化规律也不同。串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高(一般不允许其在空载下运行)。可通过用外用电阻器与串励绕组串联(或并联)、或将串励绕组并联换接来实现调速。并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5-15。可通过削弱磁场的恒功率来调速。他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5-15。可以通过削弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组(其匝数较少)。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为2530(与串联绕组有关)。转速可通过削弱磁场强度宋调整。换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。 转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联连接后，再分别与12片换向片连接。2永磁式直流电动机： 永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。 定子磁极采用永磁体(永久磁钢)，有铁氧体、铝镍钻、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电动机多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用瓦块型磁体。 转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。漆色线在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组)，其各接头分别焊在换向器的金属片上。 电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。3无刷直流电动机： 无刷直流电动机是采用半导体永磁体转子 多极绕组定子 位置传感器定子开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。 无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件(例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇产生脉冲信号。采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件(例如耦合变压器、接近开关、lc谐振电路等)，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位置而变化)。第2.2节 直流电动机运行原理2.2.1直流电动机的励磁方式直流电动机的主极磁场由励磁绕组通以直流励磁电流产生。励磁电流的获得方式称为励磁方式。主励磁场的极性由励磁电流方向决定，场强由励磁电流大小决定。一般直流电动机的励磁电流均可在一定范围内调节。励磁方式一般有，他励、并励、串励、复励，四种。下面就简单介绍一下这四种方式的电动机。1他励电动机此类电动机的励磁绕组f和电枢绕组s由两个不同的直流电源供电，励磁回路与电枢回路相对独立，采用永久磁铁作为主极的永磁直流电动机亦属于此类。2并励电动机 励磁绕组f和电枢绕组s并联，有同一个直流电源供电，励磁电流通常只有额定电流的1%-5%，这是直流电动机最为常见的励磁方式。3串励电动机 励磁绕组c和电枢绕组s串联，其励磁电流与电枢电流相等与负载大小有关。4复励电动机 励磁绕组由并励绕组f与串励绕组c两部分组成，并套在同一个主极铁心上，通常复励电动机以并励为主，并励磁动势占磁极总励磁磁动势的70%以上。若串励磁场对并励磁场助磁，称之为积复励；串磁磁场对并励磁场去磁时，则称之为差复励。复励电动机的运行特性介并励于串励之间。 励磁绕组存在电阻，电动机在工作时励磁回路要消耗一定的功率，称之为励磁损耗，这就使得直流电动机的效率相对其他电动机要低。励磁损耗一般不超过额定功率的1%-3%。2.2.2直流电动机的基本方程1电动势平衡方程式：根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和等于所有压降和，有： （2-1） （2-2） 2转矩平衡方程式：直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩；一个是电磁转矩t；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用表示,空载转矩是一个制动性转矩,永远与转速n的方向相反。 （2-3） 2.2.3直流电动机的机械特性1机械特性的表达式：定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下，电机的转速与电磁转矩之间的关系：。由电机的电路原理图可得机械特性的表达式： （2-4） 通常称b大的机械特性为软特性，b小的机械特性为硬特性。2固有机械特性和人为机械特性：电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性(1)固有机械特性：固有机械特性是指当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值、电枢回路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为： （2-5） 固有机械特性曲线如图所示，由于较小，则也较小，所以直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。 图2-2固有机械特性曲线人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即改变式中的机械特性方程中的某些参数所获得的机械特性： (2-6) 我们来研究只改变电枢电压、磁通或附加电阻的一个参数，求出直流电动机有下列三种人为机械特性：1）电枢串电阻时的人为特性：当电动机的时，其人为机械特性的方程式为： (2-7) 图2-3电枢串电阻时特性曲线与固有特性相比，a.理想空载转速不变，b.b 增大，转速降增大，附加电阻越大，也越大，特性越“软”，如图2-3中曲线1、2所示。这类人为机械特性是一组通过,而不同斜率的直线。可见，当负载转矩不变时，只改变电阻的大小，可以改变电动机的转速，因此，电枢回路串电阻的方法，可用于直流电动机调速。 2）降低电枢电压时的人为特性：当电动机的时，改变电枢电压的人为机械特性的方程式为： (2-8) 图2-4降低电枢电压时特性曲线 与固有特性相比较，a. 机械特性曲线的斜率b 不变，b.理想的空载转速随电压减小成正比减小，改变电压时的人为特性是一组与固有机械特性平行的直线，如图所示。由于受到绝缘强度的限制，电动机的额定电压是工作电压的上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化。可见，当负载转矩不变时，改变电压的大小，可以改变电动机的转速，因此，改变电枢电压的方法，也可用于直流电动机调速。 3）减弱励磁磁通时的人为特性： 可以在励磁回路中串接上电阻，或降低励磁电压来减弱磁通，保持时，减弱磁通的人为特性方程式为： (2-9) 图2-5减弱励磁磁通时特性曲线由于磁通f 的减少，使得理想空载转速和机械特性斜率b 都增大，其特性曲线如图所示。电机的磁通设计在磁化曲线的膝点，接近饱和点，因此一般采用减弱磁通方法，可见，当负载转矩不变时，减弱磁通方法也可用于直流电动机调速。北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）第3章 设计任务与要求第3.1节 设计任务随着科学技术的不断发展，人类社会的不断进步，人们对生活产品的需求要不断趋向多样化，这就要求生产设备必须具有良好的动态性能，在不同的进行不同的操作，完成不同的任务。为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计。特别是大型的钢铁行业和材料生产行业，为达到很高的控制精度，速度的稳定性，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，尤其是直流无级调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。本次的设计任务就是直流电动机无级调速的设计，使其能更好的为我们的生产和生活服务。第3.2节 设计要求与性能指标要求设计要使得电动机转速可以由零平滑调至额定转速，能实现高速起动，具有较高的调速精度。1稳态指标：无静差2 动态指标：电流超调量i=5, 空载启动至额定转速时的转速超调量n=10 ，且启动时尽量避免电流的过大冲击。3电机有关参数： ，电枢回路总电阻 ，电流过载倍数=1.5精品文档北京化工大学继续教育学院毕业设计（论文）第4章 电路设计第4.1节 主电路设计4.1.1电机参数计算和晶闸管容量参数计算1电机有关参数： ，电枢回路总电阻 ，电流过载倍数=1.5，2变压器的付边电压确定：因为， 整定的范围在 之间，所以由三相全桥整流公式： 当 在时有最大值，算出所以可以选择3变压器的容量大小计算：由于电动机电流大小为640a，电流过载是大小为960a，变压器在电动机过载运行时的电流大小为783a，利用功率守恒定理， 阻抗消耗，考虑晶闸管的损耗和自身的损耗以及变压器也有一定的过载能力，选择的变压器容量：。4晶闸管参数计算：由电机的过载倍数，我们可以电动机的过载电流，即最大电流：又由 整流输出电压 ，进线的线电压是120v。由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系所以工作的晶闸管的额定容量参数选择为：5电枢回路的平波电抗器计算：电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5 %10%。则电枢需要串入的电枢电抗器大小可以算： （其中为电枢的固有电抗值） 4.1.2整流电路的选择 图4-1 三相桥式全控整流电路原理图整流电路是将交流变为直流电，电路形式多种多样，各具特色。为了减小直流脉动，选用三相桥式全控整流电路。其原理图如图5-1所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（vt1 vt3 vt5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（vt4 vt6 vt2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1到6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与abc三相电源接的3个晶闸管分别为vt4 vt6 vt2。其特点为：1 2个管子同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同一相器件。2 对触发脉冲的要求：（1）按vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6的顺序，相位依次差60。（2）共阴极组vt1vt3vt5的脉冲依次差120，共阳极组vt4vt6vt2也依次差120。（3）同一相的上下两个桥臂，即vt1与vt4，vt3与vy6，vt5与vt2，脉冲相差180。3整流电路输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。4需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发，另一种是双脉冲触发（常用）。4.1.3整流器件的选择绝缘栅双极晶体管（insulated-gate bipolar transistorigbt）综合了gtr和mosfet的优点，gtr是双极型电流驱动器，由于具有电导调制效应，所以其同流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力mosfet是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。所以在此设计中选用igbt作为整流器件。 igbt的工作原理：沟道，为晶体管提供基极电流，igbt导通。导通压降：电导调制效应使电阻减小，使导通压降减小。关 断：栅极间施加反压或不加信号时，mosfet内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，igbt关断。4.1.4 触发电路的选择晶闸管可控整流电路是通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，称为相控电路。为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。对于相控电路这样使用晶闸管的场合，也习惯称为触发控制，相应的电路习惯称为触发电路。触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。现在广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。1触发电路的分析在此设计中采用双脉冲形成环节与三相整流电路相联接。双脉冲形成环节采用性能价格比优越的、每个触发单元的一周期内输出两个间隔的脉冲的电路，称为内双脉冲电路。（1）内双脉冲电路v5、v6构成“或”门，当v5、v6都导通时，v7、v8都截止，没有脉冲输出，只要v5、v6有一个截止，都会使v7、v8导通，有脉冲输出，第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角产生隔的第二个脉冲是由滞后相位的后一相触发单元产生（通过v6）（2）三相全控桥整流电路与触发电路相连的情况接感性负载电流连续时，脉冲初始相位应定在=；如果是可逆系统，需要在整流各逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为（由于考虑min和，一般为），由于锯齿波波形两面三刀端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于，例如，此时，令，调节的大小使产生脉冲的m点移至锯齿波的中央（处），相应于的位置。如果为正值，m点就向前移，控制角，晶闸管电路处于整流工作状态。如果为负值，m点就向后移，控制角，晶闸管电路处于逆变状态。2集成触发器kc04国产集成触发器kc04是kc系列触发器中的一个典型代表，适用单相、三相供电装置中作晶闸管脉冲移相触发，其两路相位间隔的移相脉冲可方便地构成半控、全控桥式触发线路。该集成电路具有负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位值均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求不严、有脉冲列调制输入及脉冲封锁控制等优点，在实际线路中有着十分广泛的应用。4.1.5稳压电源的选择为了给触发电路提供可靠的电源，减少和避免电压的偏差，使触发电路能稳定的工作。本设计中采用了7815和7915稳压器组成的稳压电源。随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成三端稳压器件78/79系列三端稳压器件是最常用的线性降压型 dc/dc 转换器，用 78/79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠 、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压器型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，由于触发电路要求的电源是15v，所以设计中采用了7815和7915稳压器。4.1.6主电路保护器件选择电路中主要的保护器件是快速熔断器fu，压敏电阻过电压抑制器rv，阀器件换相过电压抑制用rc电路，直流侧rc抑制电路，阀侧浪涌过电压抑制用rc电路等第4.2节 控制电路设计 本系统采用的是双环的调速控制系统，针对生产工艺的控制要求：在给定的压延张力下，进行速度的调节，由这里我们可以认为张力反馈环只是一个辅助的反馈环节，以供操作人员参考，实质起作用的是在启动电动机时的电流反馈环，和进入稳态运行后的速度反馈环节。由这种设计思想，我们可以进行asr和acr的设计。系统的静态结构框图如下： +tgnasracru*n+-unuiu*i+-uctam+-udidupe-mtg内环ni图 4-2 系统的静态结构框图外 环我们按照先内环后外环的设计步骤来设计： 设计要求：实现转速无静差，所以我们采用pi调节器，系统的结构框图图4-3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图a转速反馈系数 b 电流反馈系数 a 1/ceu*nucenud0un+-asr+u*i-idr r b acr-uiupe调节器的输出限幅值确定：转速调节器asr的输出限幅电压u*im决定电流给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压udm本系统：设转速达到额定时的给定为7.5v，输出的限幅值为，所以可以算：又由计算电机时间常数： 和 算出 计算电磁时间常数 ，因为有前面的参数计算要求电流连续时的电枢回路电感是 1.3mh, ,有因为采用的是三相桥式整流电路，所以4.2.1双闭环调速系统的组成双闭环调速系统电路原理图图5-4为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器asr和acr分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，asr的输出限幅什uim决定了电流调节器acr的给定电压最大值uim，对就电机的最大电流；电流调节器acr输出限幅电压ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角。图4-4 双闭环调速系统电路原理图4.2.2 双闭环直流调速系统的启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。由于在起动过程中转速调节器asr经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的i、ii、iii三个阶段。 第i阶段电流上升的阶段（）突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，但是在当没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器asr的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不在迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr由不饱和很快达到饱和，而acr一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。图4-5双闭环直流调速系统起动过程的转速和波形第ii阶段()是恒流升速阶段。该阶段是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，asr始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势e 也按线性增长，对电流调节系统来说，e 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当acr采用pi调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第阶段转速调节阶段（以后）当转速上升到给定值时，转速调节器asr的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速,使转速超调。转速超调后，asr输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩，则=0，转速才到达峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在段时间内，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，asr和acr都不饱和，asr起主导的转速调节作用，而acr则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1饱和非线性控制根据asr的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当asr饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当asr不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。2转速超调由于asr采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必然使转速超调，asr的输入偏差电压un为负值，才能使asr退出饱和。这样，采用pi调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。3准时间最优控制起动过程中的主要阶段是第ii阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。4.2.4转速和电流两个调节器的作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：1转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用pi调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 2电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用；（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程；（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能。在系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此,在双闭环调速系统中,由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小的多。第4.3节 调速系统主、控电路图 第4.4节 调试过程 经过实验室的调试，系统最终能较好地运行，从零速开始速度给定，以及突加速度给定信号，系统都能够正常地起动，升速至给定的速度值。第一个问题是，突加速度给定信号时，电流速度的动态运行曲线在示波器上看到，而且在未经过系统联合调试，即使从零开始升速启动时出现过流报警现象，而当时的转速并不高，负载也不是很大。出现这种情形的，本人认为是首先虽然各个单元已经调试好，但不等于整个系统参数就已经很好这是不同的。系统的各个模块单元之间有一定的耦合关系，系统表现出来的性能与各个模块都相关的，它们之间的参数会互相牵制，一旦某个参数整定稍微不合理就有可能使得系统的性能大大降低，所以在此更显出系统总体调试的必要性和关键性。针对出现的问题，本人反复整定，acr 和 asr的pi参数，特别是速度环