10kW直流电动机不可逆调速系统设计报告最终版要点

1、电力电子技术课程设计报告题目：10KW直流电动机不可逆调速系统设计系 另比专业班级：学生姓名：学生学号：指导教师：（课程设计时间：20年 月 日一一20年 月 日）目 录1. 课程设计目的12. 课程设计要求12.1技术数据与要求 12.2设计内容13. 设计内容23.1调速系统方案的选择23.2主电路计算33.2.1整流变压器计算 33.2.2晶闸管元件的额定电压53.2.3晶闸管保护环节的计算53.2.4电抗器的参数计算83.2.5 励磁电路元件的选择 93.3触发电路的选择与校验93.4反馈电路参数的选择与计算 123.4.1测速发电机的选择 123.4.2电流截止反馈环节的选择133.

2、4.3调速静态精度的计算133.4.4给定环节的选择153.4.5控制电路的直流电源 164. 设计总结17参考文献17附 录181. 课程设计目的1、 把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面 综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切 结合起来。2、初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能， 培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。3、培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、 图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技 能和基本素质训

3、练。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：Z3-71 ;额定功率Pn =10kW ；额定电压Un =220V ;额定电流In =55A ；转速 nN =1000r. min ；极数 2p = 4 ；电枢电阻Ra =0.5门；电枢电感LD =7mH ；要求：调速范围D -10，电流脉动系统S乞10%。2.2设计内容 确定调速系统方案 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220V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电

4、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。该系统采用降压调速方案，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图1所示。图1直流调速系统框图3.2主电路计算3.2.1整流变压器计算U 2的

5、计算U2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U2 =Udmax nUT（ 3-1）I2 A& COS =0.985U220U2 =(11.2) d V=1O6 127V，取 U2 =110VA B 2.34 1 0.985电压比UiU2型 3.45110(3-3)一次和二次相电流I1和| 2的计算Km 二 KI2 =0.816考虑变压器的励磁历次电流时,I1应乘以1.05左右的系数，所以I55I1.05KI1 d =1.05 0.816 A=13.7AK3.45(3-5)|2 二

6、KI2Id =0.816 55A 二 45A变压器的容量计算3 = mU 111(3-6)(3-7)式中：mi、m2S2 mU 2121S(S1 S2)2次侧、二次侧绕组的相数S1 =3U1I(3 380 13.7)kVA = 15.6kVAS2 =3U2I2 =(3 110 45)kVA =14.85kVA11S (S1 S2)(15.6 14.85)kVA =15.3kVA22考虑励磁功率 PL =(220 汉 0.6)W = 0.352kW，取 S =16kA，S2=15.2kVA，S =15.6kVA，I1 =14A，12 二 46A o晶闸管和整流管的选择主要指合理的选择器件的额定电

7、压和额定电流322晶闸管元件的额定电压晶闸管的额定电压Utn =(23)Um =(23) .6U2 =(23).一 6 110/ = 539 808V，取 Utn=70(V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Itn大于实际流过管子电流最大有效值it，即1TN - 1 .571 T(AV) 1 .571 T( 3-8)It(AV)KI d( 3-9)()1.571.57 Id考虑1.5 2倍的裕量，K =0.367It(av)=(1.52)KId = (1.5 2) 0.367 55 36.3 48.4A，取 IT(AV50A。故选用型号为KP50-7晶闸

8、管元件。3.2.3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RL)和电容C(JF)进行保护，接线方式如图2所 示。S5200 ,G _6lem 2 =6 102 F = 25FU2110电容 C1 的耐压1.5Um =1.52 110V = 233V故选用CZJD -2型金属化纸介电容器，电容量20牛，耐压250V 。1卜3emR A2.3土 亞二鸟亠110 S ； I em5200lc =2二fUc 10占=2二 50 20 110 10A = 0.69APr _(34)I；R = (34)0.692 2.2W = 3.1 4.2W丄丄丄因此，可选22、5W的金属膜电

9、阻。TR图2阻容保护接线方式压敏电阻RV1的选择UImA =13、2U =1.3.2 110V =202V通过查询相关产品参数目录，取电压为220V，通流量为5KA，由此选用MY -220/5的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。直流侧过电压保护UImA =1.3 2U =1.32 110V =202V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。表1晶闸管过电压保护参数书估计值元件容量（A）51020501002005001000C(AF)0.050.100.150.200.250.501.002.00R(0)10 20依据上面表

10、格可以初步确定 C2=0.2F、R2=20电容耐压 _1.5Um =1.56 110V =566V。选CZJD -2型金属化纸介电容，电容量0.22-F，耐压400VPR2 = fCUC =10 =5 0.2 b3x 110)10 =0.8W取R2 =43，1W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

11、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Itld _55A.3,3= 32A故选用RLS 一50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 55A-70A。3.2.4电抗器的参数计算使电流连续的临界电感量L,Ki = 0.695，取 Idmin = 0.051 d =0.05 55A = 2.75A,贝UL, 十- = 0.695 -110mH = 27.8mHIdmin2.75限制电流脉动

12、的电感量L2u110K2 = 1.045,取 S =0.1，贝U L2 =K2- =1.045汇mH =21mHSi ld0.1 汇 55变压器漏电感量LtUU5 110Kt =3.9，取 Ush =5，贝U Lt = Kt2 =3.9mH 二 0.39mH100 Id100 55实际串入电抗器电感量Ld已知电动机电感量为LD =7mH，贝ULd 7 - (Ld 2Lt) =27.8-(7 0.78) 20mH325励磁电路元件的选择图3励磁电路接线方式励磁电压Ul =22CV ;励磁电流Il =1.6A，电路接线方式如图3所示整流二极管耐压值与主电路晶闸管相同，故取7CCV，额定电流取:=0

13、查得 K =0.367，则Id(av)=(1.52)KIl =(1.52) 0.367 1.6A = 0.88 1.2A可选用ZP型3A，700V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(门极、栅极

14、)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

15、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200 mA。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，

16、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 10%，电感性负载时则因大于100% ;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， 很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡

17、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 o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。KP50晶闸管的触发电流为8 150mA，触发

18、电压为Uc乞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 DY。，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 4所示。图4同步变压器的联接组图5触发电路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5所示3.4.1测速发电

19、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：Etg =11CV，门丁 =2000r/min，负载电阻Rtg是2K1，2W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 电机发出的最高电压为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）。对调速指标要求不咼的场合，米用单闭环系统，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

20、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LEM模块LA100 -NP电流传感器作为电流检测元件，其

21、参数为：额 定电流100A，匝数比为1/1000，额定输出电流为100mH，测量电阻 Rm =3050门，取Rm为47、1W的绕线电位器。负载电流为1.21 N时，让电流截止反馈环节起作用，此时LALA的输出电流 为 1.21 N/1000 = （1.2 55/1000）mA = 66mA，输出电压为 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：Cj：-二Un f 220 - 55 0.5 = 0.193 nN1000测速发电机电动势常数:CeTG TG ETGnNTG402000=

22、 0.02整流装置的内阻RKUd。-Un2 234 110-220,1.655要求调速系统的静态速降1000 0.0510 1-0.05r /m in =5.26r /m in求闭环系统的开环放大倍数 KIn RCe - nN551.6 0.50.193 5.26一仁113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 按最大移相电压为15V计算。15V，这里Ksd maxC max15计算转速反馈系数由于 Ugd 取 15V , Ufn 约 12V 左右，而 Etg =2CM，故:t0.6所以转速反馈系数：TGCeTGGTG =0.6 0.02 =

23、 0.012计算放大器的放大倍数-KpKsCe，故KpKCe-Ks3=1210.012 15因为Kp较大，故选用放大倍数可调的放大器，如图 6所示。由于匕点是虚地，故U C 0RoRi式中一一分压电阻的分压系数。Rs +R4所以 KP CoUgdPRo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，则Pmh =0.47/( 4.7+ 0.47= 1/11故最多能把放大倍数从R/Ro提高到11倍。采 用F 007运算放大器，其输入电阻ri 0.5M1 ,为了不影响*，应使R, ： ri /10 o 故取 R0 =20k0, R =卩心尺，取 P =0.136, R =(0.136 2仆 200 貝=329kQ ，实取 330ko R。、R1 均取 0.25W o3.4.4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U c又为正电压，故给定电压Ugd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2.21、1W电位器引出给定电