直流电动机毕业论文

1、第1章 直流电动机简介1.1直流电动机的发展近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1

2、917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和

3、技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列 产品，形成了一定的生产规模。1.2直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕阻、换向器和风扇等组成。 1.3无刷直流电动机的特点 无刷直流电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无

4、刷直流电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。和有刷直流电动机相比，无刷直流电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。1.4无刷直流电动机的应用 由于无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又采用电子换向器替代了传统直流

5、电动机的机械换向装置，克服了电刷和换向器所引、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。故在当今国民经济的各个领域的应用日益普及。无刷直流电动机的应用主要有以下几方面： 1.定速驱动方面的应用 一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电动机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于10kw且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电动机正被无刷直流电动机逐步取代，这类应用有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电动机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。 2.调速驱动方面的应用 速度需要任意设定和调节，但

6、控制精度要求不高的调速系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电动机、交流异步电动机和无刷直流电动机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。调速应用领域最初用得最多的是直流电动机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于无刷直流电动机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被无刷直流电动机系统所取代，特别是

7、在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电动机应用领域，则更多的由无刷直流电动机所取代。 3.精密控制方面的应用 伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式：转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制。无刷直流电动机由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电动机与步进电动机，成为其首选的伺服电动机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD唱机驱动、医疗诊断CT、计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了无刷直流电动机伺服系统用于精

8、密控制。第2章 无刷直流电动机控制系统结构和运行原理2.1直流电动机的系统结构2.1.1转子位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号，去控制电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序通电，使定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换向，从而使电动机能够连续工作。 位置传感器种类较多且各具特点，目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器有以下几种形式。 1.电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量

9、作用的，有开口变压器、磁谐振电路、接近开关等多种类型。在无刷直流电动机中应用较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器信噪比较低，体积较大，同时其输出波形为交流，一般需整流、滤波后方可使用。 2.光电式位置传感器 这种传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动直流电源开关电路电动机位置传感器及光电管等部件组成。它性能较稳定，但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺陷。 3.磁敏式位置传感器 这种传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的半导体敏

10、感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。这种传感器结构简单、体积小、灵敏度高、寿命长、成本低，但是输出的电势信号比较低，需要用外加电路将信号放大。除上述三大类传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是，这种元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用。此外，利用电动机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机的换相。由于它省去了位置传感器，使得无刷直流电动机的结构更加紧凑。 2.1.2电子开关电路 无刷直流电动

11、机的工作离不开电子开关电路，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电。开关电路将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，触发功率开关，从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。无刷直流电动机的电子开关电路主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 早期的无刷直流电动机的开关电路大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，而且

12、晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。2.2直流电动机的工作原理 1.系统基本构成 无刷直流电动机主要有电动机本体、电子开关电路、位置传感器三部分组成，其原理如图2.1所示：开关电路电动机直流电源 框图如图2-1所示。位置传感器图2-1系统原理框图Fig.2-1Principal picture of system2.1.1电动机本体图2.1 系统原理框图Fig.2.1 Principle diagram of system 2.直流电

13、动机的工作原理 电动机本体包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相（二相、三相、四相、五相不等）；转子由永磁材料按照一定极对数（2p=2,4,）组成，按照其结构分两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体嵌到转子铁心中，称为嵌入式。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形(瓦片型)，磁极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布3。 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙磁场中产生磁场，其转子电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动

14、电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转。在电枢线圈中通入直流电流，电枢在磁场中旋转，换向器和电枢一起旋转。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， 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从电刷A流入的方向，在S极下，

15、电流总是从电刷B流出的方向。由此保证了每个磁极线圈边中的电流始终是一个方向，使电动机连续旋转。 图2.2 直流电动机基本工作原理图Fig.2.2 The basic working principle of DC motor 3.直流调速系统工作原理直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统,双闭环调速系统具有控制容易,能在宽范围内平滑调速和快速响应的优点,在直流调速系统中得到广泛得应用。直流电动机双闭环调速系统可以在电机最大允许电流和转矩受限制的情况下,能充分发挥电机的过载能力,在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速

16、度起动,到达稳态转速时,电流降下将使转矩马上与负载平衡,从而进入系统稳态运行。即在起动阶段只有电流负反馈没有转速负反馈。到达稳态时,只让转速负反馈发挥作用,不让电流负反馈发挥作用。2.3直流电动机的调速方法2.3.1开环直流调速 1.原理直流开环调速系统的电气原理如图2.3所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2.4所示。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。 图2.3直流开

17、环调速系统电气原理Fig.2.3 Open loop speed control system of DC electrical principle图2.4 移相特性Fig.2.4 Phase shift characteristic 22个参数的理论计算值 触发器的控制角（alphadeg端）通过了移相控制环节（shifter），移相控制模块的输入是移相控制信号Uc（图2中Uc），输出是控制角，移相控制信号Uc由常数模块设定。移相特性如图3所示。移相特性的数学表达式为 (1)在本模型中取，所以。在电动机的负载转矩输入端TL接入了斜坡（Ramp）和饱和(Satutration)两个串联模块，斜

18、坡模块用于设置负载转矩上升速度和加载的时刻，饱和模块用于限制负载转矩的。3.开环直流调速控制系统组成开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具备修正能力。而直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压方案，具体实现在20世纪60年代晶闸管整流器的应用而采用由晶闸管整流器和电动机系统实现开环或闭环控制调速系统。由晶闸管整流器和电动机组实现开环系统结构，晶闸管整流器提供可以调节直流电动机电枢电压实现直流电动机转速输出，而系统的输出量没有反馈给定环节参与控制实现转速的开环控制。2.3.2双闭环直流

19、调速 1.双闭环控制系统 （1）闭环直流调速控制系统介绍 闭环控制系统是既有参考输入控制输出量的前向或称顺向控制作用，又有输出量引回到输入端的反向控制作用，形成一个闭环控制形式。通常把输出量引回到输入端与参考输入量进行比较的过程称作反馈，所以闭环控制系统又称反馈控制系统。如果反馈信号与参考输入信号符号相反，称作负反馈；符号相同称作正反馈，自动控制系统中多采用负反馈。在直流闭环控制系统中根据引入反馈信号的类型与结构形式的不同，在实际应用中看见遇到的系统有转速单闭环负反馈控制系统，电压负反馈控制系统，电压负反馈带电流补偿控制系统，以及双闭环控制系统，甚至多环控制系统。其中，最为常用的是转速单闭环负

20、反馈控制系统和电流、转速双闭环直流调速控制系统，而转速单闭环负反馈控制系统包含在双闭环直流调速控制系统之中。第3章 构建直流调速系统仿真模型及运行解析 3.1开环直流调速仿真及运行结果MATLAB是Mathworks公司开发的用于数学计算的工具软件，它的大部分工具箱面向控制和相关学科，具有强大的矩阵运算能力、简便的绘图功能、可视化仿真环境的Simulink.Simulink仿真工具中还包括用于电力电子、电器传动的仿真工具，由连接库、电源库、元件库、电机库、测量模块库、电力电子模块库组成。MATLAB/Simulink作为解决控制系统仿真与设计的主要语言，从各个角度对控制系统进行全面分析(包括系

21、统的时域分析，变换、控制系统的稳定性分析、复域分析等)，并基于分析结果给系统设计控制器，改善闭环系统的性能，是目前国际上自动控制领域的首选计算机语言。3.1.1开环系统的建模与仿真 采用面向电气原理结构图方法，构作的开环直流调速系统的仿真模型，由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。各部分建模与参数设置过程。 下图为开环直流调速系统的仿真模型图3.1 开环直流调速系统的仿真模型Fig.3.Open loopDC motor control system simulation model3.1.2系统的建模和模型参数设置 1.主电路的建模和参数设置 开环直流调

22、速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模仁“豆。三相对称交流电压源的建模和参数设置。打开电压源参数设置对话框，A相交流电源参数设置:幅值取220v、初相位设置成0度，频率为50Hz、其它为默认值如图3.2所示。B相交流电源参数设置方法与A相相同，除了将初相位设置成互差120度外，其它参数与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。 （1）晶闸管整流桥的建模和参数设置 首先从电力电子模块组中选取“UniVersalBridge”模块，并将模块标签改

23、为“晶闸管整流桥”;然后双击模块图标打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图3.3所示。当采用三相整流桥时，桥臂数取3;A，B，C三相交流电源接到整流桥的输人端;电力电子元件选择晶闸管。参数设置的原则是:如果是针对某个具体的变流装置进行参数设置。对话框中的R、L、C等参数取该装置中的晶闸管元件的实际值;若仿真结果不理想，则不断进行参数优化。最后确定其参数。图3.2 相电源参数设置Fig.3.2 Phase power parameter setting图3.3 SCR整流桥参数设置Fig.3.3 SCR rectifier bridge parameter setting （2）平波电抗器

24、的建模和参数设置 选择“SeriesRLC阶anch”模块，然后打开平波电抗器的设置对话框，进行设置。下图为平波电抗器参数设置对话框。 图3.4 平波电抗器参数设置Fig.3.4 Flat wave reactor parameter setting （3）直流电功机的建模和参数设置 首先从电机系统模块组中选取“DCMaChine”模块，直流电动机的励磁绕组接直流J恒定励磁电源，从电源模块组中选取直流电压源模块。并将电压参数设为220V。电枢绕组经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出;电动机经TL端口接恒转矩负载。下图为直流电动机参数设置图。图3.5 直流电动机参数设置图Fig.3.5 DC mot

25、or parameter setting diagram （4）同步脉冲触发器的建模和参数设置 同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。同步电源和6脉冲触发器及封装后的子系统符号如图3.6所示。图3.6 同步触发器和封装后的子系统符号Fig.3.6 Synchronous trigger and packaged system symbol图中触发开关信号为“O”时，开放触发器，为“1”时，封锁触发器。 2.控制电路的建模和参数设置 开环直流调速系统的控制电路只有一个给定环节。它可从输入源模块组中选取“Constant”模块，设为SOrad/s。 将主电路和控制电路的仿真模型按照开环直

26、流调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接。即可得到图3.1所示的开环直流调速系统仿真模型。3.1.3系统的仿真参数设置 在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“Simula、ionparameters”设置，如图3.7所示。图3.7 仿真参数设置对话框及参数设置Fig.3.7 Parameters of simulation and parameter settings dialog box3.1.4 系统的仿真结果当建模和参数设置完成后，打开“Simulati。n”菜单，点击“Start”命令后，系统开始仿真，结果如图3.8。图3.8 开环控制的仿真结果w、Ia、I

27、f、TeFig.3.8 Open loop control simulation results of W, Ia, If, Te3.2 双闭环直流调速仿真分析及运行结果双闭环调调速系统的仿真模型只是在开环的基础上增加了转速和电流调节模块及限幅模块，其仿真模型如图下图所示。参数的设置也基本一样，只要将转速和电流调节器模块中的比例系数等相关数据按设计实例中的计算结果代入即可。图3.9 双闭环调调速系统的仿真模型Fig.3.9 Double close loop adjustable speed control system simulation model 当建模和参数设置完成后，打开“Simu

28、lati。n”菜单，点击“Start”命令后，系统开始仿真，结果如图。图3.10 双闭环的仿真结果Fig.3.10 Double close loopsimulation results第4章 全数字直流电动机传动系统设计 4.1数字直流调速系统的组成 连续控制系统是以反馈控制理论为基础,由模拟电子电路构成控制器,因而存在以下弱点:由运算放大器构成的调节器参数一经设定,不易调整;对工况的变化和对象的自适应能力差;模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法;模拟电路检测精度不高;由模拟器件构成的控制电路集成度不高,硬件复杂,可靠性低。以微处理器为核心的数字控制系统集成度高,由于采用高速数字信号处

29、理器为控制器,可以实现复杂的控制策略和控制算法。另外可以借助一些人机界面设备实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能。因而数字控制系统具有更高的发展前景。数字双闭环直流调速的结构图如图3.11所示。图4.1 数字双闭环直流调速系统原理图Fig.4.1 Digital DC double loop speed control system schematic diagram4.2调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-51型，其具体参数如下表2-1所示电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-914823020914500.35

30、8.021 表4.1 Z2-51型电动机具体参数Table4.1 Z2-S1 moter specific parameters4.2.1.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，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PWM

31、受器件各量限制，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。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，选择晶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

32、流电路供电方案。4.2.2 调速系统方案的选择 计算电动机电动势系数： 由 v min/r, (1)当电流连续时， 系统额定速降为: r/min, . (2)开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率: ，大大超过了S5%. (3)若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是1090.4，而工艺要求的是7.6，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

33、持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电。 4.3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，二者之间实行串级联接，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

34、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时表现为转速无静差，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升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4.2所示： 图4.2 直流双闭环调速系统结构图Fig.4.2 Double close loop speed control system structure diagram4.4主电路设计与参数计算电动机的额定电压

35、为230V，为保证供电质量，应采用三相降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D/Y联结。4.4.1整流变压器的设计 1变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大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： （4） 式中: -整流电路输出电压最大值； nUT -主电路电流回路n个晶闸管正向压降； C - 线路接线方式系数； Ush -变压器的短路比，对10100KVA，Ush =0.050.1； I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比

36、，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （5）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比, 即A=/；B-延迟角为时输出电压与之比，即B= /；电网波动系数；(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (6)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取U2=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。 2 一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得： 3变压器容量的计算 （7） ； （8） ； （9）式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=33805

37、6.49=64.398 KVA=3120170.54=61.394 KVA =1/2（64.398+61.394）=62.896 KVA 取S=62.9 KVA4.4.2晶闸管元件的选择 1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则 （10）取V. 2 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 =1.57 或 =K （11）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （12）式中K=/（1.57）-电流

38、计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40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 （13）取。故选晶闸管的型号为KP20-7。4.4.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、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。 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

39、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=62.9KVA, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6S/U22=6362.9103/1202=78.6F耐压1.5Um =1.5120=254.6V选取10F,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=62.9KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.31202/62.9103=34.48取 R=35IC=2fCUC10-6=2501012010-6=0.376 APR(3-4)IC2R=(34) 0.376235=（14

40、.8419.79）W选取电阻为2.2，20W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3120=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，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 230=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：晶闸管额定电流/A102050

41、1002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052表4.2 阻容保护的数值Table 4.2 the resistance-capacitance protection value 抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5=1.5120=441V选C为0.15F的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=500.15=0.324W 选R为80，1W的普通金属膜电阻器。 2 过电流保护快速熔断

42、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串联。 （1） 晶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=120.7 A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1.25209=261.25A260A。4.4.4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，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

43、，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mH。 （14）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=7.98mH 2.限制输出电流脉动的临界电感量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，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计

44、算 （15）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=6mH 3.电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （16）式中,n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；P电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=209A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （17）式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.9、=3所以 =3.93120/（

45、100209）=0.067mH 4.实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量： 如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=60 mH作为平波电抗器的电感值。4.4.4电流调节器的设计和校验1.确定时间常数在三相桥式全控电路有：已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。2.选择电流调节器的结构因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器 。 电流调机器的比例系数 电流调节器的超前时间系数 3.电流调节器参数计算 电流调节器超前时间常数=0.03s，又因为

46、设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，电枢回路总电阻R=2=2.4，所以ACR的比例系数 =4.校验近似条件 电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。5. 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=11.9740=511.68，取520，取0.1，取0.2。故=，其结构图如下所示：图4.3电流调节器Fig.4.3 Current regulator4.4.5 转速调节器的设计和校验1.确定时间常数有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常

47、数。2.选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数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：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。4.检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容取=40，则，取1000。，取0.1，取1。故。其结构图如下：图4.4 转速调节器Fig.4.4 speed regulator校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算。设理想空载z=0，h=4时，

48、查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% 10%满足设计要求. 6.测速发电机的选择 因为，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。 型号最大功率W最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000表62ZYS-14A型永磁直流测速发电机Table 4.3 2ZYS-14A type permanent magnet DC tachometer generator取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。 7. 电流截止反馈环节的选择选用LEM模块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，额定输出电流为25mA。选测量电阻=120,P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA25-NP输出电流为1.2/250=1.218.25/1000=0.099A，输出电压为1200.099=11.88V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。 第