10kV直流调速系统设计(定稿)

1、附件一 封面本科毕业论文(设计)题目： 10kw直流电动机 不可逆调速系统设计 学院： 班级： 姓名： 指导教师： 职称： 完成日期： 年 月 日10kw直流电动机不可逆调速系统设计摘要：许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的电力拖动控制技术领域中，今后相当长时期内仍将采用直流电力拖动系统。本课题对在工业生产中使用较多的10kw直流电动机调速系统进行设计，主要内容有：调速系统方案的选择及其工作原理；调速系统主电路（包括整流变压器、三相桥式整流电路及平波电抗器）工程设计；整

2、流设备过电压、过电流保护电路计算选择；触发电路的选择与校验；反馈电路参数的选择与计算；继电器-接触器控制电路设计；整体电路结构设计；并给出了10kw直流调速系统电气原理总图。本研究课题可广泛应用于各类电力拖动生产机械,满足电力拖动调速机械的生产工艺要求,对提高产品质量和生成率,电力拖动系统的调速性能具有重要意义。关键词：直流调速系统，主电路，保护电路，触发电路，控制电路，设计。目录1 绪论1.1 课题现状、目的和意义1.2 直流调速方法及发展历史1.2.1 直流电动机调速方法1.2.2 直流调速发展过程1.3 本设计涉及主要性能技术指标1.3.1 转速控制要求1.3.2 主要性能指标1.4 本

3、次毕业设计的内容及要求2 调速系统方案的选择及其工作原理2.1 调速系统方案的确定2.2 调速系统的工作原理2.2.1 问题的提出2.2.2 解决方法2.2.3 带截流反馈的转速负反馈调速系统工作原理3 调速系统工程设计的基本内容3.1 主电路计算3.1.1 整流变压器额定参数计算3.1.2 晶闸管的选择3.1.3 平波电抗器参数计算3.2 整流设备保护电路计算3.2.1 过电压保护3.2.1.1 过电压保护的设置3.2.1.2 阻容保护及参数计算3.2.1.3 换相过电压保护及参数计算3.2.1.4 非线性元件保护及参数计算3.2.2 过电流保护3.2.2.1 过电流保护装置3.2.2.2

4、快速熔断器的选择及参数计算3.2.2.3 过电流继电器的选择3.3 励磁电路元件的选择4 触发电路的选择与校验5 反馈电路参数的选择与计算5.1 测速发电机的选择5.2 电流反馈环节的选择5.3 调速系统静态精度的计算5.4 给定环节的选择5.5 控制电路的直流电源6 继电器-接触器控制电路设计7 10kw直流调速系统电气原理总图8 结构设计9 调试、修改电路参数9.1 首先检查接线是否正确，布线是否合理9.2 相序检查 9.3 检查同步电压与主电路电压的相位关系9.4 放大器的检查9.5 触发电路的调整9.6 电阻性负载的调试9.7 电动机负载调试1 绪论1.1 课题现状、目的和意义在用电系

5、统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的60%70%，成为用电量最多的电气设备。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。为了控制电动机的运行，就要为电动机配上控制装置。电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称为直流调速系统，以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称为交流调速系统。

6、众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流不变，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来（20世纪80年代以前）在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，以及近年来随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流可调传动已逐步普及，其应用现在已经超过了直流调速传动。但采用直流可调传动系统，调速范围广、静差率小、稳定性好以及其具有的良好动态性能；相比于交流调速系统调

7、速技术原理成熟、控制电路结构简单；对中、小容量调速系统特别是10kw及其以下可调传动系统，直流调速系统仍占有明显优点。有理由相信在未来高性能的拖动技术领域中，特别是在微特功率控制电机调速系统，在相当长时期内仍将采用直流可调传动系统。就本课题而言，10kw及其以下直流调速系统是目前广泛采用的一种电力控制系统，掌握其工程设计方法，对产品设计、选型设计、维护运行工作都有重要意义。1.2 直流调速方法及发展历史1.2.1 直流电动机调速方法根据直流电机转速方程 （1-1）式中 转速（r/min）；电枢电压（v）； 电枢电流（a）；电枢回路总电阻（ w ）； 励磁磁通（wb）； 由电机结构决定的电动势常

8、数。由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）降压调速。使电枢供电电压下降，则电动机转速下降，由于电动机绕组绝缘有限，电动机电枢电压不能高于额定电压，所以是降压调速，适用于额定转速以下一定范围内的无级调速的场合。降压调速属于恒转矩调速。（2）弱磁调速。使励磁磁通下降，则电动机转速上升。由于磁通超过额定值易饱和，所以只能弱磁调速。适用于额定转速以上的小范围内无级调速场合。弱磁调速属于恒功率调速。（3）变阻调速。使增大（串电阻r），则下降。由于串电阻要消耗功率，机械特性变差（软）。所以只适用于小功率有级调速的场合。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式

9、为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。1.2.2 直流调速发展过程调速的关键是获得可控的直流电源，随着电力电子技术的发展，近代直流调速系统经历三个方面的发展过程。 （1）直流发动机机组（g-m系统）。直流发动机机组的结构原理图，如图1-1所示。 图1-1 直流发动机机组由原动机m（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机g实现变流，由g给需要调速的直流电动机 m 供电，调节g的励磁电流if即可改变其输出电压u，从而调节电动机的转速n。这样的

10、调速系统简称g-m系统，国际上通称ward-leonard系统。g-m系统机械特性是线性的、较硬，且可靠耐用。 此系统设备多、体积大、费用高、效率低；但运行可靠、维护方便，在目前的生产设备中尚有应用。（2）晶闸管可控整流器（v-m系统）。v-m系统的结构原理图，如图1-2所示。 晶闸管-电动机调速系统（简称v-m系统，又称静止的ward-leonard系统），图1-2 v-m系统的结构原理图图中vt是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置gt的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。v-m系统的优点：与g-m系统相比较，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而

11、且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。v-m系统存在的问题：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dv/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。 （3）直流斩波调制器（pwm系统）。在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和

12、无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。直流斩波器的基本结构图，如图1-3（a）所示。在原理图中，vt 表示电力电子开关器件，vd 表示续流二极管。当vt导通时，直流电源电压us加到电动机上；当vt关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经vd续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-3（b），好像是电源电压us在ton时间内被接上，又在 t ton时间内被斩断，故称“斩波”。touusudttonm+_vdvtus控制电路（a）原理图 （b）电压波形图图1-3 直流

13、斩波器的基本结构图这样，电动机得到的平均电压为 （1-2）式中 t晶闸管的开关周期； 开通时间； r 占空比， r =/ t = f ；其中， f为开关频率。为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、gto、igbt等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（pwm-pulse width modulation）。pwm系统的优点：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与

14、快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。综上所述，三种可控直流电源，v-m系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 直流pwm调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代v-m系统成为主要的直流调速方式。1.3 本设计涉及主要性能技术指标1.3.1 转速控制要求任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有

15、以下三个方面：（1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。1.3.2 主要性能指标（1）调速范围d。生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母d表示，即 （1-3）其中和一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。（2）静差率s。当系统在某一转速下运行时，负载由理想空

16、载增加到额定值时所对应的转速降落dnn，与理想空载转速n0之比，称作静差率s ，即 （1-4）式中 dnn = n0- nn。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。设电机额定转速nn为最高转速，转速降落为dnn，则按照上面的分析，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即 （1-5）于是，最低转速为 （1-6）而调速范围为 （1-7）将（1-6）式代入

17、（1-7）式，得 （1-8）式（1-8）表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统， dnn 值一定，由式（1-8）可见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。（3）脉动系数。对含有直流分量的非正弦周期电量而言，定义最低次谐波的幅值与平均值的比值为脉动系数，其大小可表示波形的平直程度。脉动系数可表示为 （1-9）1.4 本次毕业设计的内容及要求为了进一步提高对所学知识的运用能力，以及对自动控制原理、电力电子技术和运动控制系统等课程内容的深入了解，会运用

18、所学知识来设计一般的控制系统。通过设计，一方面掌握设计方法、技巧，另一方面加强理论结合实际及指导解决实际问题的途径，以期达到理论与实际的统一，从而提高同学们对科学实验的兴趣和能力。既培养学生基于所学知识分析和综合典型系统的能力，又使学生理解典型系统的工程背景、在掌握基础理论和方法的同时能够举一反三、提高解决实际自动控制系统问题的能力。本次毕业设计要求设计一个可调传动直流控制系统。采用控制电枢电压改变电动机的转速，电枢电压由三相桥式整流电路提供。（1）技术数据。直流电动机：型号：z371；额定功率：pn=10kw；额定电压：un=220v；额定电流：in=55a；转速：；级数：2p=4 ；电枢电

19、阻：；电枢电感：；励磁电压：；励磁电流：；（2）要求。调速范围d=10，系统静差率s5%；电流脉动系数：10%。2 调速系统方案的选择及其工作原理2.1 调速系统方案的确定 由于电动机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。 电动机的额定电压为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，主变压器采用接法。又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组成六脉冲集成触

20、发电路。 该系统采用降压调速方案，故励磁应保持恒定。因此，励磁绕组采用三相不可控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触头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2-1所示。图2-1 带截流负反馈的直流调速系统框图2.2 调速系统的工作原理2.2.1 问题的提出直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。（1）起动的冲击电流。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏

21、差电压，差不多是其稳态工作值的 1+k 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。（2）堵转电流。有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障、机械轴被卡住或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。2.2.2 解决方法为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量

22、的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。 如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。如图2-2所示为电流截止负反馈环节。其工作原理如下：图2-2 电流截止负反馈当，电流负反馈信号起作用，当，电流负反馈信号被截止。比较电压可以利用独立的电源，在反馈电压和比较电压之间串接一个二极管组成电流负反馈截止环节，如图2-2(a)所示；也可以利用稳压管的击穿电压作为比较电压，组成电流负反

23、馈截止环节，如图2-2(b)所示。后者线路更为简单。电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2-3所示。图2-3 电流截止负反馈环节的输入输出特性其数学模型为 (2-1)2.2.3 带截流反馈的转速负反馈调速系统工作原理带截流负反馈的直流调速系统框图如图2-1所示。控制器采用p调节器，电流反馈信号来自检测主电路电流的霍耳元件，反馈系数为，临界截止电流为，稳压管的击穿电压为，于是有 (2-2)带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环调速系统的静态结构图如图2-4所示，由图2-4可写出该系统两段静特性的方程式。 （1）当时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同【1】 (2-3)（2

24、）当 时，引入了电流负反馈，静特性变成 (2-4)nkpksa 1/ceu*nucunideud0un+- rrs-ucomid rs - ucom-图2-4 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（2-4）中，令 n = 0，得 (2-5)一般，因此 (2-6)应小于电机允许的最大电流，一般取 (2-7)从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 (2-8)3 调速系统工程设计的基本内容3.1 主电路计算晶闸管整流主电路如图3.1所

25、示。3.1.1 整流变压器额定参数计算根据整流器主电路的类型、电源及负载要求的直流电压和电流，可以计算出整流变压器的额定参数：变压器次级相电压u2、相电流i2及容量s2；变压器初级相电流i1、容量s1；变压器等值容量st。根据计算结果可选择变压器。 （1）次级相电压u2的计算。整流器主电路采用三相全控桥式整流电路，在理想情况下其输出直流电压ud与变压器次级相电压u2之间的关系可用下式表示【3】 （3-1）式中，为整流器的控制角。在实际运行中，整流变压器输出平均电压还受下列因数影响：1）电源电压波动：若电源电压允许波动范围为+5%-10%，令为电网电压波动系数，则的变化范围为0.950.5m，为

26、了不影响ri，应使r01/10ri。故取r0=20 k，r1=kpr0，取=0.136，r1=（0=329k，实取330 k。r0、r1均取1/4w。5.4 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uc又为正电压，故可使用一个增益为1反相比例电路，给定电压ugn就取正电压，而一切反馈均取正电压，可参看图2-1中电压的极性。为此给定电压与触发器共用一个-15v电源，用一个2.2k、1w电位器引出给定电压。5.5 控制电路的直流电源这里选用cm7815和cm7915三端集成稳压器作为控制电路电源，其元件参数见表5-1所示，电源原理图如图5

27、-2所示。表5-1 组成控制电路电源元件名称与规格序号代号名称规格数量1b1、b2桥堆2a、200v22c1、c2电解电容2200f、63v23c3电容0.1f247815三端集成稳压器+15v、1.5a157915三端集成稳压器-15v、1.5a16c4电容0.33f27vd1 、vd2二极管3cp12217.7v17.7vvd2vd1c5c6c4c3c2c1+78157915b1b2-15v+15v图5-2 15v直流稳压电源原理图6 继电器-接触器控制电路设计为使电路工作更可靠，总电源由自动开关引入，由于变压器一次侧电流i1=14a，故选用dz5-50型，三极自动断路器，脱扣器的额定电流

28、为30a的三极自动断路器即可满足要求。用交流接触器控制主电路通断，由于i2=46a，故选用cj10-60、线圈电压为220v的交流接触器。可选用吸引线圈电流为60a的jl14-11zs型直流过电流继电器作为过流保护，吸引电流可在7/10至3倍范围内调节。在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5a的jl14-11zq直流欠电流继电器，吸引电流可在3/10至65/100范围内调节，释放电流在1/10至2/10范围内调节。选用al18-22y型按钮，起动按钮用绿色，并带有工作指示灯，停止按钮用红色。设有电源指示灯，选用xdx2型红色指示灯。整流装置应有电流和转速指示，因输出额定电流为55a，并考虑快速

29、起动，故选用100a、59c5-a型直流电流表。转速可通过测量测速发电机输出电压获得，根据电动机在额定转速时测速发电机输出电压为20v，故选用30v、59c5-v型直流电压表改装的转速表，满量程为1500日/min。继电器-接触器电气接线原理图见图7-1。7 10kw直流调速系统电气原理总图10kw直流调速系统电气原理总图如图7-1所示。图7-1 10kw直流调速系统电气原理总图8 结构设计由于电动机容量较大，所用元器件体积大，可考虑采用柜式结构，主变压器、电抗器应放在下层，磁场变阻器应放在安全、且易调节的部位。主电路放在中间，控制电路可放在上层。电流表、转速表、电源指示、起动、停止按钮、给定

30、电位器均应放在上方，以便于观察，操作方便。柜子底脚应根据现场需要，可设计成走轮式（便于移动）、固定底脚式或用螺栓直接固定式，电气柜的外形图可参见图8-1。图8-1 电气柜的外形图有关内部各单元布局，主要根据电器元部件的大小以及方便维修、调试。其元件布置图、印刷版图的绘制及印刷版的制作方法在此不再详述。9 调试、修改电路参数9.1 首先检查接线是否正确，布线是否合理逐点检查焊点质量，看是否有漏焊、错焊、虚焊的地方；察看晶体管管脚、二极管和电解电容等元件的规格，脉冲变压器引线等有无弄错；集成块有无插反；插板、插接件是否插接牢靠，熔丝是否完好。9.2 相序检查 对于三相系统，相位关系要求很严格，因此

31、，在调试之前，必须对电源的相序进行检查，下面介绍两种方法。（1）双踪示波器法。首先指定一根电源线为u相，用yu探头测量其波形，再用yv探头测量另两相，比u相落后1200者为v相，越前1200者为w相。（2）相序器法。相序器如图9-1所示，u、v、w分别接电源的三相，假设电容所接的一相为u相，则灯泡亮的一相为v相，暗的一相为w相。vw220v/15w20.25f/630vu图9-1相序器检查图9.3 检查同步电压与主电路电压的相位关系根据kj004工作原理可知，在同步电压的正负半周都能形成锯齿波。对于电感负载，脉冲移相范围为0o90o，而三相桥角计算起点为相电压交点，以1n晶闸管为例，既u相电压过零点后移30o，故1n晶闸管移相范围对应u相电压30o120o。因此，只要同步电压与u相电压uu同相，就可满足晶闸管1n移相范围的