直流电动机的调速系统设计

1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书目录武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书直流电动机调速系统设计1设计目的、要求及原理1.1设计目的通过本次课程设计，学生应具备以下能力：交、直流电路计算分析能力；电子线路的 分析与应用能力；电子器件的应用能力。同时培养我们学生的学习严谨作风，为后续的专 业课的学习和从事工程工作的工作奠定了坚实的理论和实践基础。1.2设计要求输入交流电源：三相 380V,频率50HZ设计直流电动机采用调压方式的调速可控整 流电源，要求达到：1 、采用晶闸管可控整流电路。2 、直流输出0100V,直流输出额定电流 50A。3 、设计出完整的调压调速电路。4 、完成总电路设计

2、和晶闸管额定电压和电流设计。1.3设计原理直流电动机调速系统电路大体分为晶闸管可控整流电路和调压调速电路。在直流电机 系统中，开关放大器提供驱动电机所需的的电压和电流，通过改变加在电动机上的平均电 压值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶闸管作为开关器件，如同开关一样， 总处于接通和断开的状态。在晶闸管处于接通时，其上的压降可以略去；当晶闸管处于断 开时，其上的压降很大，但是电流为零。所以不论晶闸管是处于导通还是断开的状态，输 出晶闸管的功耗都是很小的。于是利用晶闸管作为开关放大器使电路工作效率更高。控制晶闸管的导通必须用到脉冲调制放大器，脉冲调制放大器是按照一定的频率去接 通和断开放大

3、器，并根据需要改变一个周期内的“接通”和“断开”的相位宽窄。通过改 变相位的宽窄，改变直流电机两端的平均电压值从而改变电机的转速。2设计过程2.1可控整流电路(1 )三相桥式全控整流电路每个时刻均需两只晶闸管同时导通才能构成电流回路， 其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负 载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线电压的包络线。(2) 晶闸管在一个周期内导通120。，关断240 °，管子换流只在本组内进行，每隔 120°换流一次。(3) 触发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为 120

4、76;，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。(4) 晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。2.2过电压、过电流保护电路采用晶闸管作为开关元件的相控整流电路虽然有很多优点，但由于晶闸管过电压、过 电流能力差，短时间的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为使相控整流电路能正常工 作而不损坏，不但要合理选择元件，还必须采取适当的保护措施。过电压过电流保护电路图2过电压过电流保护电路说明：过电压过电流电路有如下特点:晶闸管保护分为过电流保护和过电压保护过电流保护有快速熔断器保

5、护、电子线路控制的过电流保护、过电流继电器保护、直 流快速开关。晶闸管的并联起到均流的作用，晶闸管的并联分别因静态和动态特性参数的 差异而存在电流分配不均匀的问题。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此 外还可以采用均流电抗器。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常才用先串后并的方法连电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。过电压保护包括交流侧过电压保护和直流侧过电压保护、晶闸管换相过电压保护。当晶闸管的额定电压 小于实际要求时，可以用两个以上同型号的晶闸管器件相串联。晶闸管的串联使用不仅要 挑选型号相同的器件，还要采取均压措施。交流侧过电压保护有阻容吸收保护和非线性

6、电阻保护方式。直流侧过电压保护措施一般采 用压敏电阻作过电压保护。2.3触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由 阻断转为导通。对于三相整流桥的晶闸管触发电路很重要的一点是保持触发电路和主电路 的同步，即要求触发电路输出的驱动脉冲信号与电源的频率相同而且相位关系确定，于是必须用到触发电路。晶闸管触发电路是通过控制触发角:的大小，即控制触发脉冲的起始 相位来控制输出电压的大小为了能够实时控制电动机的转速，必须能够连续调节晶闸管的导通角。触发电路图如图3所示。+15Vo220VRP,:vd4V1CRRF|%T VD-ikS<v7VD-l=bc：_BV

7、DJ+15V fczKiHTv接封锁信号图3触发电路图电路可分为三个基本环节，说明：(1) 脉冲形成及放大环节脉冲形成环节由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压uco加在V4 基极上。电路的触发脉冲由脉冲变压器 TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。 脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。(2) 锯齿波形成和脉冲移相环锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。在上图中由VI、RP2和R3 R4等组成 恒流源电路。电容C2的冲放电形成锯齿波，锯齿波通过 V3组成的设计跟随器输出。锯齿 波电压ue3、直流控制电压uk、直流便宜电压up

8、经电阻R6 R7、R8与V4基极b4连接， 着三个电压叠加决定V4的基极电位ub4的大小，即控制V4的工作状态。Up的作用是为了确定uk = 0时脉冲的初始相位。如感性伏在电流连续，三相全控桥(可 逆系统)的脉冲初始相位应定在:-=90 °，可通过调节up与ue3叠加来实现，锯齿波过零 变正点，即为脉冲产生的时刻，对应于：=90。，此时变流器输出Ud= 0。Uk与ue3叠加控制脉冲相位移动，当uk>0时，过零点N点向左移动，： 90。，电 路工作整流状态：当uk<0时，N点向右移动 .90。电路工作于逆变状态。该电路要求 锯齿波宽度大于180°,如选240

9、76;。(3) 同步环节在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率和主电 路电源的频率相同且相位关系确定。上图电路中，同步环节又由同步变压器TS和晶体管V2等组成。同步电压us经TS降压产生二次电压uTS来控制V2的导通与关断，从而控制 C2的冲放电过程，V2截止时C2充电，V2导通是C2放电，这样就形成了锯齿波。正弦波uTS的一个周期内V2截止与导通各一次，对应锯齿波是一个周期，与主回路 电源频率一样，达到同步的目的。锯齿波的宽度由C1的充电时间常数R1C1决定。(4) 双窄脉冲形成环节内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔 60°的脉冲的电路

10、。V5、V6 构成一个“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。在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6彼此间隔60°，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件 补送一个脉冲。2.4直流电动机调速系统2.4.1单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统采用一个转速负反馈和PI调节器构成的闭环控制系统。将与测速电机转速成正比的电压 Uf与给定电压Ud比较后，得偏差电压 U ,经放大器FD,产生控 制电压Uk,用以控制电动机的转速，

11、如图4所示。图4单闭环直流调速系统原理图采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它 可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高， 例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。原因是 因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下 的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。242整体的工作原理直流调压调速系统主要由主电路、控制电路、触发电路及其负载组成。主电路设计主 要包括整流变压器额定参数计算、整流元件的计算

12、与选择、电抗器的参数计算、晶闸管保 护电路的计算等。三相交流电经由三相变压器后，输入整流桥，交流电压经整流桥变成直流电压，三相 变压器采用厶/Y形接法。主电路采用三相桥式整流电路，其中串有过流和过压保护电路，当电力电子电路运行 不正常或者发生故障时，过电压和过电流保护电路就起作用了。晶闸管整流桥只有在触发 装置给出触发信号后才会导通，触发导通角的大小不一样，将会引起直流输出电压大小的 变化，从而导致直流电动机的速度发生改变。三相桥式整流电路适用于拖动大功率电动机 负载，并且电流脉动较小，因而常常被使用。由于电流检测信号中常有交流分量，须加低通滤波，滤波环节可以抑制反馈信号中的 交流分量，但同时

13、也给反馈信号带来了延迟。为了平衡这一延迟作用，在给定信号通道中 加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信 号经过同样的延迟，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。主电路中 还串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转 矩对生产机械的不利影响。本次设计的直流电机可逆调速系统的总体设计原理图如图5所示。15图5直流电动机调速系统的原理图3设计分析与计算3.1电路参数的计算设三相变压器的一次测的输入电压为 组Ni，二次绕组N2。于是得方程：U i （ U i =380V）,二次侧电压为 U2，设直流输出电压为Ud，

14、直流输出电流为Id，触发导通角，负载R。三相全控桥输出电压:Ud2.34 U 2 cos输出电流平均值:Id晶闸管的平均电流值:I dvT流过每个晶闸管的电流的有效值:I VTId晶闸管承受的最大反向电压:考虑安全裕量，故晶闸管的额定电压为:Un = (2 3)Um晶闸管的额定电流为:I VT(1 .)1.573.2晶闸管的参数计算晶闸管电压、电流值,选出晶闸管的型号规格。直流输出的最大电压一次绕（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）=100V,输出的最大电流Id =50A;令触发导通角=0 二次侧输出的最小电压：U 42.7V2.34晶闸管的平均电流值:| dvT-I 16.67

15、A3流过每个晶闸管的电流的有效值:IVTId二 28 .87 A晶闸管承受的最大反向电压:2 二 104 .59V考虑安全裕量，故晶闸管的额定电压为:Un二(2 3)Um二 209.18 313.77V晶闸管的额定电流为:In = (1 .52)比1 .5727 .58 36 .78 A3.3变压器的参数变压器额定参数计算主要是根据给定的电网相电压有效值、已确定的整流电路形式、 负载条件、直流输出电压和功率来计算变压器二次侧相电压、相电流和一次侧电流，以及 变压器二次侧容量和一次侧容量。不理想状态下，二次侧电压：Ud100U2-（11.2）1.1 = 42.3V2.34 cos0 0.92.3

16、4 0.9其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1变压器二次侧相电流： J21- =0.8161- =40.8A 3忽略变压器励磁电流，可计算变压器一次侧相电流为：h = 12土 =40.8 倍=4.54AU1380若考虑变压器励磁电流，则I1比上式计算值再增加5%。忽略变压器励磁功率，则三相桥式相控整流电路整流变压器一次侧容量和二次侧容量 相等。3 = =3512=3 42.3 40.8 = 5177.52V A3.4电动机的参数电动机的电动势系数：Un I NRaC尸nN100 -50 1.21000二 0.04V min/ r这里的 U n =

17、U d =100 V（额定电压），电流In二50A （额定电流），设nN为电动机的额定转速， Ra为电动机的内阻。3.5平波电抗器参数计算由于考虑到电动机不允许有过大的脉动电流通过，所以在整流电路的直流侧串联平波 电抗器抑制较大的脉动电流。三相全控桥中Idmin=（5%10%）N，在这我们按5%勺标准来 计算L =0.693 10出 -21.5mHI d min3.6保护电路的参数晶闸管两端过电压保护：晶闸管过电压保护采取阻容保护，两端并联电阻和电容，电阻、电容值可根据晶闸管额定电流来直接选取经验数据，见表 1。表1晶闸管两端阻容保护数值的经验数据晶闸管额定电流/A10205010020050

18、01000电容/吁0.10.150.30.250.512电阻/O100840201052由晶闸管的额定电流为27.5836.78A，得本调速系统的保护电路电容应选 0.3吓，电 阻为40门。晶闸管两端过电流保护:过电流保护采用晶闸管串联快速熔断器方案。快速熔断器的额定电流通常要大于流过晶闸管的电流有效值的1.3倍。由于流过晶闸管的有效电流 心=28.87A，故选熔体电流为37.531A的快速熔断器。4设计心得在整个课设学习的过程中，通过查询相关资料，同学们相互之间交流，学到了很多课 堂上学习不到的知识。同时使我认识到平时所学知识的重要性、必要性、实用性，增强了 学习知识的兴趣、欲望。随着电力电子课程设计的接近尾声，我的作品也完成了。在经历了这段时间，我感触良 多。首先就是温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，对于理论知识学习不够扎实的我 深感书到用时方恨少”，于是想起圣人之言 温故而知新”