直流电动机调速系统的设计

1、直流电动机调速系统的设计1引言在电机的开展史上,直流电动机有着光芒的历史和经历,皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的开展和生存作出了极其巨大的奉献,这些直流电机的鼻祖中尤其是以创造擅长的创造大王爱迪生却只对直流电机感兴趣,现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一局部,因而有必要说明对直流电机的研究很有必要.早期直流电动机的限制均以模拟电路为根底,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,限制系统的硬件局部非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机限制技术的开展和应用范围的推广.随着单片机技术的日新月异,使得许多限制功

2、能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的限制提供了更大的灵活性,并使系统能到达更高的性能.采用单片机构成限制系统,可以节约人力资源和降低系统本钱,从而有效的提升工作效率.直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用.从限制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的根底.早期直流电动机的限制均以模拟电路为根底,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,限制系统的硬件局部非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机限制技术的开展和应用范围的推广.随着单片机技术的日新月异,使得许多限制功能及

3、算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的限制提供了更大的灵活性,并使系统能到达更高的性能.采用单片机构成限制系统,可以节约人力资源和降低系统本钱,从而有效的提升工作效率.本设计主电路采用品闸管三相全控桥整流电路供电方案,限制电路由集成电路实现,系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节2系统方案选择和总体结构设计2.1 调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-71型,其具体参数如下表2-1所示表2-1Z2-51型电动机具体参数电动机型号Pn(KW)Un(V)In(A)NN(r/min)Ra(Q)2,2、GDa(Nm)P极对数Z2-71142306114500.89.812.1

4、.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限制电源通常有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的限制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变Ud,从而实现平滑调速,且限制作用快速性能好,提升系统动态性能.直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWME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

5、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Ud.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,选择品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流电路供电方案.2.1.2 调速系统方案的选择计算电动机电动势系数Ce：230610.80.125vmin/r,1450当电流

6、连续时,系统额定速降为IdNnN-CeR61208780.8r/min,0.125开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率SNnNnNnN780.81450780.8100%35%,大大超过了S<5%.假设D=10,S<5%.,那么nNnNsD1s14500.051010.057.6r/min,可知开环调速系统的额定速降是780.8r/min,而工艺要求的是7.6r/min,故开环调速系统无能为力,需采用反应限制的闭环调速系统.因调速要求较高,应选用转速负反应调速系统,采用电流截止负反应进行限流保护,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

7、用KJ004组成的六脉冲集成触发器.该系统采用减压调速方案,故励磁应保持恒定.采用三相全控桥式整流电路供电.2.2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水平,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,二者之间实行审级联接,这样就可以实现在起动过程中只有电流负反应,而它和

8、转速负反应不同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,只靠转速负反应,不靠电流负反应发挥主要的作用,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IdN时表现为转速无静差,这时,转速负反应起主调作用,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开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2-1所示：3主电路设计与参数计算电动机的额定电压为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；为预防三次谐波电动势的不良影响,三次谐

9、波电流对电源的干扰,主变压器采用D/Y联结.3.1 整流变压器的设计3.1.1 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a加大,功率因数变坏,整流元件的耐压升高,增加了装置的本钱.一般可按下式计算,即：U2(3-1)UdmaxnUT,I2、A(cosminCUsh)I2N式中Udmax-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10100KVAUsh=0.050.1;I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比,应取最大值.在要求不高场合或近似估算时,可用下

10、式计算,即：U21-1.2UdAB式中A-理想情况下,a=0°时整流电压Ud0与二次电压(3-2)U2之比,A=Ud0/U2；B-延迟角为a时输出电压U2与Ud0之比,即B=Ud/Ud0；电网波动系数；(11.2)考虑各种因数的平安系数；根据设计要求,采用公式：U211.2UdAB(3-3)由表查得A=2.34;取e=0.9;a角考虑10°裕量,WJB=COSa=0.985111133VU21-1.22302.340.90.985取U2=120V电压比K=U1/U2=380/120=3.17o3.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得KI1=0.816,kI2=0

11、.816考虑变压器励磁电流得:I11.05KMId1.050.81661371716.49AI2K121d0.8166149.776AS1m1U1I1(3-4)S2m2U212；(3-5)S1/2(S1S2);(3-6)式中m1,m2-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m13,m23SimU1I1=3X380X16.49=18.799KVAS2m2U2I2=3X120X49.776=17.919KVAS1/2(S1S2)=1/2(18.799+17.919)=18.395KVA取S=18.4KVA3. 2晶闸管元件的选择3.1.1 晶闸管的额定电压品闸管实际承受的最大峰值电压Utn,乘以(23

12、)倍的平安裕量,参照标准电压等级,即可确定品闸管的额定电压Utn,即Utn=(23)Um整流电路形式为三相全控桥,查表得Um6U2,那么Utn23Um23%包223V6120587.9881.8V(3-7)取Utn700V.3.1.2 晶闸管的额定电流选择品闸管额定电流的原那么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ITN=1.57It(AV)>IT或1T(AV)1.571.57Id=KId(3-8)考虑1.52倍的裕量(3-9)(3-10)t(av)=(1.52)KI式中K=It/(1.57Id)-电流计算系数此外,还需注意以下几点:当周围环境温

13、度超过+40C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,电流裕量可适中选大些.由表查得K=0.367,考虑(1.52)倍的裕量1.5-2KI1.5-20.3686133.67244.896A取It40A0应选晶闸管的型号为KP20-7.3.3晶闸管保护环节的计算品闸管有换相方便,无噪音的优点.设计品闸管电路除了正确的选择品闸管的额定电压、额定电流等参数外,还必须采取必要的过电压、过电流保护举措.正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键.3.3.1 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

14、电压保护三种.(1)交流侧过电压保护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=18.4KVA,U2=120VIem取值：当S=50100KVA寸,对应的Iem=41,所以Iem取3.C>6IemS/U22=6X3x18.4x103/1202=23aF耐压?1.5Um=1.5X120X.2=254.6V选取10pF,而寸压300V的铝电解电容器.Ush选取：S=18.4KVA,S=50100KVAUsh=1-5,所以Ush=32Ush233R>2.3U2/S-sh=2.3X120/18.4X103=34.48Qem取R=35QI(=2兀fCUC

15、X10-6=2兀X50X10X120X10-6=0.376APr>(3-4)Ic2R=(34)X0.3762X35=(14.8419.79)W选取电阻为2.2Q,20W的金属膜电阻.2)压敏电阻RV1的计算U1mA=1.3V2u2=1.3X也X120=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di/dt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.U1Ma(1.82)UDC

16、=(1.82.2)X230=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：表3-1阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/科F0.250.512电阻/1008040201052抑制品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Um的1.11.15倍.由于1T140A由上表得C=0.5fF,R=10Q,电容耐压?1.5Um=1.5XV6U2=1.5X年X120=441V选C为0.15尸的CZJ

17、D-2型金属化纸介质电容器,耐压为450V.PR2fcUc2106=50X0.15X(.3120)2106=0.324W选R为80Q,1W的普通金属膜电阻器.3.3.2过电流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举措.快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管用联.(1)品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ITId/,3209/.3=120.7A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由于负载电流为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

18、流取1.25X209=261.25A=260A3.4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Ld,称平波电抗器.其主要参数有流过电抗器的电流一般是的,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mHL1K1-U(3-11)Idmin式事Ki为与整流电路形式有关的系数,可由表查得；1dmin为最小负载电流,常取电动机额定电流的5%10%计算根据本电路形式查得K1=0.695所以Li=0.6951202095%=7.98mH(2)限制输出电流脉动的临界电感量L2由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的,因此

19、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,应在直流侧用入平波电抗器,用来限制输出电流的脉动量.平波电抗器的临界电感量L2(单位为mH)可用下式计算L2K2U2SiId(3-12)式中K2系数,与整流电路形式有关,Si电流最大允许脉动系数,通常三相电路Si<(510)%根据本电路形式查得K2=1.045,所以U2120cL2K2=1.045=6mHSj1d10%209(3)电动机电感量Ld和变压器漏电感量Lt电动机电感量Ld(单位为mH可按下式计算(

20、3-13)Ld(一二1032pnId式中Ud/dE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；Kd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Kd=8、UD=Un=230MID=In=209An=1450r/min、p=1LdKdUd103=8230103=3.036mH2pnId211450209变压器漏电感量Lt(单位为mH可按下式计算LtKtUshU2100Id(3-14)式中Kt计算系数,查表可得Ush变压器的短路比,取3本设计中取Kt=3.9、Ush=3所以Lt=3.9X3X120/(100X209)=0.067mH(

21、4)实际用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：LdmaxL2,L1(LD2LT)7.98(3.03620.067)4.81mH如上述条件均需满足时,应取Ld作为申入平波电抗器的电感值,所以本电路选取Ld=60mH作为平波电抗器的电感值.3.5励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同,故取700M额定电流可查得K=0.367,取Il=1.2AId(av)=(1.52)KIl=(1.52)X0.367X1.2A=0.60.88A可选用ZP型3A、700V的二极管RPex为与电动机配套的磁场变阻器,用来调节励磁电流.为实现弱磁保护,在磁场回路中串入了欠电流继电器KA2,动作

22、电流通过RPI调整.根据额定励磁电流lex=1.2A,可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器.图31主电路图电路4触发电路选择选用集成六脉冲触发器电路模块,其电路如电气原理总图所示.从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为Igt(5100)mA触发电压Ugt3.5V0由条件可以计算出_*_._Unmnmax0.007145010.15V*Uim1dm0.0520910.18V触发器选用15V电源,那么：Ks=U当15Uc15cmaxidRKs0.115145018.252.41547.36V由于Uc47.36V,Ugt3.5V,所以触发变压器的匝数比为KgUcV

23、GT47.36314.2取14:1.设触发电路的触发电流为100mA那么脉冲变压器的一次侧电流只需大于100/14=7.14mA即可.这里选用3DG12BNPNt作为脉冲功率放大管,其极限参数Pcm700mW,fT200MHz,Vceo45V,Icm300mA.触发电路需要三个互差120.,且与主电路三个电压U、V、W司相的同步电压,故要设计一个三相同步变压器.这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替,并联成DY型.同步电压二次侧取30V,一次侧直接与电网连接,电压为380V,变压比为380/30=12.7.触发器的电路图如下列图4-1所示:32R422R4-84310912111101R4

24、8R42W4以854/1R4卜III9123411246C51R44R4|81R47CL?:ccW图41集成六脉冲触发电路C5双闭环的动态设计和校验5.1 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：Ts0.0017s,Toi0.002s,所以电流环小时间常数TiTsToi=0.0017+0.002=0.0037S.(2)选择电流调节器的结构由于电流超调量i5%,并保证稳态电流无静差,可按典型I型系统设计电流调节器电流环限制对象是双惯性型的,故可用PI型电流调节器WACRsKiis1oisKi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

25、时间常数Ti=T1=0.03s,又由于设计要求电流超调量5%,查得有K|Ti=0.5,所以K|=05=-05-135.1S1,电枢回路总Ti0.0037电阻R=2Ra=2.4Q,所以ACR勺比例系数KiK|Ri_135.10.032.4Ks-150.0512.97(4)校验近似条件电流环截止频率Wci=KI=135.1S品闸管整流装置传递函数的近似条件：13Ts196.1S1>Wci,满足条件30.0017忽略反电动势变化对电流环动态影响条件:31一-3J112.792S1WCi,满足条件TmT1.840.03电流环小时间常数近似处理条件:TsT3丫0.00170.002180.8S1W

26、ci,满足条件.(5)计算调节器的电阻和电容Ci0.25.2取运算放大器的氏=40k,有RRi0.03520k0.057KiRo=11,9740=511.68k4Toi40.002R040k故WACR,取520k,0.03s1,其结构图如下所示:Kii112.97转速调节器的设计和校验(1)确定时间常数：1有KITi0.5,那么2Ti20.0037s0.0074s,转速环滤波时间Ki0.00740.010.0174s.1常数Ton=0.01s,故转速环小时间常数TnTonKi(2)选择转速调节器结构:按设计要求,选用PI调节器WASRsKnns1nsKn转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间

27、常数(3)计算转速调节器参数:按跟随和抗干扰性能较好原那么,取h=4,那么ASR的超前时间常数为:hTn40.01740.0696s,转速环开环增益KNh12h2T2n51厂上2516.1s.2420.01742ASR的比例系数为：Knh1CeTm2hRTn50.050.1151.84240.0072.40.017422.62.(4)检验近似条件转速环截止频率为WcnKnWKn516.10.069635.92.电流环传递函数简化条件为1KI3Tis13.0.0037WCn,满足条件.转速环小时间常数近似处理条件为:1Ki3.Ton1138.7s1Wcn

28、,满足近似条件.(5)计算调节器电阻和电容:取R0=40k,那么RnKnR022.6240904.8k,取1000k.CnRn0.06961000k0.0696F,取0.1FCon40k0.01d1故WasrsKnns122.620.0696s10.0696snsO其结构图如下:图52转速调节器校核转速超调量：由h=4,查得n43.6%10%,不满足设计要求,应使ASR退饱和,重计算n0设理想空载z=0,h=4时,查得,max=77.5%,所以Cb18.252.4n2(Cmax)(z)1277.5%1.50.115CbnTm1450=0.00792=0.79%<10%满足设计要求.6限制

29、电路的设计与计算6.1 给定环节的选择触发器的移相限制电压Uc为正值,给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变,也应是正值.为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源,用一个2.2K、1W勺电位器引出给定电压.6.2 限制电路的直流电源这里选用CM781序口CM7915E端集成稳压器作为限制电路电源,如下列图所示图61直流稳压电源原理图6.3 反应电路参数的选择与计算本设计中的反应电路有转速反应和电流截止负反应两个环节,电路图见主电路.6.3.1 测速发电机的选择由于Unmnmax0.007145010.15V,故这里可选用ZYS-14A型水磁直流测速发电机.它的主要参数见下表.表62

30、ZYS-14A型永磁直流测速发电机型号最大功率W最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻Rg=2K,P=2W勺电位器,测速发电机与主电动机同轴连接.6.3.2 电流截止反应环节的选择选用LEM1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RM=120,P=1W的绕线电位器.负载电流为1.2In时.让电流截止环节起作用,此时LA25-NP输出电流为1.2In/250=1.2X18.25/1000=0.099A,输出电压为120X0.099=11.88V,再考虑一定的余量,

31、可选用1N4240A®的稳压管作为比拟电压,具额定值为10V.7直流调速系统电气原理总图+_4O-2OSG)X.、+1R2OF1P1OT小结1经过两周的努力我的课程设计终于完成了.课程设计是对自己所学专业知识的一种检验.通过这次课程设计,使我明白了自己原来知识还比拟欠缺.自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低.这样我才明白学习是一个长期积累的过程.此次的电气传动系统课程设计是我和同学共同努力的结果,它增进了我们的团结互助的意识,这也是我们参加工作后所必需的.在此要感谢我们的指导老师胡老师和王老师的悉心指导,感谢老师们给我们的帮助.在设计过程中

32、,我和同学通过查阅大量有关资料,并向老师请教等方式来完成我们的设计.小结经过两周的努力,这次的电气传动系统课程设计终于完成了.这是我和同学们共同努力的结果,它增进了我们的团结互助的意识,这也是我们参加工作后所必需的.在这次电气传动系统课程设计中,首先我通过认真的准备,对所学的理论知识有了更深的了解,对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证,论证,都一一解决了.特别是对这门课程中比拟重要的知识,同时通过此次设计,增强了掌握这门技术的兴趣和决心.在此要感谢我们的指导老师胡老师和王老师的悉心指导,感谢老师们给我们的帮助.在设计过程中,我和同学通过查阅大量有关资料,并向老师请教等方式来完成我们的设计.不久我们将走上工作岗位,希望能够综合应有所学理论知识去分析解决实际工程问题,将设计应有于实践,展现出大学生应该具有的技术理论知识水准.参考资料1、陈伯时