电气工程课程设计

PAGE东北石油大学课程设计课程课程电气工程课程设计题目直流电动机调速系统设计院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气1班学生姓名学生学号1指导教师姜骁楠姚建红2015年11月22日东北石油大学课程设计任务书课程电气工程课程设计题目直流电动机调速系统设计专业电气工程及其自动化姓名学号1主要内容：设计一个由晶闸管整流桥、直流电动机、PI调节器组成的调速控制系统，完成完整电路原理图设计和绘制。利用调节直流电机电枢电压使电机获得良好的调速性能，而晶闸管三相桥全控整流电路可以根据电压Ug（直流)的大小变化方便地改变直流输出电压的大小，电动机具有宽的调速范围和调速精度。参考资料：[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.[2]韩树青.直流电机控制系统设计与实现[J].内蒙古大学学报,2012,9(13):8-12.

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.[4]夏长亮.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报,2012,10(6):4-9.[5]安群涛.直流电机的直接转矩控制[J].中国电机工程学报,2010,8(14):21-26.完成期限2015.11.9-2015.11.22指导教师姜骁楠姚建红专业负责人2015年11月5日目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计要求 11.1控制要求 11.2系统总体方案设计 12三相全控桥主电路设计 22.1直流电动机不可逆调速电路及原理 22.2整流变压器参数计算 32.3晶闸管参数计算 53触发电路设计 53.1KC04芯片引脚介绍及其原理 53.2触发电路及原理 64反馈电路的选择与计算 84.1测速发电机的选择 84.2电流截止反馈环节的选择 94.3调速静态精度的计算 104.4给定环节的选择 115系统仿真结果及分析 115.1软件仿真 115.2仿真结果及分析 126结论 14参考文献 15电气工程课程设计（报告）PAGE151设计要求1.1控制要求工业生产中常常要求电动机具有宽的调速范围和调速精度，例如连续式轧钢机、造纸机、电梯等。为此利用调节直流电机电枢电压获得良好的调速性能，而晶闸管三相桥全控整流电路可以根据电压（直流)的大小变化方便地改变直流输出电压的大小。课题要求设计一个由晶闸管整流桥、直流电动机、PI调节器(运放)组成的调速控制系统，完成完整电路原理图设计和绘制。具体设计内容如下：1、晶闸管三相桥式全控整流电路旳基本工作原理（1）晶闸管型号规格选择；（2）晶闸管保护设计；（3）整流变压器设计。2、整流变压器设计3、三相脉冲触发器设计4、测速电路设计和PI调节器设计1.2系统总体方案设计由于电机容量较大，且要求电流脉动小，故选用三相全控桥式整流电路的供电方案。电动机额定电压为220V，为保证其供电质量，采用三相减压变压器将电源电压降低。同时考虑三次谐波的影响，主变压器采用D/Y联结。为了使电路简单，工作可靠，装置体积小，触发电路选用集成度高，触发可靠的KJ组成的六脉冲集成触发电路，直流电机调速系统电路原理图如图1-1所示。因调速精度要求较高，故采用装速负反馈调速系统，同时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。该系统采用减压调速，要求励磁保持恒定；励磁绕组采用三相桥式整流电路供电，电源直接从变压器二次侧引入，同时设有弱磁保护环节，使得励磁绕组通电后主接触器主触头才闭合。励磁绕组采用三项不可控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入，为保证先加励磁后再加电枢电压，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。图1-1直流电机调速系统电路原理图2三相全控桥主电路设计2.1直流电动机不可逆调速电路及原理10kW直流电动机不可逆调速电路原理图如图2-1所示。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π/3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π/3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π/3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当=0时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。>0时，U的波形出现缺口，随着角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当=2π/3时，输出电压为零，所以电阻性负载时，的移相范围是0～2π/3；当0π/3时，电流连续，每个晶闸管导通2π/3；当π/32π/3时，电流断续，每个晶闸管导通小于2π/3。=π/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。图2-110kW直流电动机不可逆调速电路原理图2.2整流变压器参数计算（1）的计算是一个重要参数，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（2-1）计算即（2-1）式中：——理想情况下，时整流电压与二次电压之比，即；——控制角为时，输出电压与之比，即；——电网波动系数，通常取；——整流电路输出电压最大值；——主电路电流回路；——线路连接方式系数；——变压器的短路比，10~100kVA变压器；——变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。在要求不高的场合或近似估算时，用下式（2-2）计算则更加方便（2-2）其中，取。=104—125V，取V电压比如下式（2-3）所示：（2-3）（2）一次和二次相电流和的计算，如公式（2-4）、（2-5）所示：考虑变压器的励磁历次电流时，应乘以1.05左右的系数，所以A（2-4）A（2-5）（3）变压器的容量计算，如公式（2-6）所示：（2-6）式中：、——一次侧、二次侧绕组的相数kVAkVAkVA考虑励磁功率kW，取kVA，kVA，kVA，A，A。晶闸管和整流管的选择主要指合理的选择器件的额定电压和额定电流。2.3晶闸管参数计算（1）晶闸管的额定电压UTN=（2~3）Um=539~808V，取Utn=1000V。（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ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，如公式（2-7）、（2-8）所示，即ITN=1.57IT（AV）〉1.57IT（2-7）IT（AV）〉IT/1.57=KId（2-8）考虑1.5~2倍的裕量，K=0.36。IT（AV）=（1.5~2）KId=（1.5~2）×0.367×55=36.3~48.4A，取IT（AV）=50A。故选用型号为KP50—100晶闸管元件。3触发电路设计3.1KC04芯片引脚介绍及其原理KC04芯片如图3-1所示。图3-1KC04芯片引脚图图3-2KC04芯片原理图KC04芯片原理图如图3-2所示。3.2触发电路及原理普通晶闸管是半控型电力电子器件。其工作原理为：晶闸管在承受正向阳极电压的同时，再在门极加上适当的触发电压和触发电流，从而可使晶闸管由阻断状态转入导通状态。控制晶闸管导通的电路称为触发电路，其原理图如图3-3所示。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、RTO、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）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200mA。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。图3-3触发电路原理图（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，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。此外，很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡的前沿，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，而电感性负载（不接续流管时）要求移相范围为。三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围为，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为。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，触发电压为Uc<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DY0，确定单相变压器的参数为：容量3VA，电压为280V/30V。4反馈电路的选择与计算4.1测速发电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，其原理图如图4-1所示。其参数为：ETG=110V，nTG=2000r/min，负载电阻RTG是2K，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。图4-1测速发电机电路原理图4.2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)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，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=30~50，取RM为47、1W的绕线电位器。负载电流为1.2IN时，让电流截止反馈环节起作用，此时LA的输出电流为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。4.3调速静态精度的计算(1)电动机和测速发电机电动势常数计算电动机电动势常数：测速发电机电动势常数：(2)整流装置的内阻Ri取1.2，则(3)要求调速系统的静态速降(4)求闭环系统的开环放大倍数(5)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15V，这里按最大移相电压为15V计算。(6)计算转速反馈系数由于Ugd取15V，Ufn约20V左右，而ETG=20V，故TG=0.6。所以转速反馈系数=0.012。(7)计算放大器的放大倍数由于，故因为KP较大，故选用放大倍数可调的放大器，如图6所示。由于点是虚地，故。式中——分压电阻的分压系数。所以。图4-2放大倍数可调的放大器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min=0.47/（4.7+0.47）=1/11，故最多能把放大倍数从R1/R0提高到11倍。采用F007运算放大器，其输入电阻ri〉0.5M,为了不影响ri，应使R0<ri/10。R0,,取=0.136,R1=329，实取330K。R0、R1均取0.25W。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Uc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2.2K、1W电位器引出给定电压。5系统仿真结果及分析5.1软件仿真以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱，从元件库中选取所需的元件，连接好原理图，加上激励源，如图5-1所示。图5-1直流电机调速系统仿真图5.2仿真结果及分析转速、电流仿真波形如图5-2、图5-3所示。图5-2转速、电流仿真波形图5-3用plot(tout,yout)输出的转速、电流波形通过仿真可知：负载变化时，会拉低转速，所以负载加上去的时候电机的转速会瞬时降下来，但是由于负反馈的作用，引起集成运放两边的电流发生变化，从而使速度环检测到转速降低，系统马上就会做出反应，会使输出电压增大，让转速保持不变。根据公式可知，电压对转速有直接的影响，当电压变大时，转速就会随之变大。总之，反馈带来的信号被系统识别处理，从而改变电流电压来维持转速的恒定。6结论通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够通过查阅相关书籍得以解决。此外，我更加深刻地掌握了直流电机调速系统的设计。并掌握了ASR的作用，它是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差的，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。此次双闭环不可逆直流调速系统的设计使我受益匪浅。在这次课程设计之中，我深切感到还有好多知识没有掌握，我还要继续学习，相信不久的将来，我通过自己不断的学习充电，我会有很大的成功的。参考文献[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.[2]韩树青.直流电机控制系统设计与实现[J].内蒙古大学学报,2012,9(13):8-12.[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.[4]夏长亮.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报,2012,10(6):4-9.[5]安群涛.直流电机的直接转矩控制[J].中国电机工程学报,2010,8(14):21-26.[6]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2010．[7]庄凯.永磁无刷直流电机控制系统设计[J].重庆大学学报,2010,9(13):8-12.[8]洪南生.永磁无刷直流电机控制系统[J].微特电机,2011,31(2):128-131.[9]于硕君.无刷直流电机调速控制系统[J].微电机,2011,32(24):56-87.[10]张庆超.无刷直流