10kW直流电动机调速系统设计说明书

/电力电子技术课程设计报告课题名称:10kW直流电动机调速系统设计院系名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：陈富安教师职称：教授成绩评定项目学习态度〔10分文献检索综述能力〔20分设计能力〔40分论文撰写水平〔30分总分〔100分得分指导教师签字：年月日

目录TOC\o"1-2"\h\u1.课题概述31.1课题背景31.2国内外发展情况31.3前景及设计意义32.设计任务及要求43.设计说明53.1总体方案设计53.2主电路图及原理63.3整流变压器参数计算73.4晶闸管参数计算93.5触发电路设计93.6测速发电机的选择143.7电流截止反馈环节的选择143.8调速静态精度的计算153.9PID控制电路设计17总结18参考文献19附录20课题概述1.1课题背景电机调速广泛应用于我们的生活、生产的各个领域中,例如：机床、电动工具、电动机车、机器人、家用电器、计算机驱动器、汽车、轮船、轧钢、造纸和纺织行业等等。据报道,世界上大约有100亿以上各种电机在工作。近年来,我国空调一年的产量就1000多万台,每台都需要电机调速控制,可见电机调速应用市场非常庞大。1.2国内外发展情况早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,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,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。20世纪70年代以来,直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时,高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。1.3前景及设计意义通过课程设计,一方面使我们对本课程所学内容加深理解,另一方面熟悉工程设计的过程、规范和方法,能正确查阅技术资料、技术手册和标准,培养我们的工程设计能力。电力电子是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程,学习本课程,培养我们对物理概念与基本分析方法的学习能力,做到理论结合实际,尽量做到器件、电路、应用三者结合。在学习方法上也形成了对电路的相位与波形的分析习惯,抓住电力电子器件在电路中道通与截止的变化过程,从波形分析中进一步理解电路的工作状况,培养了读图与分析能力,掌握器件计算、测量、调整及电路分析等方面的实践能力。设计任务及要求在造纸、电缆、轧钢等工业生产中,常采用直流电动机拖动,并采用晶闸管可控整流电路调节直流电机的电枢电压,以获得良好的调速性能。本课题要求设计一个由晶闸管三相整流桥、直流电动机、PID调节器<运放>组成的不可逆调速控制系统,完成电路原理图设计与主要电路元器件的分析、计算与选型。具体设计内容如下：1晶闸管可控整流电路设计,包括电路原理图、晶闸管型号规格的选择、保护电路设计、整流变压器设计等；2触发控制电路设计；3测速电路设计和PID控制电路设计。原始数据如下：1直流电动机：Z3-71型Pn=10KW,Un=220V,In=55A,nn=1000r∕min电枢电阻Ra=0.5Ω电枢电感Ld=7mH励磁电压UL=220V励磁电流IL=1.6A2直流测速发电机：55CY61nn=2000r∕minUn=110V,3霍尔电流传感器：LA50；4最小整流角α=20°cos20°=0.943.设计说明3.1总体方案设计图1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。

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,故要求励磁保持恒定；励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电,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。该系统采用减压调速方案,故励磁电流保持恒定。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。3.2主电路图及原理图2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α=O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。α>0时,Ud的波形出现缺口,随着α角的增大,缺口增大,输出电压平均值降低。当α=2π／3时,输出电压为零,所以电阻性负载时,α的移相范围是O～2π／3；当O≤α≤π／3时,电流连续,每个晶闸管导通2π／3；当π／3≤α≤2π／3时,电流断续,个晶闸管导通小于2π／3。23α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。3.3整流变压器参数计算⑴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。一般可按下式计算即〔3-1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,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,用下式计算则更加方便〔3-2其中,取角考虑20°的裕量：=0.94=104—125V,取电压比〔3-3⑵一次和二次相电流和的计算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〔3-5〔3-6⑶变压器的容量计算〔3-7式中：、——一次侧、二次侧绕组的相数考虑励磁功率,取,,,,。3.4晶闸管参数计算⑴晶闸管的额定电压,取Utn=1000V⑵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〔3-8〔3-9考虑倍的裕量,,取。故选用型号为KP50—100晶闸管元件。3.5触发电路设计3.5.1KC04芯片引脚介绍图3〔1脚同向脉冲输出端〔2脚悬空〔3脚锯齿波电容连接端〔4脚同步锯齿波电压输出端〔5脚电源负端〔6脚悬空〔7脚地端〔8脚同步电源信号输入端〔9脚移相偏置及同步信号综合端〔10脚悬空〔11脚方波脉冲输出端〔12脚脉宽信号输入端〔13脚负脉冲调制及封锁控制端〔14脚正脉冲调制及封锁控制端〔15脚反相脉冲输出端〔16脚电源正端3.5.2KC04芯片原理图图4移相触发器kc04电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。Kc04器件输出两路相差l80的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器电路。该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调制输出端等功能和特点。3.5.3触发电路及原理图5普通晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态,晶闸管在承受正向阳极电压的同时,还需要在门极加上适当的触发电压。控制晶闸管导通的电路称为触发电路。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、、功率、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,要求触发电压不小于,触发电流不小于；要求触发电压不小于4V,触发电流不小于。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。〔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。例如,单相整流电路,电阻性负载时脉冲宽度应大于,电感性负载时则因大于；三相全控桥中采用单脉冲触发时脉宽应大于〔通常取,而采用双脉冲触发时,脉宽为左右即可。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,动作电流通过RP1调整。已知励磁电流,可选用吸引线圈电流为的直流欠电压继电器。晶闸管的触发电流为,触发电压为,在触发电路电源电压为时,脉冲变压器匝数比,可获得约的电压,脉冲变压器一次电流只要大于,即可满足晶闸管要求,这里选用的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,确定单相变压器的参数为：容量,电压为三台。同步变压器的联接如图5-4所示。图63.6测速发电机的选择图7由电机产品样本查得,选用型永磁直流测速发电机。其参数为：,,负载电阻是,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,因此测速发电机发出的最高电压为,若给定电源取,则只要适当取反馈系数,即可满足系统要求。3.7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,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。选用模块电流传感器作为电流检测元件,其参数为：额定电流,匝数比为,额定输出电流为,测量电阻,取为、的绕线电位器。负载电流为时,让电流截止反馈环节起作用,此时LA的输出电流为,输出电压为,考虑一定的调节裕量,选稳压管作为比较电压,。3.8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⑸触发器与整流装置的放大倍数的估算在触发器选用电源情况下,锯齿波同步电压最大值应小于15V,这里按最大移相电压为计算。⑹计算转速反馈系数由于取,约左右,而,故。所以转速反馈系数⑺计算放大器的放大倍数由于,故因为较大,故选用放大倍数可调的放大器,如图5-6所示图8放大倍数可调的放大器由于点是虚地,故。式中——分压电阻的分压系数。所以。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、,固定小电阻取、,则,故最多能把放大倍数从提高到11倍。采用运算放大器,其输入电阻,为了不影响,应使。,,取,实取。、均取。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又为正电压,故给定电压就得取负电压,而一切反馈均取正电压。为此给定电压与触发器共用一个电源,用一个、电位器引出给定电压。负载变化时候,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。根据以前学的公式我们可以知道,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。总结的说,之所以转速能恒定,就是因为反馈带来的信号被系统识别处理,改变电流电压的改变来维持转速。3.9PID控制电路设计图9由于电流检测信号中常含有交流分量,为了不使它影响到调节器的输入,需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示,其滤波时间常数按需要选定,以滤平电流检测信号为准。然而,在抑制交流分量的同时,滤波环节也延迟了反馈信号的作用,为了平衡这个延迟作用,在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数用表示,根据和电流环一样的道理,在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里,首先设计电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器。图10含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中R3左端电压为转速给定电压,R17左端电压为转速负反馈电压,ASR调节器的输出是电流调节器的给定电压。图11含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中R3左端电压为转速给定电压,R17左端电压为转速负反馈电压,ASR调节器的输出是电流调节器的给定电