4kw以下直流电动机地不可逆调速系统课程设计

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1、设计任务书一. 题目4kw 以下直流电动机不可逆调速系统设计二. 基本参数：直流电动机：额定功率Pn=1.1kW额定电压Un=110V额定电流In=13A转速 Nn=1500r/min电枢电阻Ra=1Q极数2p=2励磁电压Uex=110V电流 lex=0.8A三. 设计性能要求：调速范围D=10静差率sIlj时，电流负反馈起作用，其静差特性方程为:N=KpKsUgnCe(1 K)gsidUgn)RidCe(1 K)根据上述特性，可画出系统的静态特性图如下。图中nOA段特性对应于电流负反馈被截止的情况，它是转速负反馈调速系统本身的静态特性， 显然比较硬。图中AB段特性对于电流负反馈起作用的情况，

2、特性补角软，呈急剧下降状态。 当系统堵转时，由于n=0,所以：duUgn UbjRsled（入=1.5 2）Id图1-5 单闭环直流调速系统的特静态曲线图 从静态特性工作段n0A上看，希望系统有足够的运行范围，一般取llj 1.2lde ,即llj=乎 1.2ledJ Rs所以： 竽 led llj (1.2 )ledRs在系统中，也可以采用电流互感器来检测主回路的电流，从而将主 回路与控制回路实行电气隔离，以保证人身和设备的安全。由于时 间和能力的有限，所以在此只对这一种系统加以研究。主电路2.1、调速系统方案的选择主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对他们的要求主要是安全可靠，

3、因此在部件容量的选择上、在经 济和体积相差不太多的情况下，尽可能选用大一些的，并在保 护环节上对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计，并采 取相应的保措施，配备必要的报警、显示、自动跳闸线路，以 确保主线路安全可靠的要求。直流电动机的选择对于本调速系统，虽然电动机的额定功率不是特别的大，属于小 功率调速系统，但设计要求对系统的静态和动态指标要求都比较高， 所以我们应使电流的脉动小，故选用无噪声、无摩损、响应快、体积 小、重量轻、投资省，而且工作可靠、功耗小、效率高的全控桥整流 电路作为供电方案给电动机供电。电动机的额定电压为110V,为保证其供电质量，电压稳定性好，我们采用三相减压变压器将电

4、源电压（220V）降低为110伏电压。由于电动机的额定数据已给出， 且工作条件 无特殊要求，故选用 Z3 33他励直流电动机。电动机供电方案的选择与变流机组相比，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、功率小、效率高，因此采用晶闸 管可控整流装置供电。由于电动机功率小（仅1.1kw），故选用单相整流电路。 又因是不可逆 系统，所以可选用单相桥式半控整流电路供电。为省去续流二极管，可采 用晶闸管在一侧的方案。又因为对输出电流的脉冲没有提出要求，故不加电抗器。对于小功率直流调速系统一般均用减压调速方案，磁通不变，因此励 磁绕组可采用单相不控整流电路供电。为

5、保证先加励磁电源，后加电枢电压的原则，以及防止运动过程中因励磁消失而造成转速过高的现象，在励 磁回路中应有弱磁保护环节。 触发电路的选择因电动机容量小，晶闸管不会超过50A,故可选用电路简单，成本低的单结晶体管触发电路。为实现自动控制，且要同时触发两只阴极不接在 一起的晶闸管，可采用由晶体管代替可变电阻的单结晶体管触发电路，用 具有两个二次绕组的脉冲变压器输出的脉冲。 反馈方式的选择反馈方式选择原则应是在满足调速指标要求的前提下，选择最简单 的反馈方案。本设计中调速指标要求，D=10, s=10%由式D=Sn/ n ( 1-s)可以得出：nNnNsD(1 s)1500 0.110 0.9r /

6、 min16.7r / min米用电压反馈方案时，可得nNCeR(1K)1 dRCe式中Ce为电动系数，由给出数据可以算出：CeUn I N RanN110 13 115000.065Id10.0613r / min200r / min已远远大于调速指标要求的16.7r/min ,因此，必须再加上电流 反馈来补偿它，故最后确定采用电压负反馈及电流正反馈的调速方案。为了能实现高速启动，还必须加上电流截止环节。2.1、主电路的计算整流变压器的计算，如下图所示:图2-1晶闸管整流图U2的计算。从下式:U2（11.2）UB由元器件特性可查出A=0.9B=1 取 =0.9 则U2（11.2）0.9 0.

7、9 1149.2 162VU2=155V电压比K=U1/U2=220/155=1.42一次电流I 1和二次电流|2的计算由元件的自身特性可知Kli=Kl2=1.11则S仁 U1I1=(22O X 10.7)VA=2354VAS2=U2I2=(155 X 14.4)VA=2232VAS=1/2(S1+S2)=1/2(2354+2232)kVA=2.3KVA三、触发电路的选择及计算3.1、触发电路的选择于设计各类电力电子器件的门（栅）极控制电路都应提供符合器件要求的触发电压与电流，对于全控器件还应提供符合一定要求的关断脉冲.晶闸管是半控器件，管子触发导通后门极即失去控制作用，为了减少门极损耗与确保

8、触发时刻的准确性，门极电压、电流大都采用脉冲形式.触发电路是晶闸管装置中的重要部分对于大、中流量的晶闸管，为了把其触发具有足够的功 率，往往采用由晶体管组成的触发电路。同步电压为锯齿波的 触发电路就是其中之一，该 电路不受电网波动和波形畸变的影 响，移向范围宽，应用广泛。锯齿波同步触发电路，具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节.锯齿波移相克服了正弦波移相的缺点，电路抗干扰、抗电网波动性能好，调节范围宽，目前在大容量中得到广泛应用 .锯齿波移相触发电路也由 同步移相与脉冲形成放大两部分Trr5-IS V1Pf0 撞封锁值号管D伍叫气VS-50 V 14平叫伞0备3ko-15 V嵐肥（屍XOYilV

9、_,（i W+0）（来白启相）槌齿疲形成、同步悌相控制环节脉冲形或*A.轴出坏节 1- 70-y 交VD$ -220 VHVDJ图1 -7同步电圧为保齿波的粧发电路1、锯齿波形成、同步移相控制环节要使触发脉冲与主回路电源同步，必须使V2开关的频率与主 回路电源频率大到同步。同步变压器和整流变压器接在同电源上， 用同步变压器来控制V2的通断。同步变压器二次电压间接V2的基级上，当二次电压为负半轴 的下降段时5，VD1导通，电容C1被迅速充电，因下段为参考点， 所以点为负电压，V2截止。在二次电压负半轴的上升段，由于 电容C1已冲至负半轴的最大值，所以VD1截止，+15V通过R1给电容C1反向充电

10、，当点电位上升至于1.4V时，V2导通，点 电位被钳住在1.4V。由此对应锯齿波恰好是一个周期，与主回路 电源频率完全一致，达到同步的目的。其中晶体管V3为射基跟随器，起阻抗变相和前后级隔离作 用，以减小后级对锯齿波的影响。当V2截止时，由V1管Vs稳牙 二级管R3、R4组成的恒流源以恒流Ic1对C2充电，C2两端电压 Uc2 为：Uc2=IcldtC2Uc2随时间t线性增长，Ic1C2为充电斜率，调节R3可改变Ic1，从而来调节锯齿波斜率。当V2导通时，因R5阻值小，电容c2经R5，V2管迅速放电 到0，所以，为了减小锯齿波与控制电压Uc、偏移电压Ub之间的 影响、锯齿波电压Uc2经射级跟随

11、器输出。2、脉冲的形成、整形放大与输出如图所示，脉冲形成环节有晶体管 V4,V5,V6组成；放大和输出环 节有V7,V8组成；同步移相电压加在晶体管 V4的基极，触发脉冲由脉冲变 压器二次侧输出。当V4的基极电位Ub4 IT （实际流过管子电流的最大有效值），对于不同的电路 型式、不同控制角、不同性质负载时，流过晶闸管电流的波形系数KfT=IT/IdT 和流过晶闸管的平均电流与负载平均电流之比，都可通过数学 方法求得，因此：Utn （2 3）um（23）、2u2（2 3）、2 155V438 658V取 U tn =600V未接电抗器的负载，负载性质介于电阻与电感负载之间，为 了晶闸管工作可靠

12、，按电阻负载选择系数K。查表可以得出K=0.5，按最大负载电流ldm=1.2ld计算，则It（av）（1.52）K I db （1.5 2） 0.5 1.2 13A 11.7 15.6A取I t（av）=20A,故选KP20-6晶闸管元件.根据不同的电路，不同的控制角与负载性质，已知Id值就可以确定晶闸管的额定电流。 由于晶闸管电流过载能力很差，在电机负载时，最大输出电流要考虑启动电流过载倍数与电机允许的过载能力。考虑了上述因素之后，晶闸管的额定电流还要比查表计算值大1.5 2倍。晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。考虑电源电压的波动与抑制后的过电压， 晶闸管的额定电压必须大

13、于线路实际承受最大电压的23倍。考虑电网电压10%的波动取2倍余量，晶闸管电压 UaM为：UaM 2 X1.1 XX U2=593V,选用 800V元件晶闸管电流 IT(AV) (1.52) X 0.367ld,IT(AV) 2X 0.367 X 18=13.2A.选用 20A元件由以上计算结果可知，应选用KP 20型普通晶闸管2、晶闸管的保护晶闸管元件有许多优点，但与其他电气设备相比，由于元件的击穿电 压角接近运行电压，热时间常数小，因此过电压、过电流能力差，短时间 的过电压、过电流都可能造成元件的损坏。为了使晶闸管能正常的工作而 不损坏，常靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节，以防不

14、测。因此在晶闸管装置中，必须采取适当的保护措施，研究晶闸管的保护问题，主 要就是研究过电流、过电压产生的原因与特性，采取有效措施，保护晶闸 管元件不受损坏，使装置能正常工作(1) 交流侧过电压保护2.3=2.315522300Q =13.9 Q阻容保护由下列各式可得S2300Ciem 2 =6 X 12 X2 uF=6.9uFU 2155耐压1.5Um=1.5 X ；2 155V=328V选6.8uF,耐压400V，CJ31金属化纸介电容器取 R=15QI c =2C=2506.8155A=0.33APr2(34)|cR2(3 4) 0.3325W4.9 6.5W可选15, 5W金属膜电阻压敏

15、电阻的选择U1mA 1.2U由下式得1.3、2 155V285V ,取。通流量可取 5KA故选取MY31-330/5的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。3、直流侧过压保护对于这种瞬时过电压，最常用的方法是在晶闸管的两端并联电容，利 用电容两端电压瞬时不能突变的特性，吸收瞬时过电压，把他限制在允许 的范围内。使用时在电容电路中串联电阻R称为过电压阻容吸收电路由下式可得UimA (1.82)U DC (1.8 2) 110V198 220V4、晶闸管及整流二极管两端的过电压保护晶闸管从导通到阻断时，和开关断开电路一样，线路电感(主要是变 压器漏感)释放能量产生过电压。由于晶闸管在导通期间载流子充满元

16、件 内部，在关断过程中，管子在反向电压作用下，正向电流下降到零时，元 件内部仍存在着载流子，这些载流子在反向电压作用下出现较大的反向电 流，使残存的载流子迅速消失，这时反向电流减小的速度极快即diQ/dt极大，因此即使和元件串联的线路电感LB很小，产生的感应电势也很大，这个电势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可能导致晶闸管 的反向击穿。这种由晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，数值可 能达到工作电压的56倍，所以必须采取保护措施。由元气件属性可得C=0.15 f, R=80 Q故选C为0.15 f , 630V , CJ金属化纸介电容器22 6 6Pr fCU m 1050 1

17、5 (2 155) 10 W 0.24W5、过电流保护(1)、交流侧快速熔断器的选择由于12 14.4A,再根据元气件的特性和需要，可选RLS-50的熔断器，故也选 RSL-50的熔断器，熔体电流为 15A。(2) 与元件串联的快速熔断器的选择由于 |214.4A , It l/、214.4A 八 210.2A ,故也选RSL-50的熔断器，熔体电流为15A6、励磁电路的元件选择励磁电路如图4-3所示。由于该系统采用减压调速，励磁不变，过励磁绕组采用单相桥式不控整流电路供电，与主电路共用同一电源，因励磁功率较小(仅88W, 一般只需适当考虑主变压器留一定的裕量，不用重新计算。整流二极管的选择，

18、可参照晶闸管a =0的选择。耐压与主电路元件相同，取600V。可由元器件特性查得 K=0.45，再求额定电流：I d（av）（1.5 2）K|l （1.5 2） 0.45 0.8A 0.45 0.72A 取1A，故选用ZP1-6整流二极管即可。如图4-3中，RPl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，在励磁回路中串入了欠电流为1A的JL14-11ZQ型直流欠电流继电器。（1）、平波电抗的电感值。 维持输出电流连续时电抗器的计算当控制角较大、负载电流Id很小或者平波电抗器Ld不够大时，负载 电流id会出现断续。电流断续使晶闸管导通角减小，机械特性明显变软， 电机工作甚至

19、不稳定，这是应该尽量避免的。要使电流在整个工作区保持 连续，必须使临界电流Idk小于或等于负载电流Id min 。 限制输出电流脉动时电抗器的计算晶闸管整流装置的输出电压可分解成一个恒定直流分量与一个交流 分量，通常负载需要的只是直流分量，对电机负载来说，过大的交流分量 会使电机换向恶化和因铁芯损耗增大而引起电机过热。抑制交流分量的有 效办法是串接平波电抗器，使交流分量基本上降落在电抗器上，而负载上 能得到比较恒定的支流电压与电流。计算得到的电感值是电路总电感，外接平波电抗器Ld减去电动机的电感LD与变压器的漏感LB所以串接平波电抗器的电感量为：考虑电流连续Ld仁L1-(LB+LD)考虑电流脉

20、动Ld2=L2-(LB+LD)在不可逆整流电路中，可以只串接一只平波电抗器，使它在最大负载 电流时，电感量不小于 Ld2，符合脉动要求；而在最小负载电流时，电感量 不小于Ld1，满足电流连续的要求，通常总是Ld1 Ld2。如果设计出的电抗器无法同时满足二种情况，可调节电抗器的空气隙。气隙增大，大电流 时电抗器不易饱和，对满足脉动要求有利；气隙减小，小电流是电抗器的 电感量增大，对维持电流连续有利。平波电抗器工作是有直流电流流过， 设计测量时必须考虑直流激磁。选择合适的平波电抗器：电动机电枢电感：LD=KD=23.1mH式中 KD=8 P=2变压器电感：LB=KBUdlU2 /ld=1.19mH

21、电流连续时 Ld1 值：Ld1=L1-(2LB+LD)=58.8mHSi=7% 时Ld2=L2-(2LB+LD)=3.7mH由上面计算可知根据电流连续要求，选取平波电感60 mH时脉动要求能同时满足。四、继电器一接触器控制电路设计4-1、设计思路由于晶闸管直流调速系统的继电器一接触器控制电路简单，故可选用经验分析法进行设计因负载功率小，放总电源由单刀开关引入，并设有总电源及工作 指示灯。考虑调速方便，应先接同励磁及触发电路，然后再接同主电 路。为实现迅速而平稳的停车，应采用能耗制动。4-2、控制电路图控制下路设计完毕后，往往有不合理的地方，还必须对其今年性 仔细的校核，看能否进一步简化。特别应

22、反复校核设计电路是否满足 调速系统的要求。同步变压器的选择也不用详细计算，因触发电路最大取用电流不会超过50mA而同步变压器同步可选60V,这样只要同步变压器的容量大于（60 X 0。05） VA=3VA即卩可。再考虑两只 XD0-6.3V （6.3V ,1W指示灯和给定电源(取2VA),故选一台容量为8VA，电压为220V/60V、17.7V、6.3V、6.3V即可满足要求。选用的同步变压器入上图所示。4-3、能耗只动电阻的计算一般取只动开始瞬间的电流等于2In，此时电动机电动势 E Un,则制动电阻Rof可按下式计算，即RofU N2| NRa(110(2131)3.2取3.3 Q。因此制

23、动时间很短，通过制动电阻的电流可按额定电流的20%古算。制动电阻所消耗功率。 电气制动一般可分为能耗制动， 电源回馈制动，直流制动三种。前两种都是电动机把能量反馈回电路， 其中能耗制动是将能量直接消耗在制动电阻上，转换成热能；电源回馈制动则是把能量通过回馈电路反回到供电电网，但回馈电路比较复杂。直流制动是运用直流电压在电动机绕组中产生的直流电流将转子 的能量以热能的形式消耗掉。对于本系统，设计任务没有做过多的要 求，若采用电源回馈制动，从节能的角度来讲是最好的一种，但回馈 电路相当复杂。而直流制动只能用在交流调速中，本系统无从下手。 所以我们采用结构简单、价格低，经济实惠的能耗制动。2 2Po

24、f (0.2|n) Rof (0.2 13) 3.3W 22.3W取25W4-4、控制电器的选择(1)、刀开关根据主变压器一次电流为 10.7A，电压为220V,故可选用15A、250V两极胶盖刀闸，熔丝为15A(2) 、接触器由于支流调速系统一般均为减压启动，对接触器而言属于轻任务工作，再考虑主变压器二次电流为147.4A，故选用CJ10-20，线圈电压为220V的交流接触器(3) 、按钮由于按钮装在面板上，选用开启式LA20按钮，启动按钮用绿色，停止按钮用红色，启动按钮内部装有6.3V工作指示灯六、元气件明细表序号代号名称规格数量1Tr1父流变压器Z3-33他励直流电动机12VT1H VT

25、2晶闸管KP2( 623Fu1Fu2熔断器RLS-1024Fu3-Fu7熔断器RLS-5045C1 C6电容0.15 u F,300V66R1 R6电阻80 Q 0.5W67L电感55.35mH18R9电阻82 Q 0.5W19VDVD6整流二极管2CZ12E610KA交流继电器JL1411Z111V1V6三极管3DG12B6序号代号名称规格数量12R18电阻0.2 Q 0.5W113VS稳压管3V114RP5电位器100 Q 0.5W115RP4电位器10KQ 2W116RP3电位器10KQ 1W117RP2电位器1.5K Q 2.1W118RP1电位器5.6K Q 2.1W119R19电阻

26、1KQ 1W120R13,R14,R10,R11电阻40KQ 1W421R5电阻80KQ 0.5W122C8电容0.75 u F123C12,C13电容0.2 u F224R12电阻60KQ 0.5W125C7电容1.47 u F126C9,C10,C11电容1 u F3277815三端稳压块CW7815128KA时间继电器JL14-11ZQ129R18电阻2KQ 1W130R19电阻1KQ 1W131Tr2父流变压器220/45,27VA1序号代号名称规格数量32VD7- VD10整流二极管2CZ11A433C16,C17电容2200 u F,63V234C15,C18电容0.33 u F2

27、35R16,R17电阻2KQ 1W236KM交流接触器CJ10- 20137R20-R23电阻15Q 5W438R24电阻1KQ 1W139R25电阻3.2 Q 25W140RV1-RV2压敏电阻MY31-330/5141Q两极胶盖刀闸15A 250V142SB1按纽AL18- 20Y143SB2按纽AL18- 20Y144L1指示灯XD1 6.3145L2指示灯XD1 6.31七、结 论双闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的 控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不 敏感，并能改善

28、系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性， 而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量 可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的 补充而构成复合控制系统。此系统为了弥补转速的超调和提高抗扰性能，所以特在转速环中加入 了转速微分负反馈，这一技术的应用，可使突加给定启动时转速调节器快 速达到饱和状态，从而有效地抑制以至消除转速调速。同时也增强了调速 系统的抗扰能力，在负载扰动下的动态速降大大减低，但恢复时间有所延 长。还应该指出的是，当加入转速微分负反馈后，负反馈必须带滤波电阻， 否则降会引入新的干扰。八、致谢通过本次设计课题，使我对在大学三

29、年中所学的知识有了比较全面的 系统的认知，也提高了自己的自学动手能力，并加深了对相关知识的复习 与再更深的理解！双闭环系统在实际应用中有着极其主要的地位，掌握和 理解其原理结构，对以后的生活和工作都有十分重要的帮助。本次对过去知识的调动又达到了温故而知新的效果， 从而达到了学有所用的目的。本次设计不 仅煅炼了我们对电路设计的基本构思，也使我们进一步了解了如何进行高层次的 电路设计，还扩充了我们的知识面，增强了我们自由发挥的能力，并且很大程度 的开发我们自己，挖掘我们自己，使我们受益非浅，充分体现了素质教育。也充 分的诠释了自己在大学期间所学和所知。同时也感谢三年来所有老师在学习上对我们的谆谆教

30、导，和在生活上对我们的关心体贴。我相信这三年的学习生活，会对我以后的路产生巨大的影响和改变。 也希望我能通过本此设计向各位老师交上一份满意的答卷！学生：张洪海2008年4月29日九、参考文献1、 韩全立主编自动控制原理及应用西安 西安电子科技大学出版社2006.82、王廷才主编电力电子技术北京高等教育出版社2006.43、 冉文主编 电机与电气控制 西安 西安电子科技大学出来版社2006.4、 陈伯时 电力拖动自动控制系统机械工业出版社1991.45、 石玉电路设计指导机械工业出版社 1998.4指导 老师 评语 及成 绩评 疋论文成绩：指导老师（签字）：年 月日答辩 小组 评语 及成 绩评 疋答辩成绩：毕业设计成绩：答辩小组负责人（签字）：年 月日答辩委员会审定意见:答辩委员会主任（签字）：答辩小组成员姓名职称工作单位备 注