4kw以下直流电动机的不可逆调速系统课程设计报告.docx

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4kw以下直流电动机的不可逆调速系统课程设计报告

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=1Ω极数2p=2

励磁电压Uex=110V电流Iex=0.8A

三．设计性能要求：

调速范围D=10，静差率s≤10%，制动迅速平稳

四．设计任务：

1.设计合适的控制方案。

2.画出电路原理图，最好用计算机画图（号图纸）。

3.计算各主要元件的参数，并正确选择元器件。

4.写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。

5.列出元件明细表附在说明书的后面。

五．参考资料：

前言

电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。

而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都采用直流电动机。

而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。

他通常采用三相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，比如：

晶闸管、各种线性运算电路的等。

虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

直流调速系统是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路。

通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。

机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化

由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正

学生：

张洪海

2008年4月29日

一、系统整体方案的确定

　　　　1.1、开环控制系统

　　　　1.2、闭环调速控制系统的确定

1.3、带电流截止负反馈闭环控制系统

二、主电路方案的选择及计算

2.1、调速系统方案的选择

　　　2.2、主电路的计算

　三、触发电路的选择及计算

　　3.1、触发电路的选择、设计

　3.2、触发电路的计算

　四、继电器—接触器控制电路设计

4.1、设计思路

4.2、控制电路图

4.3、电机制动的选择及其计算

4.4、控制电器的选择

　五、1.1kw直流调速系统电气原理总图

　六、元气件明细表

　七、结论

八、致谢

　九、参考文献

设计说明书

一、系统整体方案的确定

电动机是将电能转化为机械能的一种有利工具，根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。

由于课题要求和技术需要，所以我选择直流电动机作为分析对象。

1.1、开环控制系统

在开环控制系统中，控制信息只能单方向传递，没有反向作用，输入信号通过控制装置作用于被控对象，而被控对象的输出对输入没影响，也就是说：

系统的输入量与输出量之间只有顺向作用，而没反向联系。

图1-1开环系统框图

由上图可以看出，Ug通过放大器、触发装置和整流装置实现对电动机转速n的控制。

要求一定的给定电压Ug对应于一定的装速n，但由于电动机的转速n要受到轴上负载、电动机磁场、整流装置的交流电源电压等的影响，故不可能完全达到Ug的相对要求，因此可知，直流电动机开环控制系统极其不稳定，且控制精度差，抗干扰能力弱。

所以，要求实现转速稳定，满足高精度的设计要求，必须采用闭环控制系统。

1.2、闭环调速控制系统的确定

如果对上述开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证了动态性，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：

将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角α来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定：

图1-2单闭环转速负反馈系统框图

但我们知道，一是直流电动机全压启动时会产生很大的冲击电流。

我们知道，采用转速负反馈的闭环调速系统突加给定电压时，由于系统机械惯性的作用，转速不可能立即建立起来，因此转速反馈电压仍为零，这时，加在调速器上的输入偏差电压ΔU=Ugn，差不多是其稳压工作值的（1+K）倍。

由于调节器和触发整流装置的惯性都很小，因此，整流电压Ud立即达到它的最高值。

这对于电机来讲，相当于全压启动，其启动电流高达额定值的几十倍，可使系统中的过流保护装置立即动作，使系统跳闸，系统无法进入正常工作。

另外，由于电流和电流上升率过大，对电动机换向不利，对晶闸管元件的安全来说也是不允许的。

因此，必须采取措施限制系统启动时的冲击电流。

二是有些生产机械的电动机在运行时可能会遇到堵转情况。

例如由于故障，机械轴被卡住，或者遇到过大负载，像挖土机工作时遇到坚硬的石头那样。

在这种情况下，由于闭环系统静态特性很硬，若无限流环节，电枢电流也会与启动时一样，将远远超过允许值。

图1-3（a）带电流截止负反馈环节

为了解决转速负反馈调速系统启动和堵转时电流过大问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。

根据反馈控制原理，要维持某一量基本不变，就应当引入该物理量的负反馈。

现引入电枢电流负反馈，则应当能够保持电流基本不变，使其不超过最大允许值。

但是，这种作用只应在启动和度转是存在，在正常运行时又必须取消，以使电流随负载的变化而变化。

1.3、带电流截止负反馈闭环控制系统

对于转速单闭环调速系统，我们要用一台测速发电机来进行测速，然后再反馈给给定，它属于被调量的负反馈，是真正的“反馈控制”，具有反馈控制规律，并且进一步看，反馈控制对一切包在反馈环内，前向通道上的扰动都有抑制作用。

例如，交流电源电压的波动，电动机励磁电流的变化，放大器系数的漂移，温度变化引起电阻变化等。

但是测速发电机的选择、安装都是比较严格的。

交流测速发电机具有结构简单、无电刷接触、工作可靠和维修方便等优点。

但用在直流控制系统中，还需要经整流变换，故使反馈信号的准确度受到影响，同时测速发电机的负载电流也不能过大，否则电枢反应会影响到测量精度。

且对于电动机和测速发电机的转速也应相适应，否则还需要经齿轮变速啮合，而齿轮间隙又会引入新的矛盾。

若同轴安装，则同轴度要求较高。

再者测速发电机价格都比较昂贵。

基于以上原因我们以电压负反馈为主，电流补偿控制为辅的调速系统来代替转速发电机完成转速负反馈的工作。

根据直流电动机电枢平衡方程式Ud=IdRa+Cen可知，如果忽略电枢电阻压降，则电动机的转速近似与电枢两端电压Ud成正比，所以用电动机电枢电压反馈取代转速负反馈，以维持端电压基本不变，构成电压反馈调速系统。

但是这种系统对电机电枢电阻压降引起的稳态速降，不能靠电压负反馈作用加以抑制，因而系统稳态性能较差。

为了弥补这一不足，在电压负反馈的基础上再引入电流正反馈，以补偿电动机电枢压降引起的稳态速降

图1-4带电流截止负反馈调速系统框图

由上图静态框图可知：

当Id≤Ilj时，电流负反馈被截止，系统静态特性方程为：

N=

当Id>Ilj时，电流负反馈起作用，其静差特性方程为：

N=

=

根据上述特性，可画出系统的静态特性图如下。

图中n0～A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A～B段特性对于电流负反馈起作用的情况，特性补角软，呈急剧下降状态。

1当系统堵转时，由于n=0，所以：

du≈

（λ=1.5～2）

图1-5单闭环直流调速系统的特静态曲线图

2从静态特性工作段n0～A上看，希望系统有足够的运行范围，一般取Ilj～1.2Ide，即

Ilj=

所以：

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。

二、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，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。

①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。

②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。

③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。

④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：

采用电压反馈方案时，可得

式中Ceφ为电动系数，由给出数据可以算出：

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

①U2的计算。

从下式：

由元器件特性可查出

A=0.9B=1取ε=0.9则

取U2=155V

电压比K=U1/U2=220/155=1.42

②一次电流

和二次电流

的计算

由元件的自身特性可知

=

=1.11

则S1=U1I1=（220×10.7）VA=2354VA

S2=U2I2=（155×14.4）VA=2232VA

S=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.

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②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，当②点电位上升至于1.4V时，V2导通，②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=

Uc2随时间t线性增长，

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<0.7v时，V4

截止时，V5,V6分别经R14,R13提供足够的基极电流使之饱和导通，因此6点电位为-13.7v（二极管正向压降按0.7v，晶体管饱和压降按0.3v计算），V7,V8处于截止，脉冲变压器无电流流过，二次侧无触发脉冲输出。

此时电容C3充电。

充电回路：

由电源+15端经R11→V5发射结→V6→VD4→电源-15v端。

C3充电电压为28.3v，极性为左正

又负。

当Ub4=0.7v，V4导通，4点电位由+15v迅速降低至1v左右，由于电容C3两端电压不能突变，使V5的

基极电位5点跟着突降到-23.7v，导

致V5截止，它的集电极电压升至2.1

v，于是V7,V8导通，脉冲变压器输

出脉冲，与此同时，电容V5由15

经R14，VD3,V4放电后又反向充电，

使5点电位逐渐升高，有转为导通，

使6点电位2.1v又降为-13.7v，迫

使V7,V8截止，输出脉冲结束。

由

以上分析可知，输出脉冲产生的时

刻是V4开始导通的瞬间，也是V5

转为截止的瞬间。

V5截止的持续时间即为输出

脉冲的宽度，所以脉冲宽度由C3

反向充电的时间系数（T3=C3R14）

来决定，输出窄脉冲时，脉宽通

常为1ms（即18’）.R16,R17分别

为V7,V8的限流电阻，VD6可以

提高V7,V8的导通阀值，增强抗干扰能力，电容C5用于改善输出脉冲的前沿陡度，VD7是为了防止V7,V8截止时脉冲变压器一次侧的感应电动势与电压叠加造成V8的击穿，脉冲变压器二次侧所接的VD8,VD9,是为了保证输出脉冲只能正向加在晶闸管的门极和阴极两端。

3、双脉冲形成环节

三相桥式全控整流电路要求触发脉冲为双脉冲，相邻两个脉冲间隔为60o，该电路可以实现双脉冲输出。

应当注意的是，使用这种触发电路的晶闸管装置，三相电源的相序接反了，装置将不能正常的工作。

4、强触发及脉冲封锁环节

在晶闸管事、并联使用或桥式全控整流电路中，为了保证被触发的晶闸管被触发的晶闸管同时导通。

可采用输出幅值高、前言陡的强触发电路。

变压器二次侧30V电压经桥式整流、电容和电阻π形滤波，得近似50V的直流电压。

当V8导通时，C6经过脉冲变压器、R17（C5）、V8迅速放电。

由于放电回路电阻较小，电容C6两端电压衰减很快，N点电位迅速下降。

当N点电位稍低于15V时，二级管VD10由截止变为导通。

电路中的脉冲封锁信号为零电位或负电位，是通过VD5加到V5集电极的。

当封锁信号接入时，晶体管V7、V8就不能导通，触发脉冲无法输出。

进行脉冲封锁，一般用于事故情况或者是无环流的可逆系统。

二级管VD5的作用是防止封锁信号接地时，经V5、V6和VD4到-15V之间产生大电流通路。

5、脉冲放大环节

脉冲形成放大输出环节。

当V4截止时，V5、V6管饱和导通，⑥点电位约为-13.7V，V7、V8管截止，此时电容C3经R11、C3C5发射结、V6、VD4充电至接近30V。

当同步移相控制使V4管转为饱和导通时，④点电位从15V突降为1V，因C3两端电压不能突变，⑤点电位也突降至-27.3V，使V5截止、V7、V8立即饱和导通，输出触发脉冲。

与此同时，电容C3由+15V经R14、VD3、V4放电与反向充电，当⑤点电位升到-13.3V时。

V5发射结家正压又复导通，是⑥点电位从2.1V降为-13.7V，迫使V7、V8截止，输出脉冲终止。

V5截止持续时间即为输出脉宽，由时间常数t3≈C3R14决定，在窄脉冲时，通常调整脉宽为1ms。

3.2、触发电路的计算

1、晶闸管的选择：

选择晶闸管元件主要根据晶闸管在整流装置的工作条件下，正确确定晶闸管型号规格，使能得到满意的技术效果。

①晶闸管额定电流的计算原则是必须使管子的额定电流有效值ITe=1.57IT（AV）≥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：

取

=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，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Idm=1.2Id计算，则

取

=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。

②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于线路实际承受最大电压的2—3倍。

考虑电网电压10℅的波动取2倍余量，晶闸管电压UaM为：

                         UaM≥2×1.1××U2=593V,选用800V元件

晶闸管电流IT（AV）≥（1.5~2）×0.367Id,

           IT（AV）≥2×0.367×18=13.2A.选用20A元件

由以上计算结果可知,应选用KP20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

①阻容保护由下列各式可得

C

=6×12×

uF=6.9uF

耐压

=1.5×

155V=328V

选6.8uF,耐压400V，CJ31金属化纸介电容器

R

2.3

=2.3

Ω=13.9Ω

取R=15Ω

=2C=2506.8155A=0.33A

可选15，5W金属膜电阻

②压敏电阻的选择由下式得

，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

4、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5—6倍，所以必须采取保护措施。

由元气件属性可得C=0.15

R=80Ω

故选C为0.15

630V，CJ金属化纸介电容器

5、过电流保护

（1）、交流侧快速熔断器的选择

由于

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

，故也选RSL-50的熔断器，熔体电流为15A

6、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，可参照晶闸管

α=

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：

取1A，故选用ZP1-6整流二极管即可。

如图4-3中，

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。

①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Idmin。

②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Ld1=L1-（LB+LD）

考虑电流脉动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