22kw小容量直流電動機不可逆調速系統設計.doc

畢業(yè)設計論文論文題目： 2.2kw小容量直流電動機不可逆調速系統設計學號：21033239 姓 名：郜寶琦 系 部：電氣工程系 專 業(yè) 名 稱：機電一體化 指 導 教 師：莊麗 2012年12月24日I包頭職業(yè)技術學院電氣工程系機電一體化專業(yè)畢業(yè)設計論文包頭職業(yè)技術學院電氣工程系畢業(yè)設計任務書一題目： 2.2kw小容量直流電動機不可逆調速系統設計 二設計性能要求：1.調速范圍10D15，靜差率10s15，2.當負載確定時，系統能自動調節(jié)保證轉速不能變3.能迅速制動 三設計任務： 1.設計合適的控制方案。 2.畫出電路原理圖 3.寫出如何選擇電路。 4.寫出設計說明書，要求字跡工整，原理敘述正確。 5.列出元件明細表附在說明書的后面。前 言在電機的發(fā)展史上，直流電動機有著光輝的歷史和經歷，皮克西、西門子、格拉姆、愛迪生、戈登等世界上著名的科學家都為直流電機的發(fā)展和生存作出了極其巨大的貢獻，這些直流電機的鼻祖中尤其是以發(fā)明擅長的發(fā)明大王愛迪生卻只對直流電機感興趣，現而今直流電機仍然成為人類生存和發(fā)展極其重要的一部分，因而有必要說明對直流電機的研究的重要性。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成。最早調速系統是由交流電動機拖動直流發(fā)電機（G）給直流電動機（M）供電，通過調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流以改變其輸出電壓，達到直流電動機調速目的。這種調速系統簡稱G-M系統，但這種系統需要兩臺與直流電動機容量相當的電機，因此設備多，體積大，費用高，噪聲大，控制系統的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統非常不靈活、調試困難，維護不方便。阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣隨著半導體技術的發(fā)展，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統能達到更高的性能。更為經濟可靠、性能優(yōu)越的晶閘管變流器出現了，由晶閘管變流器（VT）向電動機（M）供電的系統簡稱V-M系統，相比之下VM系統在經濟性、可靠性和技術性能上顯示出較大的優(yōu)越性?？梢怨?jié)約人力資源和降低系統成本，從而有效的提高工作效率。本文首先明確了設計的任務和要求，在了解了單閉環(huán)直流調速系統的調速原理后，依次對調速系統中的主電路、觸發(fā)電路、PI調節(jié)器、給定環(huán)節(jié)進行了設計，并且附有相關的原理圖15目錄1 系統整體方案的確定11.1調速系統的確定11.2系統的組成與選擇21.2.1主電路及勵磁繞組回路21.2.2觸發(fā)電路41.2.3 PI調節(jié)器71.2.4給定環(huán)節(jié)91.2.5反饋環(huán)節(jié)102 系統工作原理102.1啟動102.2調速102.3穩(wěn)速（對負載擾動而言）102.4制動103 元氣件明細表11結束語13致謝14參考文獻15 1 系統整體方案的確定電動機是將電能轉化為機械能的一種有利工具，根據電動機類型的不同，它可分為直流電動機和交流電動機。由于課題要求和技術參數的需要，所以我選擇直流電動機作為拖動對象。 1.1調速系統的確定依生產機械要求的調速性能指標：10D15、10S15,負載容量為容量2.2KW13V。c最大輸出能力：200mA(吸收脈沖電流)。d輸出反壓：BVceol8V(測試條件：Ie=100A允許使用環(huán)境溫度：-l070。KC05是16腳雙列直插式集成電路，其結構如圖2-2所示?？梢苑譃橥綑z測、鋸齒波形成、移相控制、脈沖輸出、失交保護等幾個主要的環(huán)節(jié)。外電路提供15V的直流電壓加于腳16與腳7之間，作為集成觸發(fā)器的直流工作電源。圖1.5 KC05的結構和工作原理同步檢測是由KC05內部的整流橋VD1-VD4和V1、V2組成。腳15、腳16接交流電源同步變壓器，再同步電壓正負兩個半周內絕大部分時間幾乎都能使V1、V2處于完全導通狀態(tài)，只有在電網電壓在過零點附近，即小于3個PN結開啟電壓值之和時，V1、V2才截止，由此來控制鋸齒波電壓的形成，由于二極管的鉗位作用，腳15、腳16之間的電壓為正負間隔出現的近似梯形波電壓，梯形波的幅值Vm=2Vd+Vbe1。如圖2-3（a）所示鋸齒波形成環(huán)節(jié)由V3、Vdz1、V5、V6和V5發(fā)射極腳4的外接電容C1構成。依靠電容C1的充放電作用在它兩端產生鋸齒波電壓。同步電壓過零時，V1、V2截止，V3、V5導通，向電容C1充電，由于充電時間常數很小，C1兩端電壓迅速充至Vdz1的穩(wěn)壓值8伏左右，作為鋸齒波電壓的峰值。同步電壓過零之后，V1、V2導通，V3、V5截止，電容C1的電荷經V6恒流放電，形成鋸齒波電壓的下降沿，調節(jié)V6外接偏置電阻R1就能調整鋸齒波電壓的斜率。鋸齒波電壓波形如圖2-3（c）所示。脈沖移向環(huán)節(jié)由V8、V9、V10、Vdz2、V11組成。V7、V8、V9為恒流源組成的差放電路，起到比較放大的作用。移相電壓接至KC05的腳6，當線性下降的鋸齒波電壓大于移相電壓時，V8導通，V9、V10、Vdz2、V11截止。當鋸齒波電壓小于移相電壓時，V9、V10、Vdz2、V11導通，V11的導通經過脈沖形成環(huán)節(jié)產生脈沖輸出。圖1.6 KC05相關點波形脈沖形成環(huán)節(jié)由VD8、V12、V13、V14，腳13外接電容C2、腳10外接電阻R2組成。V11導通時調整偏置電阻R2使V12導通，與此同時，C2經VD8、V12充電，極性為左正右負。當V11導通時，電容C2上的電荷以反壓的形式加于VD8與V12發(fā)射結兩端，迫使V12截止。復合管V13、V14為輸出驅動管，在V12截止期間，V13基極為高電平，通過外接驅動電路觸發(fā)雙向晶閘管。同時C2由15伏電源、R2、V11反向充電，腳10端電壓逐步上升，當該電壓大于VD8和V12開啟電壓時，V12導通，V13、V14截止，輸出脈沖終止。調節(jié)時間常數R2、C2的大小就能獲得合適的脈沖寬度。KC05引腳相關的電壓波形如圖2-3所示。若將KC05的腳2與腳12相連，便組成了失交保護環(huán)節(jié)，所謂“失交”就是指一旦移相電壓大于鋸齒波電壓峰值時（此時兩電壓不存在交點），V9、V10、V11、V12保持導通，V13、V14、保持截止，電路無脈沖輸出，電動機在較高的速度下驟然停止，對控制不利。若將KC05的腳2與腳12相連，在電網電壓過零時，V1、V2截止，V3、V4導通，V4導通時管壓降加于Vdz2和V11的發(fā)射結兩端，強迫使V11截止，當電網電壓過零后，V1、V2導通，V3、V4截止，Vdz2、V11導通，電容C2上預充電電壓強迫使V12截止，V13、V14導通，輸出觸發(fā)脈沖，因此，當移相電壓大于鋸齒波電壓峰值時，使晶閘管工作于全導通狀態(tài)，電機在滿電壓下運行。1.2.3 PI調節(jié)器而PI調節(jié)器就是指比例積分（微分）調節(jié)器。PI調節(jié)器一方面給觸發(fā)電路輸入信號，另一個方面是將給定信號和反饋回來的信號做比較。PI調節(jié)器有很多，我們選擇了簡單方便、成本低 造價小能與KC05很好配合的F007 。F007是一個集成運算放大器，其根本實質是一個多級直接耦合高電壓放大倍數的放大器。F007外部結構圖及說明F007有9個引腳分別以數字區(qū)分，其中7、4為正負電源端，2、3為信號輸入端，6為信號輸出端，1、5為調零電位器接線端，8、9為消除寄生自激振蕩的補償端。圖1.7 F007外部結構圖F007內部原理圖及說明每個集成運放的內部結構大體都差不多，都是由四個部分組成包括輸入級、中間放大級、偏置電路、輸出級。輸入級由差分放大器組成，它的性能對整個集成放大電路的質量起決定性作用。中間放大級由電壓放大器構成，主要是提供足夠的電壓放大倍數，偏置電路是向各放大級提供合適的工作電流、決定各級靜態(tài)工作點，輸出級由推挽式放大器構成，主要用來提供足夠的輸出電流以滿足負載的需要，同時起著將放大器與負載隔離的作用。F007電路具有有源集電極負載、電壓放大倍數高、輸入電阻大、輸出有過流保護。圖1.8 F007內部原理圖1.2.4給定環(huán)節(jié) 給定環(huán)節(jié)由穩(wěn)壓電源和給定電位器組成。直流穩(wěn)壓電源的組成原理框圖及說明如下：圖1.9 直流穩(wěn)壓電源的組成原理框圖變壓器：是將正弦工頻交流電源電壓變換為符合用電設備所需要的正弦工頻交流電壓。整流電路：是利用具有單向導電性能的整流元件，將正負交替變化的正弦交流電壓變換成單方向的脈動直流電壓。濾波電路：盡可能的將單向脈動直流電壓中的脈動部分（交流分量）減小，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路：采用某些措施，是輸出的直流電壓在電源發(fā)生波動或負載變化時保持穩(wěn)定。1.2.5反饋環(huán)節(jié)電壓負反饋環(huán)節(jié)，直接在電樞回路并接電阻把反饋電壓信號送到PI調節(jié)器前端與給定信號進行比較，把比較后的信號經PI調節(jié)器送給觸發(fā)電路，以此來控制電樞兩端電壓。電流截止負反饋在電樞回路串接電阻取出信號反饋電流信號直接控制觸發(fā)電路，來控制主電路。2 系統工作原理2.1啟動閉合開關S，KM線圈得電常開觸點閉合主電路通電，勵磁電路得電向勵磁回路供電，給定電路也同時通電并通過PI調節(jié)器、KC05觸發(fā)器向晶閘管發(fā)脈沖，晶閘管導通并把交流電變換成直流電向電動機電樞兩端供電，這時電動機啟動。2.2調速要想使用不同的電機轉速，則系統必須具備調速功能。調節(jié)RP1、RP2的大小可以控制F007的輸入電壓，輸入電壓不同輸出電壓就不同，進而控制KC05的輸入電壓使控制角變化，導致晶閘管導通時間不同來控制電機兩端電壓大小使電機轉速改變。2.3穩(wěn)速（對負載擾動而言） 如負載增加，電機轉速下降電壓負反饋起作用，反饋電壓Ufu減小，與給定電壓相比較后的Un增大，Uct就增大，控制角減小，電機兩端電壓Udo增大，電機轉速上升，電機起到穩(wěn)速作用。2.4制動在斷電的一瞬間由于慣性電動機還在轉，所以要讓電動機自然停車會很用很長時間，為了使電機快速停下來本設計采用能耗制動方式。在電動機兩端加一個耗能元件電阻，使剩余的電能都消耗在這個電阻上產生熱量消耗掉。以此來達到快速停車的目的。3 元氣件明細表表3.1 元氣件明細表序號代號名稱數量12345678TrVT1VT2FuC1C10R1R17LVD1VD14KM交流變壓器晶閘管熔斷器電容電阻電感二極管交流接觸器1211017114191011121314V1VS1VS4RP1RP7GT PIKA三極管穩(wěn)壓管電位器KC05F007欠電流繼電器147111結束語經過一個月的努力，2.2kw小容量直流電動機不可逆調速系統設計終于完成 在整個設計過程中，出現過很多的難題，但都在老師和同學的幫助下順利解決了，在不斷的學習過程中我體會到：做畢業(yè)設計是一個不斷學習的過程，我體會到實踐對于學習的重要性，以前只是明白理論，沒有經過實踐考察，對知識的理解不夠明確，通過這次做畢業(yè)設計，真正的體會到理論與實踐相結合的重要性。通過本次設計，使我對在大學三年中所學的知識有了比較全面的系統的認知，也提高了自己的自學動手能力，并加深了對相關知識的復習與再更深的理解！閉環(huán)系統在實際應用中有著極其主要的地位，掌握和理解其原理結構，對以后的生活和工作都有十分重要的幫助。本次對過去知識的調動又達到了溫故而知新的效果，從而達到了學有所用的目的。本次設計不僅煅煉了我們對電路設計的基本構思，也使我們進一步了解了如何進行高層次的電路設計，還擴充了我們的知識面，增強了我們自由發(fā)揮的能力，并且很大程度的開發(fā)我們自己，挖掘我們自己，使我們受益非淺，充分體現了素質教育。也充分的詮釋了自己在大學期間所學和所知。總之，通過畢業(yè)設計,我深刻體會到要做好一個完整的事情，需要有系統的思維方式和方法，對待要解決的問題，要耐心、要善于運用已有的資源來充實自己。同時我也深刻的認識到，在對待一個新事物時，一定要從整體考慮，完成一步之后再作下一步，這樣才能更加有效。致謝三年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。三年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，在此特別感謝我的導老師莊麗老師。我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。老師為人隨和熱情，治學嚴謹細心，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式，在老師的嚴格要求下，從選題、命題、系統方案的確定一直到最后設計報告的反復改正完善，莊老師始終認真負責的給與我深刻而細致地指導。經由老師悉心的點撥,再經思考后的領悟,常常讓我有“山重水復疑無路,柳暗花明又一村”。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完