直流電動機無級調速

1、. . . . 畢業(yè)設計（論文）任務書設計（論文）題目： 直流電動機無級調速 學院：化工大學 專業(yè)： 機電一體化 班級： 華電專111學生： 一瑋 指導教師： 慧榮 1設計（論文）的主要任務與目標(1)本次的設計任務就是直流電動機無級調速的設計，使其能更好的為我們的生產和生活服務。(2) 本次的設計目的就是要求設計要使得電動機轉速可以由零平滑調至額定轉速，能實現(xiàn)高速起動，具有較高的調速精度。2設計（論文）的基本要求和容(1) 直流電動機的基本知識 (2) 直流電動機的運行原理 (3) 主電路以與控制電路的設計3主要參考文獻1 家生.電機原理與拖動基礎.郵電學院，2006年 2 唐介.電機與拖動

2、 . :高等教育,2003年 3 世元.電機學.中國電力，2004年 4 徐邦荃.直流調速系統(tǒng)與交流調速系統(tǒng).華中科技大學,2008年5 影.電機與電力拖動. :國防工業(yè),2006年4進度安排設計（論文）各階段名稱起 止 日 期1論文初稿2012年12月27日2第一次修改2012年12月30日3第二次修改2013年01月08日4第三次修改2013年02月17日5論文終稿2013年03月16日直流電動機無極調速摘 要本設計主要是運用調速系統(tǒng)對直流電動機進行調速，使其實現(xiàn)無級的效果。此調速系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成：主電路是采用晶閘管可控整流裝置進行調速;控制電路是采用雙閉環(huán)速度電流調節(jié)方法

3、進行反饋。系統(tǒng)采用調壓調速的調速方法可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續(xù)可調的，即可實現(xiàn)電動機的無級調速。雙閉環(huán)速度電流調節(jié)這種方法雖然初次頭次成本相對而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對生產工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動時的電流的動態(tài)過程，又保證穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定性，在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。達到穩(wěn)態(tài)后，只要轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用很好地滿足了生產需要。35 / 39關鍵詞：無級調速；雙閉環(huán)；晶閘管目錄第1章前言1第1節(jié)問題提出的意義1第1.2節(jié)國產直流電機簡介2第1.3節(jié)直流電動機的發(fā)展現(xiàn)狀

4、與趨勢2第2章直流電動機的概述5第2.1節(jié)直流電動機的基本知識52.1.1直流電動機的基本結構52.1.2直流電動機的工作原理62.1.3直流電動機的組成與分類7第2.2節(jié)直流電動機運行原理92.2.1直流電動機的勵磁方式92.2.2直流電動機的基本方程102.2.3直流電動機的機械特性11第3章設計任務與要求16第3.1節(jié)設計任務16第3.2節(jié)設計要求與性能指標16第4章電路設計18第4.1節(jié)主電路設計184.1.1電機參數(shù)計算和晶閘管容量參數(shù)計算184.1.2整流電路的選擇204.1.3整流器件的選擇214.1.4 觸發(fā)電路的選擇214.1.5穩(wěn)壓電源的選擇224.1.6主電路保護器件選擇

5、23第4.2節(jié)控制電路設計234.2.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成254.2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的啟動過程分析264.2.4轉速和電流兩個調節(jié)器的作用29第4.3節(jié)調速系統(tǒng)主、控電路圖30第4.4節(jié)調試過程31總結33參考文獻34致35第1章 前言第1節(jié) 問題提出的意義 隨著科學技術的迅猛發(fā)展，電氣設備發(fā)展日新月異。尤其以計算機、信息技術為代表的高新技術的發(fā)展，使制造技術的涵和外延發(fā)生了革命性的變化，傳統(tǒng)的電氣設備設計、制造技術不斷吸收信息控制、材料、能量與管理等領域的現(xiàn)代成果，綜合應用于產品設計、制造、檢測、生產管理和售后服務。在生產技術和生產模式等方面，許多新的思想和概念不斷涌現(xiàn)，而且，不同

6、科學之間相互滲透、交叉融合，迅速改變著傳統(tǒng)電氣設備制造業(yè)的面貌，從而使得產品頻繁的更新?lián)Q代，這就使得電機成為社會生產和生活中必不可少的工具。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人類社會的不斷進步，人們對生活產品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產設備必須具有良好的動態(tài)性能，在不同的時候進行不同的操作，完成不同的任務。為了使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能必須對系統(tǒng)進行設計。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產行業(yè)，為達到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調速圍等要求，又由于交流調速在當時尚未解決好調速控制問題，調速圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標不滿足生產工藝的要求，所以當時大量使用的是直流電動機調速系統(tǒng)，尤其是直流無

7、級調速系統(tǒng)，它具有調速性能好，圍寬，動態(tài)性能好等優(yōu)點，特別是設計簡單方便，雖然隨著控制技術以與電力電子技術的的發(fā)展，制造工藝技術的提高，大量出現(xiàn)交流調速的傳動系統(tǒng)，但直流傳動所具有的優(yōu)點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調速。因此實現(xiàn)直流無級調速對我們社會生產和生活有著重大的意義。第1.2節(jié) 國產直流電機簡介為了滿足各行業(yè)按不同運行條件對電動機提出的要求，將直流電機制造成不同型號的系列。所謂系列就是指結構形狀基本相似，而容量按一定比例遞增的一系列電機。它們的電壓、轉速、機座型號和鐵心長度都是一定的等級。現(xiàn)將我國目前生產的幾個主要系列直流電機簡要的介紹如下。Z2系列為普通用途的中、小型電機。它的容量

8、從400W到200KW，電動機的額定電壓有200V和110V兩種，額定轉速有3000、1500、1000、750與600r/min五個等級。Z2系列普通用途的中型直流電動機，容量從40KW到370KW。ZJD系列為大型直流電動機，容量從150KW到6500KW，主要用于驅動大型軋鋼機與卷揚機。第1.3節(jié) 直流電動機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢隨著電力半導體交流技術的日益發(fā)展成熟，直流電機在許多領域已被整流裝置代替，但直流電動機具有良好的啟動、調速和正反轉特性，能滿足生產過程中的各種特殊要求，因而在需要寬廣調速的場合與特殊要求的自動化控制系統(tǒng)中占有一定得應用地位。目前，我國電機有一定生產規(guī)模的企業(yè)有500多

9、家，生產的電機產品有500多個系列，近1500個品種。1997年我國電機產量約為55288MW，1998年約為72505MW，1999年約為62000MW。電動機出口量約為12000MW?？梢钥闯?998年較1997年電機產量有較大的提高，到1999年電機產量略有下降，企業(yè)負債持續(xù)攀升，效益不斷下滑，行業(yè)整體形勢有所下降。745918但隨著改革開放的深入，國家宏觀政策的調整以與市場需求的推動，我國電機產品由勞動密集型、資源密集型向高附加值和高技術含量的產品轉移，出口產品結構也逐步趨向于市場化和合理化。我國500多個電機企業(yè)大多集中在沿海地區(qū)，西部地區(qū)的企業(yè)寥寥無幾，在國家開發(fā)西部的大好機遇里，

10、對電機行業(yè)的發(fā)展提供了一個發(fā)展的機會。另外，我國加入WTO后，可將國一部分富裕的電機生產能力轉移到國外去，也是發(fā)展的一條出路。在國際市場上，電機是機電產品的重要組成部分之一，每年的貿易額約35億美元。電機行業(yè)單機出口產品主要為交流電動機、交流發(fā)電機與直流電動機。由上述可以看到電機的發(fā)展還是有很大發(fā)展空間的。為了發(fā)展電機產品，滿足客戶需求，擴大國、國際市場，電機產品必須向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效、節(jié)能方向發(fā)展。要開拓市場、擴大出口，今后電機行業(yè)的發(fā)展必須向以下幾方面努力：1電機的多用途、多品種隨著電機行業(yè)的不斷發(fā)展，電機產品的外延和涵也不斷拓展，電機產品也廣泛應用于能源、交通、石油、化工、

11、建筑等各個領域，并且電機的通用性逐漸向專用性方向發(fā)展，打破了過去同一類電機分別用于不同性質、場合的局面。電機正向專用性、特殊性、個性化方向發(fā)展，充分發(fā)揮電機的效率，這也是國外電機發(fā)展的最新觀點。2可靠性高、壽命長、噪聲低、重量輕、外形美觀改革的不斷深入，市場的全面開放，市場競爭的日漸激烈，用戶對產品高性能的要求，使得產品的生產者為了適應市場與用戶的需求，不斷地改進工藝，提高技術水平，采用新材料，設計出符合市場需求的電機產品。3高效、節(jié)能為了提高電機效率，實現(xiàn)節(jié)能的目的，我們采用了許多辦法，如采用降低起動轉矩、電容補償、阻尼槽等，但這都是在頻率不變的條件下實現(xiàn)的。自從有了逆變器之后，電源的變頻變

12、壓變得更加容易，從而可以調節(jié)異步電機在最佳工作點上運行，保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因數(shù)代替額定效率和額定功率因數(shù)，減小了電機尺寸，減輕其重量和降低成本。4機電一體化、智能化隨著科學技術的發(fā)展，高新技術對電機產品注入了新的活力，計算機輔助設計的運用、國家政策的鼓勵、各企業(yè)對科技的重視使新產品開發(fā)的周期逐漸縮短，機電一體化、智能化電機，應運而生，并且不斷推出新，在高新技術產品上我國電機的技術水平與發(fā)達國家相比，已水平相當。但我國的電機產品要擴大國、國際市場份額除了要滿足以上的要求外，我們還要強化市場競爭意識、市場服務意識，在未來的電機行業(yè)大發(fā)展中獨占鰲。第2章 直流電動機的概述第2

13、.1節(jié) 直流電動機的基本知識2.1.1直流電動機的基本結構直流電機的結構是多種多樣的，但任何直流電機都包括定子部分和轉子部分，這兩部分間存在著一定大小的氣隙，使電機中電路和磁場發(fā)生相對運動。直流電機定子部分主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉子部分主要由電樞繞組、換向器和轉軸等構成。結構圖如圖2-1。圖2-1直流電機結構圖1-電刷；2-磁軛；3-永久磁鋼；4-極靴；5-電樞繞組；6-磁軛1定子部分（1）主磁極: 其作用是產生磁場。通常用厚1-1.5mm的低碳鋼片疊裝而成。在磁極鐵心上繞有勵磁繞組，整個磁極利用螺桿固定在磁軛上。（2）換向極: 其作用是改善換向，使電機運行時電刷下不產生有害的

14、火花。換向極也是由鐵心與繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。（3）機座: 機座分磁軛和底腳兩部分。磁軛的作用是固定主磁極和換向極，是磁路的一部分。底腳起支撐和固定整臺電機的作用。機座一般式用鑄鋼鐵制造或鋼板焊接而成。2轉子部分（1）電樞鐵心:電樞鐵心是磁路的一部分，表面開槽以嵌放電樞繞組，為減少鐵耗，采用0.35-0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，固定在轉子支架或轉軸上。（2）電樞繞組:電樞繞組由許多按一定規(guī)則連接起來的線圈組成，是通過電流和產生電動勢的關鍵性部件。線圈用帶絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成。嵌放在電樞鐵心表面的槽直流電機采用雙層繞組，每槽的線圈邊分上、下兩層，上下層之間與

15、線圈于鐵心之間都是要可靠絕緣。槽口用槽契壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，大型電機中，繞組伸出槽外的端接部分應扎緊在支架上。2.1.2直流電動機的工作原理電動機是一種把電能轉變?yōu)闄C械能的機械。它的基本原理是利用帶電導體和磁場間的相互作用而把電能變?yōu)闄C械能。電動機結構主要包括兩部分：轉子和定子。轉子為電動機的旋轉部分，由轉軸座組成，導體繞組的排列方式決定電動機的類型與其特性。絕大多數(shù)的電動機都須作連續(xù)的轉運動的電磁力形成一種方向不變的轉矩，才能構成電動機。兩磁極間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。當線圈入直流電流時，線圈邊上受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對電磁力

16、形成了作用于電樞的一個電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向。若電樞轉動，線圈兩邊的位置互換，而線圈過的還是直流電流，則所產生的電磁轉矩的方向卻變?yōu)轫槙r針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉矩。這種交變的電磁轉矩只能使電樞來回搖擺，而不能使電樞連續(xù)轉動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于，當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向與時地加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質換向片構成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉。換向器又與兩個固定不動的由石墨制成的電刷A、B相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端

17、，直流電流經電刷流過電樞上的線圈，則產生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。電樞一經轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣的結構，就可使電動機能連續(xù)地旋轉。這就是直流電機的工作原理。2.1.3直流電動機的組成與分類直流電動機的種類有很多，但一般將其分為電磁式直流電動機、永磁式直流電動機、無刷式直流電動機，三種。1電磁式直流電動機：電磁式直流電動機由定子磁極、轉子(電樞)、換向器(俗稱整流子)、電

18、刷、機殼、軸承等構成。電磁式直流電動機的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵磁繞組構成。根據(jù)其勵磁(舊標準稱為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。因勵磁方式不同，定子磁極磁通(由定子磁極的勵磁線圈通電后產生)的變化規(guī)律也不同。串勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉矩近似與電樞電流的平方成正比，轉速隨轉矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉矩可達額定轉矩的5倍以上，短時間過載轉矩可達額定轉矩的4倍以上，轉速變化率較大，空載轉速甚高(一般不允許其在空載下運行)。可通過用

19、外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或將串勵繞組并聯(lián)換接來實現(xiàn)調速。并勵直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉速則隨電流與轉矩的增大而略有下降，短時過載轉矩為額定轉矩的1.5倍。轉速變化率較小，為5-15?？赏ㄟ^削弱磁場的恒功率來調速。他勵直流電動機的勵磁繞組接到獨立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉矩與電樞電流成正比。轉速變化也為5-15?？梢酝ㄟ^削弱磁場恒功率來提高轉速或通過降低轉子繞組的電壓來使轉速降低。復勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉子繞組串聯(lián)的串勵繞組(其匝數(shù)較少)。串聯(lián)繞組

20、產生磁通的方向與主繞組的磁通方向一樣，起動轉矩約為額定轉矩的4倍左右，短時間過載轉矩為額定轉矩的3.5倍左右。轉速變化率為2530(與串聯(lián)繞組有關)。轉速可通過削弱磁場強度宋調整。換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。 轉子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為12槽，嵌12組電樞繞組，各繞組間串聯(lián)連接后，再分別與12片換向片連接。2永磁式直流電動機： 永磁式直流電動機也由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成。 定子磁極采用永磁體(永久磁鋼)，有鐵氧體、鋁鎳鉆、釹鐵硼等材料。按其

21、結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機中使用的電動機多數(shù)為圓筒型磁體，而電動工具與汽車用電器中使用的電動機多數(shù)采用瓦塊型磁體。 轉子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉子的槽數(shù)少。錄放機中使用的小功率電動機多數(shù)為3槽，較高檔的為5槽或7槽。漆色線在轉子鐵心的兩槽之間(三槽即有三個繞組)，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。 電刷是連接電源與轉子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。錄放機中使用的永磁式直流電動機，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。3無刷直流電動機： 無刷直流電動機是采用半導體永磁體轉子 多極繞組定子 位置傳

22、感器定子開關器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點，廣泛應用于高檔錄音座、錄像機、電子儀器與自動化辦公設備中。 無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉子位置的變化，沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產生位置傳感信號，經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關電路提供。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏

23、傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉子旋轉時產生的磁場變化。采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉子旋轉時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇產生脈沖信號。采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關、LC諧振電路等)，當永磁體轉子位置發(fā)生變化時，電磁效應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位置而變化)。第2.2節(jié) 直流電動機運行原理2.2.1直流電動機

24、的勵磁方式直流電動機的主極磁場由勵磁繞組通以直流勵磁電流產生。勵磁電流的獲得方式稱為勵磁方式。主勵磁場的極性由勵磁電流方向決定，場強由勵磁電流大小決定。一般直流電動機的勵磁電流均可在一定圍調節(jié)。勵磁方式一般有，他勵、并勵、串勵、復勵，四種。下面就簡單介紹一下這四種方式的電動機。1他勵電動機此類電動機的勵磁繞組F和電樞繞組S由兩個不同的直流電源供電，勵磁回路與電樞回路相對獨立，采用永久磁鐵作為主極的永磁直流電動機亦屬于此類。2并勵電動機 勵磁繞組F和電樞繞組S并聯(lián)，有同一個直流電源供電，勵磁電流通常只有額定電流的1%-5%，這是直流電動機最為常見的勵磁方式。3串勵電動機勵磁繞組C和電樞繞組S串聯(lián)

25、，其勵磁電流與電樞電流相等與負載大小有關。4復勵電動機勵磁繞組由并勵繞組F與串勵繞組C兩部分組成，并套在同一個主極鐵心上，通常復勵電動機以并勵為主，并勵磁動勢占磁極總勵磁磁動勢的70%以上。若串勵磁場對并勵磁場助磁，稱之為積復勵；串磁磁場對并勵磁場去磁時，則稱之為差復勵。復勵電動機的運行特性介并勵于串勵之間。 勵磁繞組存在電阻，電動機在工作時勵磁回路要消耗一定的功率，稱之為勵磁損耗，這就使得直流電動機的效率相對其他電動機要低。勵磁損耗一般不超過額定功率的1%-3%。2.2.2直流電動機的基本方程1電動勢平衡方程式：根據(jù)基爾霍夫第二定律，對任一有源的閉合回路，所有電動勢之和等于所有壓降和，有：

26、（2-1） （2-2） 2轉矩平衡方程式：直流發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，電機的轉速為n,作用在電樞上的轉矩共有三個：一個是原動機輸入給發(fā)電機轉軸上的驅動轉矩；一個是電磁轉矩T；還有一個是電機的機械摩擦、風阻以與鐵損耗引起的轉矩，叫空載轉矩，用表示,空載轉矩是一個制動性轉矩,永遠與轉速n的方向相反。 （2-3） 2.2.3直流電動機的機械特性1機械特性的表達式：定義：在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值條件下，電機的轉速與電磁轉矩之間的關系：。由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式： （2-4） 通常稱b大的機械特性為軟特性，b小的機械特性為硬特性。2固有機械特性和人為機械特性：電動機的機

27、械特性可分為固有機械特性和人為機械特性(1)固有機械特性：固有機械特性是指當電動機的電樞工作電壓和勵磁磁通均為額定值、電樞回路中沒有串入附加電阻時的機械特性，其方程式為： （2-5） 固有機械特性曲線如圖所示，由于較小，則也較小，所以直流電動機的固有機械特性是比較“硬”的。 圖2-2固有機械特性曲線人為機械特性是指人為地改變電動機電路中的某個參數(shù)或電動機的電樞電壓值，而得到的機械特性，即改變式中的機械特性方程中的某些參數(shù)所獲得的機械特性： (2-6) 我們來研究只改變電樞電壓、磁通或附加電阻的一個參數(shù)，求出直流電動機有下列三種人為機械特性：1）電樞串電阻時的人為特性：當電動機的時，其人為機械特

28、性的方程式為： (2-7) 圖2-3電樞串電阻時特性曲線與固有特性相比，a.理想空載轉速不變，b.b 增大，轉速降增大，附加電阻越大，也越大，特性越“軟”，如圖2-3中曲線1、2所示。這類人為機械特性是一組通過,而不同斜率的直線?？梢姡斬撦d轉矩不變時，只改變電阻的大小，可以改變電動機的轉速，因此，電樞回路串電阻的方法，可用于直流電動機調速。 2）降低電樞電壓時的人為特性：當電動機的時，改變電樞電壓的人為機械特性的方程式為： (2-8) 圖2-4降低電樞電壓時特性曲線與固有特性相比較，a. 機械特性曲線的斜率b 不變，b.理想的空載轉速隨電壓減小成正比減小，改變電壓時的人為特性是一組與固有機械

29、特性平行的直線，如圖所示。由于受到絕緣強度的限制，電動機的額定電壓是工作電壓的上限，因此改變電壓時，只能在低于額定電壓的圍變化?？梢姡斬撦d轉矩不變時，改變電壓的大小，可以改變電動機的轉速，因此，改變電樞電壓的方法，也可用于直流電動機調速。 3）減弱勵磁磁通時的人為特性： 可以在勵磁回路中串接上電阻，或降低勵磁電壓來減弱磁通，保持時，減弱磁通的人為特性方程式為： (2-9)圖2-5減弱勵磁磁通時特性曲線由于磁通F 的減少，使得理想空載轉速和機械特性斜率b 都增大，其特性曲線如圖所示。電機的磁通設計在磁化曲線的膝點，接近飽和點，因此一般采用減弱磁通方法，可見，當負載轉矩不變時，減弱磁通方法也可用

30、于直流電動機調速。第3章 設計任務與要求第3.1節(jié) 設計任務隨著科學技術的不斷發(fā)展，人類社會的不斷進步，人們對生活產品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產設備必須具有良好的動態(tài)性能，在不同的進行不同的操作，完成不同的任務。為了使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能必須對系統(tǒng)進行設計。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產行業(yè)，為達到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調速圍等要求，又由于交流調速在當時尚未解決好調速控制問題，調速圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標不滿足生產工藝的要求，所以當時大量使用的是直流電動機調速系統(tǒng)，尤其是直流無級調速系統(tǒng)，它具有調速性能好，圍寬，動態(tài)性能好等優(yōu)點，特別是設計簡單方便，雖然隨著控

31、制技術以與電力電子技術的的發(fā)展，制造工藝技術的提高，大量出現(xiàn)交流調速的傳動系統(tǒng)，但直流傳動所具有的優(yōu)點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調速。本次的設計任務就是直流電動機無級調速的設計，使其能更好的為我們的生產和生活服務。第3.2節(jié) 設計要求與性能指標要求設計要使得電動機轉速可以由零平滑調至額定轉速，能實現(xiàn)高速起動，具有較高的調速精度。1穩(wěn)態(tài)指標：無靜差2 動態(tài)指標：電流超調量i=5, 空載啟動至額定轉速時的轉速超調量n=10 ，且啟動時盡量避免電流的過大沖擊。3電機有關參數(shù)： ，電樞回路總電阻 ，電流過載倍數(shù)=1.5第4章 電路設計第4.1節(jié) 主電路設計4.1.1電機參數(shù)計算和晶閘管容量參數(shù)計算

32、1電機有關參數(shù)： ，電樞回路總電阻 ，電流過載倍數(shù)=1.5，2變壓器的付邊電壓確定：因為， 整定的圍在 之間，所以由三相全橋整流公式： 當 在時有最大值，算出所以可以選擇3變壓器的容量大小計算：由于電動機電流大小為640A，電流過載是大小為960A，變壓器在電動機過載運行時的電流大小為783A，利用功率守恒定理， 阻抗消耗，考慮晶閘管的損耗和自身的損耗以與變壓器也有一定的過載能力，選擇的變壓器容量：。4晶閘管參數(shù)計算：由電機的過載倍數(shù)，我們可以電動機的過載電流，即最大電流：又由 整流輸出電壓 ，進線的線電壓是120V。由電路分析可知，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器的二次線電壓的電壓峰值。即晶

33、閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即考慮安全性裕量，選擇電壓裕量為2倍關系，電流裕量為1.5倍關系所以工作的晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：5電樞回路的平波電抗器計算：電動機在運行時保證電流連續(xù)，取此時的電流為額定電流的5 %10%。則電樞需要串入的電樞電抗器大小可以算： （其中為電樞的固有電抗值） 4.1.2整流電路的選擇圖4-1 三相橋式全控整流電路原理圖整流電路是將交流變?yōu)橹绷麟姡娐沸问蕉喾N多樣，各具特色。為了減小直流脈動，選用三相橋式全控整流電路。其原理圖如圖5-1所示，習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1 VT3 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4 V

34、T6 VT2）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從1到6的順序導通，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與abc三相電源接的3個晶閘管分別為VT4 VT6 VT2。其特點為：1 2個管子同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個，且不能為同一相器件。2 對觸發(fā)脈沖的要求：（1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。（2）共陰極組VT1VT3VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4VT6VT2也依次差120。（3）同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VY6，VT5與VT2，脈沖相差180。3整流電路輸出電壓一周期脈動6次，每次脈動的波

35、形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。4需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，另一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）。4.1.3整流器件的選擇絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，GTR是雙極型電流驅動器，由于具有電導調制效應，所以其同流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單。所以在此設計中選用IGBT作為整流器件。 IGBT的工作原理：溝道，為晶體管提供基極電流，I

36、GBT導通。導通壓降：電導調制效應使電阻減小，使導通壓降減小。關 斷：柵極間施加反壓或不加信號時，MOSFET的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。4.1.4 觸發(fā)電路的選擇晶閘管可控整流電路是通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小，稱為相控電路。為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，也習慣稱為觸發(fā)控制，相應的電路習慣稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路應保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系?，F(xiàn)在廣泛應用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為

37、鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多。1觸發(fā)電路的分析在此設計中采用雙脈沖形成環(huán)節(jié)與三相整流電路相聯(lián)接。雙脈沖形成環(huán)節(jié)采用性能價格比優(yōu)越的、每個觸發(fā)單元的一周期輸出兩個間隔的脈沖的電路，稱為雙脈沖電路。（1）雙脈沖電路V5、V6構成“或”門，當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出，只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈沖輸出，第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的對應的控制角產生隔的第二個脈沖是由滯后相位的后一相觸發(fā)單元產生（通過V6）（2）三相全控橋整流電路與觸發(fā)電路相連的情況接感性負載電流連續(xù)時，脈沖初始相位應定在=；如果是可逆系統(tǒng)，需要在整流各逆變狀態(tài)下工作，要求脈沖的移相圍理論上為

38、（由于考慮min和，一般為），由于鋸齒波波形兩面三刀端的非線性，因而要求鋸齒波的寬度大于，例如，此時，令，調節(jié)的大小使產生脈沖的M點移至鋸齒波的中央（處），相應于的位置。如果為正值，M點就向前移，控制角，晶閘管電路處于整流工作狀態(tài)。如果為負值，M點就向后移，控制角，晶閘管電路處于逆變狀態(tài)。2集成觸發(fā)器KC04國產集成觸發(fā)器KC04是KC系列觸發(fā)器中的一個典型代表，適用單相、三相供電裝置中作晶閘管脈沖移相觸發(fā)，其兩路相位間隔的移相脈沖可方便地構成半控、全控橋式觸發(fā)線路。該集成電路具有負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位值均衡性好、移相圍寬、對同步電壓要求不嚴、有脈沖列調制輸入與脈沖封鎖控制等

39、優(yōu)點，在實際線路中有著十分廣泛的應用。4.1.5穩(wěn)壓電源的選擇為了給觸發(fā)電路提供可靠的電源，減少和避免電壓的偏差，使觸發(fā)電路能穩(wěn)定的工作。本設計中采用了7815和7915穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓電源。隨著半導體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產并廣泛應用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成三端穩(wěn)壓器件78/79系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型 DC/DC 轉換器，用 78/79系列三端穩(wěn)壓器來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，

40、電路部還有過流、過熱與調整管的保護電路，使用起來可靠 、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓器型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，由于觸發(fā)電路要求的電源是15V，所以設計中采用了7815和7915穩(wěn)壓器。4.1.6主電路保護器件選擇電路中主要的保護器件是快速熔斷器FU，壓敏電阻過電壓抑制器RV，閥器件換相過電壓抑制用RC電路，直流側RC抑制電路，閥側浪涌過電壓抑制用RC電路等第4.2節(jié) 控制電路設計 本系統(tǒng)采用的是雙環(huán)的調速控制系統(tǒng)，針對生產工藝的控制要求：在給定的壓延力下，進行速度的調節(jié)，由這里我們可以認為力反饋環(huán)只是一個輔助的反饋環(huán)節(jié)，以供操作人員參考，實質起作用的

41、是在啟動電動機時的電流反饋環(huán)，和進入穩(wěn)態(tài)運行后的速度反饋環(huán)節(jié)。由這種設計思想，我們可以進行ASR和ACR的設計。系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖如下： +TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG內環(huán)ni圖 4-2 系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖外 環(huán)我們按照先環(huán)后外環(huán)的設計步驟來設計： 設計要求：實現(xiàn)轉速無靜差，所以我們采用PI調節(jié)器，系統(tǒng)的結構框圖圖4-3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖a轉速反饋系數(shù) b 電流反饋系數(shù) a 1/CeU*nUcEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE調節(jié)器的輸出限幅值確定：轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定

42、電流給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm本系統(tǒng)：設轉速達到額定時的給定為7.5V，輸出的限幅值為，所以可以算：又由計算電機時間常數(shù)： 和 算出 計算電磁時間常數(shù) ，因為有前面的參數(shù)計算要求電流連續(xù)時的電樞回路電感是 1.3mh, ,有因為采用的是三相橋式整流電路，所以4.2.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖圖5-4為轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器，二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在，稱

43、之為環(huán)；轉速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機的最大電流；電流調節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。圖4-4 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖4.2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的啟動過程分析設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過程示于下圖。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II

44、、III三個階段。 第I階段電流上升的階段（）突加給定電壓后，通過兩個調節(jié)器的控制作用，使、都上升，但是在當沒有達到負載電流以前，電動機還不能轉動。當后，電動機開始轉動。由于機電慣性的作用，轉速的增長不會很快，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流迅速上升。當時，電流調節(jié)器的作用使不在迅速增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調節(jié)作用。圖4-5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和波形第II階段()是恒流升速階段。該階段是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)

45、，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。與此同時，電機的反電動勢E 也按線性增長，對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當ACR采用PI調節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形第階段轉速調節(jié)階段（以后）當轉速上升到給定值時，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機仍在加速,使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀

46、態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉速就繼續(xù)上升。直到=時，轉矩，則=0，轉速才到達峰值（時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在段時間，直到穩(wěn)定。在這最后的轉速調節(jié)階段，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值，或者說，電流環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：1飽和非線性控制根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。2

47、轉速超調由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節(jié)階段后，必然使轉速超調，ASR的輸入偏差電壓Un為負值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應必然有超調。3準時間最優(yōu)控制起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優(yōu)控制。4.2.4轉速和電流兩個調節(jié)器的作用綜上所述，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下：1轉速調節(jié)器的作用（1）轉速調節(jié)器

48、是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 2電流調節(jié)器的作用（1）作為環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化；（2）對電網電壓的波動起與時抗擾的作用；（3）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；（4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。對于調速系統(tǒng),最重要的動

49、態(tài)性能是抗擾性能。在系統(tǒng)中，由于增設了電流環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較與時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此,在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中,由電網電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小的多。第4.3節(jié) 調速系統(tǒng)主、控電路圖第4.4節(jié) 調試過程 經過實驗室的調試，系統(tǒng)最終能較好地運行，從零速開始速度給定，以與突加速度給定信號，系統(tǒng)都能夠正常地起動，升速至給定的速度值。第一個問題是，突加速度給定信號時，電流速度的動態(tài)運行曲線在示波器上看到，而且在未經過系統(tǒng)聯(lián)合調試，即使從零開始升速啟動時出現(xiàn)過流報警現(xiàn)象，而當時的轉速并不高，負載也不是很大。出現(xiàn)這種情形的，本人認為是首先雖然各個單元已經調試好，但不等于整個系統(tǒng)參數(shù)就已經很好這是不同的。系統(tǒng)的各個模塊單元之間有一定的耦合關系，系統(tǒng)表現(xiàn)出來的性能與各個模塊都相關的，它們之間的參數(shù)會互相