10kW直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明書

/電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告課題名稱:10kW直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計院系名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：陳富安教師職稱：教授成績評定項目學(xué)習(xí)態(tài)度〔10分文獻檢索綜述能力〔20分設(shè)計能力〔40分論文撰寫水平〔30分總分〔100分得分指導(dǎo)教師簽字：年月日

目錄TOC\o"1-2"\h\u1.課題概述31.1課題背景31.2國內(nèi)外發(fā)展情況31.3前景及設(shè)計意義32.設(shè)計任務(wù)及要求43.設(shè)計說明53.1總體方案設(shè)計53.2主電路圖及原理63.3整流變壓器參數(shù)計算73.4晶閘管參數(shù)計算93.5觸發(fā)電路設(shè)計93.6測速發(fā)電機的選擇143.7電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇143.8調(diào)速靜態(tài)精度的計算153.9PID控制電路設(shè)計17總結(jié)18參考文獻19附錄20課題概述1.1課題背景電機調(diào)速廣泛應(yīng)用于我們的生活、生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中,例如：機床、電動工具、電動機車、機器人、家用電器、計算機驅(qū)動器、汽車、輪船、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。據(jù)報道,世界上大約有100億以上各種電機在工作。近年來,我國空調(diào)一年的產(chǎn)量就1000多萬臺,每臺都需要電機調(diào)速控制,可見電機調(diào)速應(yīng)用市場非常龐大。1.2國內(nèi)外發(fā)展情況早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ),采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成,控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜,功能單一,而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難,阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。20世紀70年代以來,直流電機傳動經(jīng)歷了重大的技術(shù)、裝備變革。整流器的更新?lián)Q代,以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時,高集成化、小型化、高可靠性及低成本成為控制的電路的發(fā)展方向。使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高,應(yīng)用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展,走向成熟化、完善化、系列化、標準化,在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。1.3前景及設(shè)計意義通過課程設(shè)計,一方面使我們對本課程所學(xué)內(nèi)容加深理解,另一方面熟悉工程設(shè)計的過程、規(guī)范和方法,能正確查閱技術(shù)資料、技術(shù)手冊和標準,培養(yǎng)我們的工程設(shè)計能力。電力電子是一門專業(yè)基礎(chǔ)性質(zhì)很強且與生產(chǎn)應(yīng)用實際緊密聯(lián)系的課程,學(xué)習(xí)本課程,培養(yǎng)我們對物理概念與基本分析方法的學(xué)習(xí)能力,做到理論結(jié)合實際,盡量做到器件、電路、應(yīng)用三者結(jié)合。在學(xué)習(xí)方法上也形成了對電路的相位與波形的分析習(xí)慣,抓住電力電子器件在電路中道通與截止的變化過程,從波形分析中進一步理解電路的工作狀況,培養(yǎng)了讀圖與分析能力,掌握器件計算、測量、調(diào)整及電路分析等方面的實踐能力。設(shè)計任務(wù)及要求在造紙、電纜、軋鋼等工業(yè)生產(chǎn)中,常采用直流電動機拖動,并采用晶閘管可控整流電路調(diào)節(jié)直流電機的電樞電壓,以獲得良好的調(diào)速性能。本課題要求設(shè)計一個由晶閘管三相整流橋、直流電動機、PID調(diào)節(jié)器<運放>組成的不可逆調(diào)速控制系統(tǒng),完成電路原理圖設(shè)計與主要電路元器件的分析、計算與選型。具體設(shè)計內(nèi)容如下：1晶閘管可控整流電路設(shè)計,包括電路原理圖、晶閘管型號規(guī)格的選擇、保護電路設(shè)計、整流變壓器設(shè)計等；2觸發(fā)控制電路設(shè)計；3測速電路設(shè)計和PID控制電路設(shè)計。原始數(shù)據(jù)如下：1直流電動機：Z3-71型Pn=10KW,Un=220V,In=55A,nn=1000r∕min電樞電阻Ra=0.5Ω電樞電感Ld=7mH勵磁電壓UL=220V勵磁電流IL=1.6A2直流測速發(fā)電機：55CY61nn=2000r∕minUn=110V,3霍爾電流傳感器：LA50；4最小整流角α=20°cos20°=0.943.設(shè)計說明3.1總體方案設(shè)計圖1由于電機容量較大,且要求電流脈動小,故選用三相全控橋式整流電路的供電方案。

電動機額定電壓為220V,為保證其供電質(zhì)量,采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。同時考慮三次諧波的影響,主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。

為了使電路簡單,工作可靠,裝置體積小,觸發(fā)電路選用集成度高,觸發(fā)可靠的KJ組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。

因調(diào)速精度要求較高,故采用裝速負反饋調(diào)速系統(tǒng),同時采用電流截止負反饋進行限流保護,出現(xiàn)故障電流時,由過流繼電器切斷主電路電源。

該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速,故要求勵磁保持恒定；勵磁繞組采用三相不控橋式整流電路供電,電源直接從變壓器二次側(cè)引入,同時設(shè)有弱磁保護環(huán)節(jié),使得勵磁繞組通電后主接觸器主觸頭才閉合。該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案,故勵磁電流保持恒定。勵磁繞組采用三項不可控橋式整流電路供電,電源可從主變壓器二次側(cè)引入,為保證先加勵磁后再加電樞電壓,主接觸器主觸點應(yīng)在勵磁繞組通電后方可閉合,同時設(shè)有弱磁保護環(huán)節(jié)。3.2主電路圖及原理圖2其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導(dǎo)通,構(gòu)成電流通路,因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通,必須對不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖,所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于π／3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大,易使脈沖變壓器飽和,所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π／3換相一次,換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進行,但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內(nèi)6個管子的組合導(dǎo)通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共陰極組T1,T3,T5的脈沖依次相差2π／3；同一相的上下兩個橋臂,即VT1和VT4,VT3和VT6,VT5和VT2的脈沖相差π,給分析帶來了方便；當(dāng)α=O時,輸出電壓Ud一周期內(nèi)的波形是6個線電壓的包絡(luò)線。所以輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍,比三相半波電路高l倍,脈動減小,而且每次脈動的波形都一樣,故該電路又可稱為6脈動整流電路。同理,三相半波整流電路稱為3脈動整流電路。α>0時,Ud的波形出現(xiàn)缺口,隨著α角的增大,缺口增大,輸出電壓平均值降低。當(dāng)α=2π／3時,輸出電壓為零,所以電阻性負載時,α的移相范圍是O～2π／3；當(dāng)O≤α≤π／3時,電流連續(xù),每個晶閘管導(dǎo)通2π／3；當(dāng)π／3≤α≤2π／3時,電流斷續(xù),個晶閘管導(dǎo)通小于2π／3。23α=π／3是電阻性負載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點。3.3整流變壓器參數(shù)計算⑴的計算是一個重要參數(shù),現(xiàn)在過低,無法保證輸出額定電壓。選擇過高,又會造成延遲角加大,功率因數(shù)變壞,整流元件的耐壓升高,增加了裝置的成本。一般可按下式計算即〔3-1式中,——理想情況下,時整流電壓與二次電壓之比,即；——控制角為時,輸出電壓與之比,即；——電網(wǎng)波動系數(shù),通常??；——整流電路輸出電壓最大值；——主電路電流回路；——線路連接方式系數(shù)；——變壓器的短路比,變壓器；——變壓器二次側(cè)實際工作電流與額定電流之比,應(yīng)取最大值。在要求不高的場合或近似估算時,用下式計算則更加方便〔3-2其中,取角考慮20°的裕量：=0.94=104—125V,取電壓比〔3-3⑵一次和二次相電流和的計算考慮變壓器的勵磁歷次電流時,應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù),所以〔3-5〔3-6⑶變壓器的容量計算〔3-7式中：、——一次側(cè)、二次側(cè)繞組的相數(shù)考慮勵磁功率,取,,,,。3.4晶閘管參數(shù)計算⑴晶閘管的額定電壓,取Utn=1000V⑵晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值,即〔3-8〔3-9考慮倍的裕量,,取。故選用型號為KP50—100晶閘管元件。3.5觸發(fā)電路設(shè)計3.5.1KC04芯片引腳介紹圖3〔1腳同向脈沖輸出端〔2腳懸空〔3腳鋸齒波電容連接端〔4腳同步鋸齒波電壓輸出端〔5腳電源負端〔6腳懸空〔7腳地端〔8腳同步電源信號輸入端〔9腳移相偏置及同步信號綜合端〔10腳懸空〔11腳方波脈沖輸出端〔12腳脈寬信號輸入端〔13腳負脈沖調(diào)制及封鎖控制端〔14腳正脈沖調(diào)制及封鎖控制端〔15腳反相脈沖輸出端〔16腳電源正端3.5.2KC04芯片原理圖圖4移相觸發(fā)器kc04電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。Kc04器件輸出兩路相差l80的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器電路。該電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制輸出端等功能和特點。3.5.3觸發(fā)電路及原理圖5普通晶閘管是半控型電力電子器件。為了使晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài),晶閘管在承受正向陽極電壓的同時,還需要在門極加上適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電壓?？刂凭чl管導(dǎo)通的電路稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路常以所組成的主要元件名稱進行分類,包括簡單觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路觸發(fā)器和計算機控制數(shù)字觸發(fā)電路等?？刂?、、功率、等全控型器件的通斷則需要設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動電路?；鶚O〔門極、柵極驅(qū)動電路是電力電子主電路和控制電路之間的接口。采用性能良好的驅(qū)動電路,可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài),縮短開關(guān)時間,減少開關(guān)損耗。另外,許多保護環(huán)節(jié)也設(shè)在驅(qū)動電路或通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)。觸發(fā)電路與驅(qū)動電路是電力電子裝置的重要組成部分。為了充分發(fā)揮電力電子器件的潛力、保證裝置的正常運行,必須正確設(shè)計與選擇觸發(fā)電路與驅(qū)動電路。晶閘管的觸發(fā)信號可以用交流正半周的一部分,也可用直流,還可用短暫的正脈沖。為了減少門極損耗,確保觸發(fā)時刻的準確性,觸發(fā)信號常采用脈沖形式。晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條：〔1觸發(fā)信號要有足夠的功率為使晶閘管可靠觸發(fā),觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流必須大于晶閘管產(chǎn)品參數(shù)提供的門極觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流值,即必須保證具有足夠的觸發(fā)功率。例如,要求觸發(fā)電壓不小于,觸發(fā)電流不小于；要求觸發(fā)電壓不小于4V,觸發(fā)電流不小于。但觸發(fā)信號不許超過規(guī)定的門極最大允許峰值電壓與峰值電流,以防損壞晶閘管的門極。在觸發(fā)信號為脈沖形式時,只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值,允許觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流的幅值在短時間內(nèi)大大超過銘牌規(guī)定值。〔2觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步為了保證電路的品質(zhì)及可靠性,要求晶閘管在每個周期都在相同的相位上觸發(fā)。因此,晶閘管的觸發(fā)電壓必須與其主回路的電源電壓保持固定的相位關(guān)系,即實現(xiàn)同步。實現(xiàn)同步的辦法通常是選擇觸發(fā)電路的同步電壓,使其與晶閘管主電壓之間滿足一定的相位關(guān)系?！?觸發(fā)脈沖要有一定的寬度,前沿要陡為使被觸發(fā)的晶閘管能保持住導(dǎo)通狀態(tài),晶閘管的陽極電流在觸發(fā)脈沖消失前必須達到擎住電流,因此,要求觸發(fā)脈沖應(yīng)具有一定的寬度,不能過窄。特別是當(dāng)負載為電感性負載時,因其中電流不能突變,更需要較寬的觸發(fā)脈沖,才可使元件可靠導(dǎo)通。例如,單相整流電路,電阻性負載時脈沖寬度應(yīng)大于,電感性負載時則因大于；三相全控橋中采用單脈沖觸發(fā)時脈寬應(yīng)大于〔通常取,而采用雙脈沖觸發(fā)時,脈寬為左右即可。此外,很多晶閘管電路還要求觸發(fā)脈沖具有陡的前沿,以實現(xiàn)精確的觸發(fā)導(dǎo)通控制。〔4觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路的要求觸發(fā)脈沖的移相范圍與主電路的型式、負載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān)。例如,單相全控橋電阻負載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為,而電感性負載〔不接續(xù)流管時要求移相范圍為。三相半波整流電路電阻負載時要求移相范圍為,而三相全控橋式整流電路電阻負載時要求移相范圍為。選用集成六脈沖觸發(fā)器實用電路。為了實現(xiàn)弱磁保護,在磁場回路中串入欠電壓繼電器,動作電流通過RP1調(diào)整。已知勵磁電流,可選用吸引線圈電流為的直流欠電壓繼電器。晶閘管的觸發(fā)電流為,觸發(fā)電壓為,在觸發(fā)電路電源電壓為時,脈沖變壓器匝數(shù)比,可獲得約的電壓,脈沖變壓器一次電流只要大于,即可滿足晶閘管要求,這里選用的作為脈沖功率放大管,其極限參數(shù),,完全能足要求。該電路需要設(shè)計一個三相同步變壓器,考慮各種不便因素,用三個單相變壓器結(jié)成三相變壓器組代替,并結(jié)成,確定單相變壓器的參數(shù)為：容量,電壓為三臺。同步變壓器的聯(lián)接如圖5-4所示。圖63.6測速發(fā)電機的選擇圖7由電機產(chǎn)品樣本查得,選用型永磁直流測速發(fā)電機。其參數(shù)為：,,負載電阻是,的電位器,測速發(fā)電機與主電機同軸聯(lián)結(jié)。由于主電機額定轉(zhuǎn)速為,因此測速發(fā)電機發(fā)出的最高電壓為,若給定電源取,則只要適當(dāng)取反饋系數(shù),即可滿足系統(tǒng)要求。3.7電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標,通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)<包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)>。對調(diào)速指標要求不高的場合,采用單閉環(huán)系統(tǒng),而對調(diào)速指標較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋,電流反饋,電壓反饋等。在電流單閉環(huán)中,將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號作為反饋信號加到"電流調(diào)節(jié)器"的輸入端,與"給定"的電壓相比較,經(jīng)放大后,得到移相控制電壓,控制整流橋的"觸發(fā)電路",改變"三相全控整流"的電壓輸出,從而構(gòu)成了電流負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的最高轉(zhuǎn)速也由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣,電流調(diào)節(jié)器若采用P〔比例調(diào)節(jié),對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差,要消除該誤差將調(diào)節(jié)器換成PI<比例積分>調(diào)節(jié)。當(dāng)"給定"恒定時,閉環(huán)系統(tǒng)對電樞電流變化起到了抑制作用,當(dāng)電機負載或電源電壓波動時,電機的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。選用模塊電流傳感器作為電流檢測元件,其參數(shù)為：額定電流,匝數(shù)比為,額定輸出電流為,測量電阻,取為、的繞線電位器。負載電流為時,讓電流截止反饋環(huán)節(jié)起作用,此時LA的輸出電流為,輸出電壓為,考慮一定的調(diào)節(jié)裕量,選穩(wěn)壓管作為比較電壓,。3.8調(diào)速靜態(tài)精度的計算<1>電動機和測速發(fā)電機電動勢常數(shù)計算電動機電動勢常數(shù)：測速發(fā)電機電動勢常數(shù)：<2>整流裝置的內(nèi)阻取1.2,則<3>要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降<4>求閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)⑸觸發(fā)器與整流裝置的放大倍數(shù)的估算在觸發(fā)器選用電源情況下,鋸齒波同步電壓最大值應(yīng)小于15V,這里按最大移相電壓為計算。⑹計算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)由于取,約左右,而,故。所以轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)⑺計算放大器的放大倍數(shù)由于,故因為較大,故選用放大倍數(shù)可調(diào)的放大器,如圖5-6所示圖8放大倍數(shù)可調(diào)的放大器由于點是虛地,故。式中——分壓電阻的分壓系數(shù)。所以。為了避免放大器開環(huán),不能調(diào)到零,可在電位器接地端串一個不可調(diào)的小電阻。若該電路電位器取、,固定小電阻取、,則,故最多能把放大倍數(shù)從提高到11倍。采用運算放大器,其輸入電阻,為了不影響,應(yīng)使。,,取,實取。、均取。由于放大器輸入電壓和輸出電壓極性相反,而觸發(fā)器的移相控制電壓又為正電壓,故給定電壓就得取負電壓,而一切反饋均取正電壓。為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個電源,用一個、電位器引出給定電壓。負載變化時候,會拉低轉(zhuǎn)速,所以負載加上去的時候電機的轉(zhuǎn)速會瞬時降下來,但是由于負反饋的作用,引起集成運放兩邊的電流發(fā)生變化,從而使速度環(huán)檢測到轉(zhuǎn)速降低,系統(tǒng)馬上就會做出反應(yīng),會使輸出電壓增大,讓轉(zhuǎn)速保持不變。根據(jù)以前學(xué)的公式我們可以知道,電壓對轉(zhuǎn)速有直接的影響,當(dāng)電壓變大時,轉(zhuǎn)速就會隨之變大。總結(jié)的說,之所以轉(zhuǎn)速能恒定,就是因為反饋帶來的信號被系統(tǒng)識別處理,改變電流電壓的改變來維持轉(zhuǎn)速。3.9PID控制電路設(shè)計圖9由于電流檢測信號中常含有交流分量,為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入,需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示,其濾波時間常數(shù)按需要選定,以濾平電流檢測信號為準。然而,在抑制交流分量的同時,濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用,為了平衡這個延遲作用,在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波,因此也需要濾波,濾波時間常數(shù)用表示,根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里,首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。圖10含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中R3左端電壓為轉(zhuǎn)速給定電壓,R17左端電壓為轉(zhuǎn)速負反饋電壓,ASR調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。圖11含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中R3左端電壓為轉(zhuǎn)速給定電壓,R17左端電壓為轉(zhuǎn)速負反饋電壓,ASR調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電