10kW直流电动机调速系统设计

1电力电子技术课程设计报告课题名称:10kW直流电动机调速系统设计院系名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：陈富安教师职称：教授成绩评定项目学习态度（10分）文献检索综述能力（20分）设计能力（40分）论文撰写水平（30分）总分（100分）得分指导教师签字：年月日2目录1.课题概述----------------------------------------------------------------------------------------31.1课题背景--------------------------------------------------------------------------------31.2国内外发展情况-----------------------------------------------------------------------31.3前景及设计意义-----------------------------------------------------------------------32.设计任务及要求-------------------------------------------------------------------------------43.设计说明----------------------------------------------------------------------------------------53.1总体方案设计--------------------------------------------------------------------------53.2主电路图及原理-----------------------------------------------------------------------63.3整流变压器参数计算----------------------------------------------------------------73.4晶闸管参数计算-----------------------------------------------------------------------93.5触发电路设计--------------------------------------------------------------------------93.6测速发电机的选择------------------------------------------------------------------143.7电流截止反馈环节的选择--------------------------------------------------------143.8调速静态精度的计算--------------------------------------------------------------153.9PID控制电路设计------------------------------------------------------------------17总结-----------------------------------------------------------------------------------------------18参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------19附录-----------------------------------------------------------------------------------------------2031.课题概述1.1课题背景电机调速广泛应用于我们的生活、生产的各个领域中，例如：机床、电动工具、电动机车、机器人、家用电器、计算机驱动器、汽车、轮船、轧钢、造纸和纺织行业等等。据报道，世界上大约有100亿以上各种电机在工作。近年来，我国空调一年的产量就1000多万台，每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用市场非常庞大。1.2国内外发展情况早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。1.3前景及设计意义通过课程设计，一方面使我们对本课程所学内容加深理解，另一方面熟悉工程设计的过程、规范和方法，能正确查阅技术资料、技术手册和标准，培养我们的工程设计能力。电力电子是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程，学习本课程，培养我们对物理概念与基本分析方法的学习能力，做到理论结合实际，尽量做到器件、电路、应用三者结合。在学习方法上也形成了对电路的相位与波形的分析习惯，抓住电力电子器件在电路中道通与截止的变化过4程，从波形分析中进一步理解电路的工作状况，培养了读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整及电路分析等方面的实践能力。2.设计任务及要求在造纸、电缆、轧钢等工业生产中，常采用直流电动机拖动，并采用晶闸管可控整流电路调节直流电机的电枢电压，以获得良好的调速性能。本课题要求设计一个由晶闸管三相整流桥、直流电动机、PID调节器(运放)组成的不可逆调速控制系统，完成电路原理图设计与主要电路元器件的分析、计算与选型。具体设计内容如下：1）晶闸管可控整流电路设计，包括电路原理图、晶闸管型号规格的选择、保护电路设计、整流变压器设计等；2）触发控制电路设计；3）测速电路设计和PID控制电路设计。原始数据如下：1）直流电动机：Z3-71型Pn=10KW，Un=220V，In=55A，nn=1000r∕min电枢电阻Ra=0.5Ω电枢电感Ld=7mH励磁电压UL=220V励磁电流IL=1.6A2）直流测速发电机：55CY61nn=2000r∕minUn=110V，3）霍尔电流传感器：LA50；4）最小整流角α=20°cos20°=0.9453.设计说明3.1总体方案设计图1由于电机容量较大，且要求电流脉动小，故选用三相全控桥式整流电路的供电方案。电动机额定电压为220V，为保证其供电质量，采用三相减压变压器将电源电压降低。同时考虑三次谐波的影响，主变压器采用D/Y联结。为了使电路简单，工作可靠，装置体积小，触发电路选用集成度高，触发可靠的KJ组成的六脉冲集成触发电路。因调速精度要求较高，故采用装速负反馈调速系统，同时采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时，由过流继电器切断主电路电源。该系统采用减压调速，故要求励磁保持恒定；励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源直接从变压器二次侧引入，同时设有弱磁保护环节，使得励磁绕组通电后主接触器主触头才闭合。该系统采用减压调速方案，故励磁电流保持恒定。励磁绕组采用三项不可控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入，为保证先加励磁后再加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节。63.2主电路图及原理图2其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π／3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。α0时，Ud的波形出现缺口，随着α角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当α=2π／3时，输出电压为零，所以电阻性负载时，α的移相范围是O～2π／3；当O≤α≤π／3时，电7流连续，每个晶闸管导通2π／3；当π／3≤α≤2π／3时，电流断续，个晶闸管导通小于2π／3。23α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。3.3整流变压器参数计算⑴2U的计算2U是一个重要参数，现在过低，无法保证输出额定电压。选择过高，又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算即NshTdIICUCosAnUUU22minmax2（3-1）式中，A——理想情况下，C0时整流电压0dU与二次电压2U之比，即20UUAd；B——控制角为时，输出电压dU与0dU之比，即0ddUUB；——电网波动系数，通常取9.0；maxdU——整流电路输出电压最大值；TnU——主电路电流回路；C——线路连接方式系数；shU——变压器的短路比，KVA100~10变压器1.0~05.0shU；NII22/——变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便BAUUd)2.1~1(2（3-2）8其中34.2A，取9.0角考虑20°的裕量：=0.94BAUUd)2.1~1(2=104—125V，取VU1102电压比45.311038021UUK（3-3）⑵一次和二次相电流1I和2I的计算816.021IIKK考虑变压器的励磁历次电流时，1I应乘以1.05左右的系数，所以AAKIKIdI7.1345.355816.005.105.111（3-5）AAIKIdI4555816.022（3-6）⑶变压器的容量计算1111IUmS（3-7）2222IUmS)(2121SSS式中：1m、2m——一次侧、二次侧绕组的相数kVAkVAIUS6.15)7.133803(3111kVAkVAIUS85.14)451103(3222kVAkVASSS3.15)85.146.15(21)(2121考虑励磁功率kWWPL352.0)6.0220(，取kVAS161，kVAS2.152，kVAS6.15，AI141，AI462。cos93.4晶闸管参数计算⑴晶闸管的额定电压VVUUUmTN808~5391106)3~2(6)3~2()3~2(2，取Utn=1000V⑵晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TNI大于实际流过管子电流最大有效值TI，即TAVTTNIII57.157.1)(（3-8）dddTTAVTKIIIIII57.157.1)(（3-9）考虑2~5.1倍的裕量，367.0KAAKIIdAVT4.48~3.3655367.0)2~5.1()2~5.1()(，取AIAVT50)(。故选用型号为KP