电气传动课程设计——直流电动机调速系统的设计

1一直流电动机调速系统的设计1引言在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。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。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。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。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节器等。22系统方案选择和总体结构设计2.1调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-51型，其具体参数如下表2-1所示表2-1Z2-51型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra(Ω)GDa2（Nm2）P极对数Z2-914823020914500.358.0212.1.1电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变dU，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且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，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电3路供电方案。2.1.2调速系统方案的选择计算电动机电动势系数eC：由115.014503.0209230NANNenRIUCvmin/r,当电流连续时，系统额定速降为:4.1090115.03.02209edNNCRInr/min,aRR2.开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:%9.42%1004.109014504.1090NNNNnnnS，大大超过了S≤5%.若D=10，S≤5%.，则min/6.705.011005.014501rsDsnnNN，可知开环调速系统的额定速降是1090.4min/r，而工艺要求的是7.6min/r，故开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，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。为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电。2.2总体结构设计采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程4中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dNI时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。直流调速系统的框图如图2-1所示：图2-1直流双闭环调速系统结构图53主电路设计与参数计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。3.1整流变压器的设计3.1.1变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α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：)(cos22minmax2NshTdIICUAnUUU（3-1）式中maxdU--整流电路输出电压最大值；nUT--主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C--线路接线方式系数；Ush--变压器的短路比，对10～100KVA，Ush=0.05～0.1；I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：BAUUd2.1~12（3-2）式中A--理想情况下，α=0°时整流电压0dU与二次电压2U之比,即A=0dU/2U；B--延迟角为α时输出电压2U与0dU之比，即B=dU/0dU；ε——电网波动系数；(1～1.2)——考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：BAUUd2.1~128(3-3)由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985VU133~111985.09.034.22302.1~12取U2=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。63.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得1IK=0.816,2IK=0.816考虑变压器励磁电流得：AKIKIdI49.5617.3209816.005.105.111AIKIdI54.170209816.0223.1.3变压器容量的计算1111IUmS（3-4）2222IUmS；（3-5）)(2121SSS；（3-6）式中21,mm--一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得3,321mm1111IUmS=3×380×56.49=64.398KVA2222IUmS=3×120×170.54=61.394KVA)(2121SSS=1/2（64.398+61.394）=62.896KVA取S=62.9KVA3.2晶闸管元件的选择3.2.1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压TNU，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压TNU，即TNU=（2～3）mU整流电路形式为三相全控桥，查表得26UUm，则VUUUmTN8.881~9.58712063~263~23~22（3-7）取700TNUV.3.2.2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TNI=1.57)(AVTITI或)(AVTI57.1TI=57.1TIddII=KdI（3-8）考虑（1.5～2）倍的裕量7)(AVTI=（1.5～2）KdI（3-9）式中K=TI/（1.57dI）--电流计算系数。此外，还需注意以下几点：①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得K=0.367，考虑(1.5～2)倍的裕量dAVTKII2~5.1（3-10）A8.153~4.115209368.02~5.1取AIT140。故选晶闸管的型号为KP20-7。3.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.3.1过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护1）阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=62.9KVA,2U=120VemI取值：当S=50~100KVA时，对应的emI=4~1，所以emI取3。C≥6emIS/U22=6×3×62.9×103/1202=78.6µF耐压≥1.5Um=1.5×120×2=254.6V选取10µF,耐压300V的铝电解电容器。shU选取:S=62.9KVA,S=50~100KVA，shU=1~5，所以shU=3R≥2.3U22/SemshIU=2.3×1202/62.9×10333=34.48Ω8取R=35ΩIC=2πfCUC×10-6=2π×50×10×120×10-6=0.376APR≥(3-4)IC2R=(3～4)×0.3762×35=（14.84～19.79）W选取电阻为2.2Ω，20W的金属膜电阻。2）压敏电阻1RV的计算mAU1=223.1U=1.3×2×120=220.6V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作交流侧浪涌过电压保护。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成dtdi加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。MaU1(1.8～2)DCU=(1.8～2.2)×230=414～460V选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10％)作直流侧过压保护。（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护查下表：表3-1阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/μA1020501002005001000电容/μF0.10.150.20.250.512电阻/Ω1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值mU的1.1～1.15倍。由于AIT140由上表得C=0.5µF，R=10Ω，电容耐压≥1.5mU=1.5×26U=1.5×6×120=441V选C为0.15µF的CZJD-2型金属化