直流電動機調(diào)速課程設(shè)計

1、<p>　　電力拖動自動控制系統(tǒng)</p><p>　　課 程 設(shè) 計</p><p><b>　　學校：</b></p><p><b>　　專業(yè)：</b></p><p><b>　　班級：</b></p><p><b>　

2、　姓名：</b></p><p><b>　　指導老師</b></p><p><b>　　直流電動機不可逆</b></p><p><b>　　一. 技術(shù)數(shù)據(jù)要求</b></p><p>　?。?）電樞回路總電阻取R=2Ra；總飛輪力矩GD2=2.5GDa2=2.

3、5*5.49N.m2，P極對數(shù)均為1。</p><p>　?。?）其他末盡參數(shù)可參閱教材中“雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計舉例”的有關(guān)數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）要求：調(diào)速范圍D=10，靜差率S≤5%；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量σ%≤5%，電流脈動系數(shù)Si≤10%；啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 σn%≤10%。</p><p>　?。?）要求系統(tǒng)具有過流、過

4、壓、過載和缺相保護。</p><p>　　（5）要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。</p><p>　　（6）要求對拖動系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。</p><p><b>　　二 設(shè)計的內(nèi)容</b></p><p>　　1 .調(diào)速的方案選擇</p><p>　　（1）直流電動機的選擇</p>&

5、lt;p>　　根據(jù)要求，我這組應(yīng)選擇的電動機型號為Z2-61。</p><p>　?。?）電動機供電方案的選擇</p><p>　　由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小，故選用晶閘管三相全控橋變流器供電方案。</p><p>　?。?）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇</p><p>　　因調(diào)速精度要求較高，故采用轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)。采用電流截止負反饋

6、進行限流保護，當出現(xiàn)故障電流時，因過流使斷電器切斷主電路電源。電動機額定電壓為230V，為了保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降變壓器，將電源電壓降低。</p><p>　　故采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　?。?）直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由分析計算可得直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如下：</p><p><

7、b>　　2 .主電路的計算</b></p><p>　?。?）整流變壓器的計算</p><p><b>　?、俣蝹?cè)相電壓：</b></p><p>　　查表知，三相全控橋時</p><p>　　A=Ud0/ U2=2.34 （ 取ε=0.9為電網(wǎng)波動系數(shù)）</p><p>　　

8、B=Ud/Udv 查表知 B=COS，角考慮100裕量</p><p><b>　　故B=0.985</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　取U2=120V，所以 變比 K=U1/U2=380/120=3.17</p><p>　?、谝淮巍⒍蝹?cè)電流的計算</

9、p><p>　　查表知 KI1=0.816 ，KI2=0.816</p><p>　　I1=KI1Id/K=1.05*0.816*37/3.17=9.5A*1.05=10A</p><p>　　I2=KI2Id=0.816*37=30.2A</p><p><b>　?、圩儔浩魅萘康挠嬎?lt;/b></p><

10、;p>　　一次側(cè)，二次側(cè)繞組的相數(shù) m1=3，m2=3</p><p>　　所以 S1=m1U1I1=3*380*10=11400VA</p><p>　　S2=m2U2I2=3*120*30.2=10872VA</p><p>　　S=（S1+ S2）/2=（11400+10872）/2=11136VA</p><p>　　又因為 勵

11、磁功率P2=230*1.14=262.2w</p><p>　　所以 取S1=11.7KVA，S2=11.2KVA，S=11.4KVA，I1=10.3A，I2=31.7A</p><p>　　（2）晶閘管元件的選擇</p><p><b>　?、倬чl管額定電壓</b></p><p><b>　　取UTN=80

12、0V</b></p><p><b>　?、诰чl管的額定電流</b></p><p>　　查表知 K=0.367</p><p>　　IT（VA）=（1.5~2）KId=（1.5~2）*0.367*37=20.4~27.2A</p><p>　　取IT（VA）=50A</p><p>

13、　　故選Kp50-7晶閘管元件</p><p>　?。?）晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算</p><p>　　①交流側(cè)過電壓保護措施</p><p><b>　　10 阻容保護</b></p><p>　　Iem為變壓器勵磁電流百分數(shù)</p><p>　　C1≧6Iem (1/3S)/U22=6*10*11

14、.4*103/(3*1202)uF=15.8 uF</p><p>　　耐壓≧1.5Vm=1.5*√（2）*120V=254.6V</p><p>　　由公式計算出電容量一般偏大，實際選用時還可參照過去的使用情況來確定保護電容的電容量，這里選電容量15uF，耐壓250V的電容器</p><p>　　Ic=2*3.14fcuc*10-6=2*3.14*50*15*12

15、0*10-6A=0.57A</p><p>　　PR≧（3~4）Ic2R1=（3~4）*0.572*6.2w=6~8w</p><p>　　可選6.2Ω，10W金屬膜電阻</p><p>　　20 壓敏電阻RV1的選擇</p><p>　　標準電壓：VimA =1.3*√2V=1.3*√2*120V=110.3V</p><

16、;p>　　取120V，通流量取5KA，故選MY-120/5的壓敏電阻作交流側(cè)流通過電壓保護。</p><p>　?、谥绷鱾?cè)過電壓保護措施</p><p>　　VimA≧（1.8~2）VDC=（1.8~2）*230V=414~460V</p><p>　　選MY-430/3作直流側(cè)過壓保護。</p><p>　?、劬чl管及整流二極管兩端的

17、過電壓保護</p><p>　　晶閘管：C2=0.2uF，R2=40Ω</p><p>　　電容耐壓≧1.5Vm=1.5*√6*U2=1.5*√6*120V=441V</p><p>　　選C2JD-2型金屬化介電容器，電容量0.22uF，耐壓400V</p><p>　　電阻功率：PR2=fcum2*10-6=0.95W</p>

18、<p>　　取R2=43Ω，1W金屬膜電阻</p><p>　　整流二極管兩端的過電壓保護是用可調(diào)電阻來實現(xiàn)的。</p><p><b>　?、苓^電流保護</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)作限流保護外，還沒有與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過載與短路保護，用過流繼電器切斷故障電流。</p><p

19、>　　10 快速熔斷器的選擇</p><p>　　接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值IT=Id/√3=37A/√3=21A</p><p>　　故選用RLS-50的熔斷器，熔斷電流為50A</p><p>　　20 過電流繼電器的選擇</p><p>　　根據(jù)負載電流為37A，可選用吸引線圈電流為40A的J214-112S

20、型手動復位直流過電流繼電器。</p><p>　?、蓦妷汉碗娏魃仙实南拗?lt;/p><p>　　電壓上升率du/dt，正向電壓上升率較大時，使晶閘管誤導通。限制du/dt過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使du/dt降低。</p><p>　　電流上升率di/dt，導通時電流上升率過大則可能引起門極附近過熱造成晶閘管損壞限制

21、di/dt，除在阻容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制du/dt相同的措施，其中電感可采用空心電抗器，其中L≧30uH。</p><p>　?。?）平波電抗器的計算</p><p>　?、偈闺娏鬟B續(xù)的臨界電感量 L1</p><p>　　查表得 K1=0.695，Idmin=0.05Id=0.05*37A=1.85A</p><p>　　

22、則L1=K1*U2/ Idmin =0.695*120/1.85mH</p><p>　?、谙拗齐娏髅}動的電感量L2</p><p>　　查表得 K2=1.045，取Si=0.1</p><p>　　則L2=K2*U2/（Si*Id）=1.045*120/（0.1*37）mH=33.9 mH</p><p>　?、垭妱訖C電感量LD和變壓器漏電

23、感量LT</p><p>　　取KD=7，則LD=KD*VD/（2*Pn*Ia）*103=7*230/（2*1450*37）*103 =15 mH </p><p>　　查得 KT=3.9，取Ush=5，則LT=KT*Ush/100*U2/Ia=3.9*5/100*120/37=0.63 mH</p><p>　?、軐嶋H串入電抗器電感量</p><

24、;p>　　Ld=L1-（LD+2LT）=45-（7+2*0.63）=36.7 mH</p><p>　　⑤勵磁電路元件的選擇</p><p>　　整流二極管，耐壓與主電路晶閘管相同，故取800V。</p><p>　　額定電流可查表知，α=0時，K=0.367</p><p>　　則ID（AV）=（1.5~2）KIex=（1.5~2）*

25、0.367*1.14A=0.63~0.84A</p><p>　　可選IP型3A、800V的二極管。</p><p>　　RPex為與電動機配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵磁電流，一般為0~20KΩ量控，為實現(xiàn)弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器KA2，動作電流通過RP1調(diào)整。根據(jù)額定勵磁電流Iex=1.14A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-112Q直流欠電流繼電器。</p

26、><p>　　3 觸發(fā)電路的選擇與校驗</p><p>　　選用集成六脈沖觸發(fā)器實用電路。由產(chǎn)品目錄中查得KP50晶閘管的觸發(fā)電流為8~10mA，觸發(fā)電壓UG≤3.5V。在觸發(fā)電路直流電源電壓為15V時脈沖變壓器匝數(shù)比為2：1，Ug可獲得約6V左右的電壓，脈沖變壓器一次側(cè)電流只需大于75mA，即可滿足晶閘管要求，這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù)BVCEO=45V，ICM=30

27、0mA，完全滿足要求。</p><p>　　該電路需要三個互差1200，且與主電路三個相電壓Uu，Uv，Uw，同相的三個同步電壓，因此需要設(shè)計一個三相同步變壓器?？捎萌齻€單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并接成D，YO，即可獲得與主電路二次側(cè)相電壓同相的三個電壓Uu，Uv，Uw。按電路要求，同步電壓取30V，因一次側(cè)電壓直接與電網(wǎng)相接，每相繞組電壓為380V，考慮制造方便，功率的裕量留大一點，最后確定單相變壓器參

28、數(shù)為：容量為3VA，電壓為380V/30V，數(shù)量為3只</p><p>　　4 控制電路設(shè)計計算</p><p>　?。?）給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計計算</p><p>　　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Vc又為正電壓，故給定電壓Ugd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-15V電源，用一個2.2KΩ，1W

29、電位器引出給定電壓。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計與計算、調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計算</p><p>　　10 測速發(fā)電機的選擇</p><p>　　由電機產(chǎn)品樣本查得選用55CY61型永磁直流測速發(fā)電機。額定參數(shù)為ETG=40V，nTG=2000r/min 負載電阻RTG是2KΩ，2N的電位器。由于主電動機的額定轉(zhuǎn)速為1450r/min

30、，因此,測速發(fā)電機發(fā)出最高電壓為29V。若給定電源15V，只要適當取反饋系數(shù)α ，即可滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　20 電流截止反饋環(huán)節(jié) </p><p>　　選用LEM模塊LA100-NP電流傳感器作為電流檢測元件，參數(shù)為：額定電流為100A，匝數(shù)比為1：1000，額定輸出電流為100mA，測量電阻Rm=30~50Ω，取Rm為47Ω 1W的饒線電位器。當負載電流為1.2IN時，

31、讓電流截止反饋環(huán)節(jié)起作用，此時LA的輸出電流為1.2IN/1000=1.2*37/1000mA=44mA，輸出電壓為3.1V，考慮調(diào)節(jié)裕量，可選2CW9穩(wěn)壓管作為比較電壓，UVC=2V。</p><p>　　30調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)計算</p><p><b>　　電動機電動勢常數(shù)為</b></p><p>　　測速發(fā)電機電動勢常數(shù)：</p&

32、gt;<p>　　CeTG=ETG/NWTG=40/2000=0.02</p><p>　　整流裝置的內(nèi)阻Ri，k取1.2</p><p>　　Ri=（Kω0-UN）/IN=（1.2*2.34*120-230）/37Ω=2.9Ω</p><p>　　要求調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降</p><p>　　△nN= nNS/D（1-S）=14

33、50*0.05/（10*（1-0.05））=7.63r/min</p><p>　　閉環(huán)系數(shù)的開環(huán)放大倍數(shù)</p><p>　　K= INRΣ/KP△nN=72</p><p>　　觸發(fā)器與整流裝置的放大倍數(shù)的計算</p><p>　　Ks=Udmax/Ucmax=230/15=15.3</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系

34、數(shù) 由于Ugd取15V，Ufn 約12V左右，而ETG=29V，故取αTG=0.6</p><p>　　α=αTG* CeTGΦTG=0.6*0.02=0.012</p><p>　　放大器的放大倍數(shù)，由于K=αKpKs/CeΦ</p><p>　　所以Kp=KCeΦ/αKs=72*0.133/（0.012*15.3）=52.2</p><p&g

35、t;　　由于Kp較大，故采用放大倍數(shù)可調(diào)的放大器</p><p>　　采用F007運算放大器，其輸入電阻ri〉0.5MΩ；為了不影響ri，應(yīng)取R0小于1/10ri，故取R0=20KΩ，ρ取0.136，</p><p>　　所以R1=KpρR0=52.2*0.136*20*103Ω=142KΩ，R0，R1均取1/4W</p><p>　　5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)

36、設(shè)計</p><p><b>　　電流環(huán)的設(shè)計</b></p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p><p>　　10 整流裝置滯后時間常數(shù)，查表得知三相橋電路的平均失控電壓TS=0.0017s</p><p>　　20 電流濾波時間常數(shù)，三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了

37、基本濾平波頭，應(yīng)有（1~2）Toi=3.33ms，因此取Toi=0.002s</p><p>　　30電流環(huán)小時間常數(shù)，TΣi=Ts+Toi=0.0037s</p><p><b>　　選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求σi%≤5%，而且Ti/ TΣi =0.03/0.0037=8.1小于10，因此可按典Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計，

38、電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳函為</p><p><b>　　選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　ACR超前時間常數(shù)τi=Ti=0.03S。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益要求σ%≤5% ，應(yīng)取KITΣi=0.5</p><p>　　所以 KI=0.5/TΣi=0.5/0.0037=135.1 l/s<

39、;/p><p>　　所以ACR比例系數(shù)Ki=KI*τiR/（βKs）=135.1*0.03*2/（0.05*15.3）=10.56</p><p><b>　　效驗近似條件</b></p><p>　　電流截止頻率 Wci=KI=135.1 l/s</p><p>　　10 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：Wci≦1/3Ts&l

40、t;/p><p>　　而1/3Ts=1/（3*0.0017s）=196.1 l/s大于Wci，所以滿足近似條件。</p><p>　　20 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：Wci≧3√（1/（TmTl））</p><p>　　而3√（1/（TmTl））=3*√1/（0.18*0.03）=40.82 l/s小于Wci，滿足近似條件。</p><p&g

41、t;　　30 小時間常數(shù)近似處理條件：Wci≦1/3*√1/（TsToi）</p><p>　　而1/3*√1/（TsToi）=1/3*√1/（0.0017*0.002）=180.8 l/s大于Wci，滿足近似條件。</p><p>　　R0=40KΩ，Ri=KiR0=10.569*40=422.96KΩ 取422KΩ</p><p>　　Ci=τi/Ri=0.03

42、/422*103=0.07uF</p><p>　　Coi=4Toi/R0=4*0.002/40*103=0.2 uF</p><p><b>　　（1）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　10 電流環(huán)等效時間常數(shù)為 2TΣi=0.0074s</p><p>　　20轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton取Ton=0.01s

43、</p><p>　　30 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)TΣn=2TΣi+Ton=0.0174s</p><p>　?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含積分環(huán)節(jié)，又按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，故ASR選PI調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　。</b></p><p&

44、gt;　?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨性和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p>　　τn=hTΣn=5*0.0174s=0.087s</p><p>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN=（h+1）/（2TiTΣn2）=6/（2*25*0.01742）=396.4 l/s2</p><p><

45、b>　　于是ASR比例系數(shù)</b></p><p><b>　　校驗近似條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率ωcn=KN/ω1=Knτn=396.4*0.087=34.5 1/s</p><p>　　10電流環(huán)傳函條件 ωcn≦1/5TΣi </p><p>　　而1/5TΣi =1/

46、5*0.0017=5404 l/s大于ωci 滿足條件 </p><p>　　20小時間常數(shù)近似處理條件ωcn≦1/3*√1/（2TΣiTon）</p><p>　　而1/3*√1/（2TΣiTon）=38.75大于ωcn 滿足近似條件。</p><p>　　計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　取R0=40KΩ，則</p>

47、<p>　　Rn=KnR0=1.72*40KΩ=68.8KΩ 取70KΩ</p><p>　　Cn=τn/Rn=0.087/70*103=1.24uF取1.5uF</p><p>　　6 繼電器-接觸器控制電路設(shè)計</p><p>　　選用CM7815和CM7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源</p><p>　　由于變壓器一次

48、側(cè)電流I1=10A 故選D25-50型，三極自動斷路器</p><p><b>　　圖：晶閘管整流電路</b></p><p>　　電器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的MATLAB仿真</p><p>　　面向傳遞函數(shù)的MATLAB的仿真</p><p><b>　　傳遞函數(shù)系統(tǒng)圖</b></p>&