学位论文-—10kw直流电动机不可逆调速系统设计报告.doc

《电力电子技术》

课程设计报告

题 目：10kw直流电动机不可逆调速系统
院 （系）：
专业班级：
学生姓名：
学 号：
指导教师：

2013年6月8日至2013年 6 月21日

华中科技大学武昌分校制

《电力电子技术》课程设计任务书
一、设计题目
10kw直流电动机不可逆调速系统

二、设计主要内容
完成10kw直流电动机不可逆调速系统的设计，电机的具体技术数据为：
　 直流电动机：型号：Ｚ3－71
　 额定功率PN=10KW
　 额定电压UN=220V 额定电流IN =55A
　 转速nN =1000r/min 极数2P=4
　 电枢电阻RN =0.5Ω 电枢电感LD =7mH
　 励磁电压UL=220V 励磁电流IL=1.6A
主要设计内容：
（1）确定总体调速方案；
（2）选择主电路并进行参数计算；
（3）励磁电路确定及参数计算；
（4）触发电路选择与分析；
（5）绘制系统电路图；
（6）编写设计说明书。

三、原始资料
主电路选择与参数计算
（1）主电路选择原则
（2）参数计算包括：
Ø 整流变压器的参数计算
Ø 整流晶闸管的型号选择
Ø 保护电路元件参数计算
Ø 平波电抗器电感量计算
励磁电路设计重点说明
（1）励磁电路选择原则.
（2）励磁电路设计时要遵循先加励磁后加电枢电压的原则，同时要设有弱磁保护。
（3）参数计算包括：
Ø 整流二极管的参数计算
Ø 弱磁保护元件选择
触发电路设计重点说明
（1）为使线路简单，工作可靠，装置体积小，要求选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。
（2）设计说明包括：
Ø 芯片关键引脚的作用
Ø KJ041输入输出脉冲关系图
Ø 触发电路输出端与主电路晶闸管联接图
系统总体设计框架

系统电路图四、要求的设计成果
1、根据控制要求，设计主电路及控制电路，实现电路及设备的保护，选定所需的电气元件，并对系统（或类似系统）进行仿真得到正确的仿真结果；
2、提交设计说明书和一份控制系统原理图。
五、进程安排
课程设计内容
学时
分配
下达设计任务；查阅资料；与指导老师讨论拟定设计方案
1天
计算、设计，将编制好的电路图交给指导老师检查，并按照老师要求进行修改。
5天
撰写课程设计说明书、提交说明书
2天
答辩
1天
合计
9天

六、主要参考资料
[1] 黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2010．
[2] 郝用兴．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，2010．
[3] 陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社，2010．
[4] 王忠礼．Matlab 应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用．北京：清华出版社，2008．
[5] 陈定明．电机与控制．北京：高等教育出版社，2009．
指导教师（签名）：

20 年 月 日

目 录

1. 课程设计目的…………………………………………………………………………1
2. 课程设计要求…………………………………………………………………………1
2.1技术数据与要求………………………………………………………………1
2.2设计内容………………………………………………………………………1
3. 设计内容………………………………………………………………………………2
3.1调速系统方案的选择………………………………………………………… 2
3.2主电路计算……………………………………………………………………3
3.2.1整流变压器计算………………………………………………………3
3.2.2晶闸管元件的额定电压………………………………………………4
3.2.3晶闸管保护环节的计算………………………………………………5
3.2.4电抗器的参数计算……………………………………………………7
3.2.5 励磁电路元件的选择…………………………………………………8
3.3触发电路的选择与校正………………………………………………………8
4. 设计总结………………………………………………………………………………9
5. 参考文献……………………………………………………………………………10
附录……………………………………………………………………………………11

1. 课程设计目的
通过对直流电动机不可逆调速系统的设计，巩固和提高学过的电力电子技术、电机学的基础知识和专业知识，提高运用所学的知识进行独立思考和综合分析、解决实际问题的能力，培养掌握正确的思维方法和利用软件和硬件解决实际问题的基本技能。

2. 课程设计要求
2.1技术数据与要求
技术数据：
直流电动机：
型号：；额定功率；
额定电压；额定电流；
转速；极数；
电枢电阻；电枢电感；
励磁电压；励磁电流。
要求：调速范围，静态率，电流脉动系统。
2.2设计内容
（1）确定总体调速方案；
（2）选择主电路并进行参数计算；
（3）励磁电路确定及参数计算；
（4）触发电路选择与分析；
（5）绘制系统电路图；
（6）编写设计说明书。
3. 设计内容
3.1 调速系统方案的选择
由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控制整流电路供电方案。
电动机额定电压为，为保证供电质量，应采用三相减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，主变压器采用联接。
因调速精度要求较高，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，装置体积小，宜选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。
该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。励磁绕组采用三相不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。
直流调速系统框图如图1所示。
图1 直流调速系统框图
3.2 主电路计算
3.2.1 整流变压器计算
⑴的计算
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

（3-1）

式中，——理想情况下，时整流电压与二次电压之比，即；
——控制角为时，输出电压与之比，即；
——线路连接方式系数；
——电网波动系数，通常取；
——整流电路输出电压最大值；
——主电路电流回路n个晶闸管正向压降；
——变压器的短路比，变压器；
——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
（3-2）
其中， 取
角考虑的裕量：
，取
电压比
（3-3）
⑵一次和二次相电流和的计算

考虑变压器的励磁历次电流时，应乘以1.05左右的系数，所以
（3-5）
（3-6）
⑶变压器的容量计算
（3-7）
式中：、——一次侧、二次侧绕组的相数

考虑励磁功率，取，，，，。
3.2.2 晶闸管元件的额定电压
晶闸管和整流管的选择主要指合理的选择器件的额定电压和额定电流。

⑴晶闸管的额定电压
，取
⑵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大于实际流过管子电流最大有效值，即
（3-8）
或 （3-9）
考虑倍的裕量，
，取。
故选用型号为晶闸管元件。
3.2.3 晶闸管保护环节的计算
⑴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和电容进行保护，接线方式如图2所示。

电容的耐压
故选用型金属化纸介电容器，电容量，耐压。

因此，可选、的金属膜电阻。

图2 阻容保护接线方式

②压敏电阻的选择

通过查询相关产品参数目录，取电压为，通流量为，由此选用的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。
⑵直流侧过电压保护

故选用压敏电阻作为直流侧过电压保护
⑶晶闸管两端的过电压保护
晶闸管过电压保护参数估计值如表1所示。

表1 晶闸管过电压保护参数书估计值
晶闸管
额定电流/（A）
10
20
50
100
200
500
1000
电容
0.1
0.15
0.2
0.25
0.5
1
2
电阻
100
8
40
20
10
5
2

依据上面表格可以初步确定、。
电容耐压。
选型金属化纸介电容，电容量，耐压。

取，金属膜电阻。
⑷过电流保护
本系统除采用电流截止反馈环节做限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断器作过载和短路保护，用过流继电器切断故障电流。
①快速熔断器的选择
熔断器是同它保护的电路串联的，当该电路中发生过载或短路故障时，如果通过熔体的电流达到或超过某一定值，则熔体上产生的热量就会使其温度上升到熔体金属的熔点。于是，熔体自行熔断，并以此切断故障电流，对电路实行保护，快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。
接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值为
故选用的熔断器，容体电流为。
②过电流继电器的选择
根据负载电流为，可选用吸引线圈电流为的型手动复位直流过电流继电器，整定电流可取。
3.2.4 电抗器的参数计算
⑴使电流连续的临界电感量
，取,则

⑵限制电流脉动的电感量
，取，则
⑶变压器漏电感量
，取，则
⑷实际串入电抗器电感量
已知电动机电感量为，则

3.2.5 励磁电路元件的选择

图3 励磁电路接线方式
励磁电压；励磁电流，电路接线方式如图3所示
整流二极管耐压值与主电路晶闸管相同，故取，额定电流取查得，则

可选用型，二极管。
为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。
为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器，动作电流通过调整。根据额定励磁电流，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。
3.3 触发电路的选择与校验
三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围为，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为。选用集成六脉冲触发器实用电路。
为了实现弱磁保护，在磁场回路中串入欠电压继电器，动作电流通过RP1调整。已知励磁电流，可选用吸引线圈电流为的直流欠电压继电器。
晶闸管的触发电流为，触发电压为，在触发电路电源电压为时，脉冲变压器匝数比，可获得约的电压，脉冲变压器一次电流只要大于，即可满足晶闸管要求，这里选用的作为脉冲功率放大管，其极限参数，,完全能足要求。该电路需要设计一个三相同步变压器，考虑各种不便因素，用三个单相变压器结成三相变压器组代替，并结成，确定单相变压器的参数为：容量，电压为三台。三相全控桥整流电路的集成触发电路如图4。

图4 三相全控桥整流电路的集成触发电路

4.设计总结
在本次设计过程中，我查阅了大量的书籍，电力电子技术、电机学等几门学科，不但巩固和加深了所学的专业基础课知识，还将所学的知识融会贯通，并且将课本与实际相结合，真正实现了学有所用。
通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在课程设计过程中遇到各种问题是常有的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的。课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

5.参考文献
[1] 黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2010．
[2] 郝用兴．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，2010．
[3] 陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社，2010．
[4] 王忠礼．Matlab 应用技术—在电气工程与自动化专业中的应用．北京：清华出版社，2008．
[5] 陈定明．电机与控制．北京：高等教育出版社，2009．

9

课程设计成绩评定表
成
绩
评
定
项 目
比例
得 分
平时成绩（百分制记分）
30%

业务考核成绩（百分制记分）
70%

总评成绩（百分制记分）
100%

评定等级
优 良 中 及格 不及格
指导教师（签名）：

20 年 月 日