直流电动机调速系统的设计.doc

课程设计
题目: 直流电动机调速系统的设计
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：
2010 年 9 月 25 日

摘 要
电动机是把电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和装置，以满足不同需求的电力设备。它作为动力设备，大至上千万瓦的电动机，小至几瓦的微电动机。在各种动力机械中，电动机的容量已超过总容量的60%。在大部分工程中要求其速随变化而变化，调速系统也随之变得重要。本设计只是从一个简单的设计来反应调速的过程，运用的是不可逆调速，设计相关简易数据进行简单的元件确定，并运用相关软件绘制的相关图片。以此达到本次设计的目的，熟悉电力运作的相关知识。
关键词：电动机 调速系统 不可逆 元件确定

目录
课程设计 1
摘 要 1
关键词 2
Abstract 2
1 任务提出和方案论证 3
1.1任务提出 3
1.2方案论证 3
2 总体设计 6
2.1系统框架图 6
2.2控制电路简图 7
3详细设计 8
3.1 给定环节 8
3.2放大器 9
3.3主电路 10
3.3.1整流变压器计算 11
3.3.2晶闸管元件的选择 12
3.3.3励磁电路的选择 15
3.4触发电路 16
3.5反馈电路 19
3.5.1电流反馈电阻的选择 19
3.5.2电流截止反馈环节的参数选择 22
3.5.3电压负反馈电阻的选择 23
4 总结 24
参考文献 25

Abstract
Motor is converted to a mechanical, electrical energy can be used to run the use of machinery and equipment to meet different needs of power facilities. it is powered equipment and large to millions of motors, small to several of the motor. in all power in the volume of motor mechanical, more than the total capacity of 60%. most of the project for the speed with the changes, machinery velocity modulation system also become important. This design is from a simple design to respond to the use of machinery velocity modulation is not reversible machinery velocity modulation, the design of the relevant summary data that a simple components, and related software to draw the picture. to achieve the design, Familiar with the operation of the relevant knowledge.
Key word: motor speed control system irreversible component
1 任务提出和方案论证
1.1任务提出
生产机械负载功率，最大冲击负载功率不大于，最高转速，系统要求调速范围，静差率，现用直流电动机拖动，设计一套晶闸管-电动机不可逆调速系统以满足生产机械的需求。
1.2方案论证
设计选用的是直流电动机，相比较交流电动机有调节方法简单和经济的优点。应此本设计选用直流电动机更方便课程设计。
外电路选用的是不可逆电路。
直流电动机调速共有三种方法：1.调节电枢供电电压
2.调节电枢电路中电阻
3.调节励磁电流
一般调速都将第二调速方法舍去，虽设备简单，操作方便，但只能进行有极调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；电阻将消耗大量电能。除其特别外很少用。课程设计追求实际普遍，故放弃。
第一和第三调速方法都可，均与其外电路有关。
电枢电路方法是各种各样的，依据生产机械的要求而设计，其有简单有复杂，但其经常变换使其工作时间不长，寿命较短，优点无极调速，调速平滑性好；
励磁电路是以改变电枢电压的极性和改变励磁磁通的方向大小来调节其速，其外电路比较复杂，而且对于小容量的电动机效果较好，如是大容量的电动机就必须添加更多的元件和设备，它将更加复杂。优点无极调速，调速平滑性好，所需电源容量小。
本设计运用第一调速方法，因为第一调速方法使电动机的机械特性成线性，而第三方法使机械特性成非线性，应此选用第一调速方法。
电路中各元件方案的选择：
因与交流机组（主控制电路主要是通过接触器来控制的）相比，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、功耗小、效率高，因此采用晶闸管可控整流装置供电。
本设计选用的是中小型直流电动机，功率低，故可选用单相整流电路。又因本系统设计是不可逆系统，所以可选用单相半控桥整流电路，这样不仅使控制电路大大简化，而且若控制电路安排合理可以减少电子元件的个数，即应用桥式电路中整流二极管代替续流二极管。这就要求将整流二极管和晶闸管分别放在一侧，当电路没有触发的时候整流二极管做续流作用。
直流电动机的额定电压为440V，直接用电网供电是很难达到要求，同时为了防止电动机启动与制动对电网的干扰，需要将电压升高并且能够和电网隔离提高功率因数，因此选用本设计采用整流变压器供电方式。
本系统没有对输出电流的脉动提出要求，故不用增加电抗器。
对于小功率的直流电动机直流调速系统一般采用减压调整方案，保持磁通不变，因此励磁绕组可采用单相不控整流电路供电。为保证直流电动机正常工作采用先加励磁电源，后加电枢电压的原则。为了防止电动机在运行过程中因励磁过小而造成转速过高或电流过大的现象，常在励磁回路中设有弱磁保护环节，即增加欠电流继电器。
本设计所选用的直流电动机容量较小，通过晶闸管的电流不会超过50A，故可采用电路简单，成本低的单结晶体管触发电路。为实现 自动控制，且要同时触发两只阴极不接在一起的晶闸管，可采用由晶体管代替可变电阻的单结晶体管触发电路，用具有两个二次绕组的脉冲变压器输出的脉冲。
反馈方式选择原则应是满足调速指标要求的前提下，选择最简单的反馈方案。
负载要求D＝10，S≤5％，则系统应满足的转速降

电动系数

该直流电动机固有转速降

故采用电压闭环控制系统
控制系统电压放大倍数

2 总体设计
2.1系统框架图
如图所示：

由传入电动机的电流和电压，经相应的反馈电路调节传入给定信号来调节其大小，再由放大器传入触发器，触发器电路经电流截止反馈的调节，再经过不可逆环节电路传出，进入电动机进行控制其转速。
2.2控制电路简图
控制电路图如图所示：

3详细设计
3.1 给定环节
给定环节电路图如图所示：
给定电压取15V，故可选用CW7815集成稳压器，考虑稳压器正常工作和散热功耗，选取稳压器输入电压为18V。
则交流断输入电压
给定电位器RP1取、与RP2取、串联。这里RP2是用来调整最低给定电压，以防失控。
3.2放大器
放大器的输入电路如图所示：

为防止过强的输入信号损坏晶体管V1，常采用二极管的钳位作用，使输入信号的幅值保持在一定的范围内，本设计使正向输入电压不超过1.4V，反向电压不超过0.7V，故正向用两只二极管串联，使正向电压稳定在最高为1.4V的状态下，反向仅用一个二极管并联在放大器的输入端。本设计是利用二极管的正向导通管压降的作用来实现限位的，由于二极管正向导通管压降是0.7V，所以要实现更高的电压要求可以适当的改变二极管的个数。
由于整流输出电压脉动很大，是反馈信号中含有脉动分量，这样会造成放大器不能正常工作，为此在放大器的输入端需要添加滤波元件，电容C就是起滤波作用的，选用、。
3.3主电路
晶闸管整流电路如图所示：

3.3.1整流变压器计算
U2的计算
其中：则

取
电压比
一次电流I1和二次电流I2的计算
已知全波整流电路中

变压器容量的计算

3.3.2晶闸管元件的选择
晶闸管的额定电压

取
晶闸管的额定电流
未接电抗器的电动机负载性质介于电阻与电感负荷之间，为了晶闸管正常工作，可采用如下公式：
取 故选晶闸管元件
尽管整流二极管导通时间长，既有整流作用又有续流作用，但考虑到晶闸管电流裕量大，故而整流二极管电流也选30A，所选型号初步定为或是
晶闸管保护环节的计算
交流侧过电压保护
阻容保护：

查询相关电容器分类等级以及标称容量获得如下信息：
纸质电容器一般是用两条铝箔作为电极，中间以厚度为0.008～0.012mm的电容器纸隔开重叠卷绕而成。制造工艺简单，价格便宜，能得到较大的电容量，一般在低频电路内，通常不能在高于3～4MHz的频率上运用。油浸电容器的耐压比普通纸质电容器高，稳定性也好，适用于高压电路。
故而可以选用、耐压1000V纸介电容器。

取

可选、35W金属膜大功率电阻
压敏电阻的选择：

通过查询相关产品参数目录，取电压为1200V，通流量为5kA,由此选用的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。
直流侧过电压保护

选用的压敏电阻作直流侧过电压保护。
晶闸管及整流二极管两端的过电压保护
由参考文献上获得晶闸管过电压保护参数估计值如下：
元件容量（A）
5
10
20
50
100
200
500
C（）
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.50
1.00
R（）
10～20
依据上面表格可以初步确定、

由此可以确定电容器选用、1000V的纸介电容器。
电阻选用、10W的金属膜电阻。
过电流保护
交流侧快速熔断器的选择
由于,考虑到电动机启动瞬间电流较大，熔断器的选取依据原则可以选用额定电压为600V，额定电流为32A型号为RM10无填充密闭管式熔断器。
元件端快速熔断器的选择
由于,为了减少元件的多样性便于设计和安装，本设计将元件端快速熔断器的规格定为额定电压为600V，额定电流为25A型号为RM10无填充密闭管式熔断器。
3.3.3励磁电路的选择
励磁电路额定电压：180V、额定电流：1.8A、额定功率：320W
励磁电路如图所示：

由于本设计系统是采用减压调速，励磁不变，故励磁绕组采用单相桥式不控整流电路供电，其励磁额定电压与电枢电压不同，需要另外寻找一个电源以满足励磁电路的需要。
整流变压器的计算

取
按照计算电枢供电变压器容量的方法计算励磁变压器的容量可得:

所以励磁电路所需变压器的容量为600VA。
励磁电路的整流二极管元件选择：

取、，故可取型号为的二极管为桥式整流元件。
图3中RPL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，在励磁回路中串入了欠电流继电器KA，通过RPI调整动作电流。根据额定励磁电流,可选用吸引线圈电流为2A的型直流欠电流继电器。
3.4触发电路
选用的单结晶体管触发电路如图所示：

该系统选用的晶闸管元件为30A、2400V，因此单结晶体管触发电路需要同时触发两只30A的晶闸管元件。由产品目录可以了解到晶闸管门极最大触发电流、最大触发电压。故每个二次绕组输出脉冲电压只要大于3.5V，电流大于150mA即可满足要求。
削波电压选15V，稳压二极管选用，其功率为1.5W。单结晶体管的分压比，则脉冲电压一次电压约为9V。若选用匝数比为2：1的脉冲变压器，则二次电压为4.5V，一次电流只要大于150mH就可以了。单结晶体管选用BT35D，它的最大瞬间发射极电流为2A，因此采用单结晶体管直接输出即可同时触发两组晶闸管。
又因单结晶体管触发电路，在削波电源下降沿会出现触发不可靠，有时会造成单相半控桥式电路失控现象。为此应在RP的下边串一只固定电阻，使脉冲不会超过移相范围，保证触发电路的可靠性，但缺点就是转速可能调不到零。
同步变压器的选用：
触发电路所需容量

给定电压所需容量

指示装置所需容量
两只1W的指示灯容量约为2VA
故而脉冲同步变压器的容量选用10VA比较合适。
同步变压器相关参数如图所示：
3.5反馈电路
3.5.1电流反馈电阻的选择
电流截止负反馈环节如图所示：

由于放大器的输入电压最多为10～20V，因此可取给定电源电压为15V，即。
电压反馈系数：
电流反馈系数：

选取
初步确定整流装置的内阻

取电流反馈电阻上消耗的功率满足:

取，其阻值为
电压反馈系数的确定
电压比较反馈原理图所示：

此电压负反馈系统运算放大器的放大倍数是由R3和R1的比值决定的，本设计系统的运算放大倍数为10，即。
又由于取控制电压为3～6V，本系统为4.5V则有：

由此可以得出放大器与晶闸管装置的开环放大倍数：

最终确定的系统参数如下：
电流反馈系数：
电压反馈系数：
电流反馈信号电阻：、，取、三只电阻并联使用。
电压负反馈环节系统的开环放大倍数：。与R并联的电流正反馈信号电位器，在阻值上远大于R的前提下，尽量取较小的值。这里取、的电位器即可满足要求。
3.5.2电流截止反馈环节的参数选择
电流截止负反馈电路如图6所示。电流截止负反馈信号通过与R并联的电流截止负反馈电位器（、）取出，比较电压可以用以下公式算出

故可以采用一只1.1V稳压管如型号为2CW50的稳压二极管来代替比较电压，电流截至负反馈信号可以通过电位器RP3尽心调整。
当主电路电流Id超过截至电流时，V4导通C1旁路脉冲后移，电流截止环节起作用。主电路电流小于截至电流时，V4截止，系统又自动恢复正常工作。
由于主电路电流脉冲，使电流截止反馈工作不正常，为此，对电流截止反馈信号必须滤波，电容C2就是起这个作用的。C2一般取几十～几百微法，本设计取
3.5.3电压负反馈电阻的选择
电压负反馈环节原理图如图所示：
考虑反馈电阻的功率不应太大，依据经验有以下式子：

取

现取一只、的固定电阻和一个、的电位器串联，固定电阻是为防止输出电压过高而设置的。
4 总结
通过本次综合设计使自己更加清楚的了解电力系统中相应环节的应用，无论是相应的书籍，还是相应的期刊，报告，论文都使自己对于电力这方面有相应的认识，这对于我未来的工作和生活都有相当重要的意义。对于即将毕业的我们，它为毕业论文奠定了一定的基础。
参考文献
[1]王兆安，黄 俊.电力电子技术（第四版），北京：机械工业出版社，2000
[2]汤蕴璆，罗应立，梁艳萍.电机学（第三版），北京：机械工业出版社，2008
[3]金代中.《新编电工常用查算手册》，北京：中国标准出版社，2004.
[4]莫正康.《电力电子应用技术》，北京：机械工业出版社，2001.8
[5]朱耀忠，刘景林.《电机与电力拖动》，北京：北京航空航天大学出版社，2005.9
[6]闫和平，宋军方.《常用低压电器与电气控制技术问答》，北京：机械工业出版社，2006.2
[7]孙余凯.《常用集成电路实用手册》，北京：电子工业出版社，2005.1
[8]王宁会.《电气工程常用数据速查手册》，北京：中国建材工业出版社，2006
[9]郭温玉.《新编实用电子电工手册》，北京：科学普及出版社，2006