直流電動機畢業(yè)論文

1、第1章 直流電動機簡介1.1直流電動機的發(fā)展近三十年來針對異步電動機變頻調速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉速誤差小等特點在調速領域顯現優(yōu)勢。無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，這一淵源關系從其名稱中就可以看出來。有刷直流電動機從19世紀40年代出現以來，以其優(yōu)良的轉矩控制特性，在相當長的一段時間內一直在運動控制領域占據主導地位。但是，有機械接觸電刷-換向器一直是電流電機的一個致命弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的使用。為了取代有刷直流電動機的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。早在1

2、917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想。無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性,同時也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機的運轉效率,低速轉矩,轉速精度等都比任何控制技術的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關注.本產品已經生產超過55kW,可設計到400kW,可以解決產業(yè)界節(jié)電與高性能驅動的需求。我國對無刷直流電動機的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅動器，引起了國內有關學者的廣泛注意，自此國內掀起了研制開發(fā)和

3、技術引進的熱潮。經過多年的努力，目前，國內已有無刷直流電動機的系列 產品，形成了一定的生產規(guī)模。1.2直流電機的結構直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞阻、換向器和風扇等組成。 1.3無刷直流電動機的特點 無刷直流電動機保持著有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永久磁鋼。無

4、刷直流電動機的電樞繞組像交流電機的繞組一樣，采用多相形式，經由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實現電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通電產生電流，定子磁場和轉子磁極主磁場相互作用，產生轉矩。和有刷直流電動機相比，無刷直流電動機由于取消了電機的滑動接觸機構，因而消除了故障的主要根源。轉子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的。總的說來，除了軸承旋轉產生磨損外，轉子的損耗很小，因而進一步增加了工作的可靠性。1.4無刷直流電動機的應用 由于無刷直流電動機既具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流

5、電動機的機械換向裝置，克服了電刷和換向器所引、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病。故在當今國民經濟的各個領域的應用日益普及。無刷直流電動機的應用主要有以下幾方面： 1.定速驅動方面的應用 一般工業(yè)場合不需要調速的領域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電動機。隨著電力電子技術的進步，在功率不大于10kw且連續(xù)運行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電動機正被無刷直流電動機逐步取代，這類應用有自動門、電梯、水泵、風機等。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁電動機外還要增加驅動器，因此目前較少有應用。 2.調速驅動方面的應用 速度需要任意設定和調節(jié)，但

6、控制精度要求不高的調速系統(tǒng)分為兩種：一種是開環(huán)調速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調速系統(tǒng)(此時的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測速等)。通常采用的電機主要有三種：直流電動機、交流異步電動機和無刷直流電動機。這在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。調速應用領域最初用得最多的是直流電動機，隨著交流調速技術特別是電力電子技術和控制技術的發(fā)展，交流變頻技術獲得了廣泛應用，變頻器和交流電動機迅速滲透到直流調速系統(tǒng)的絕大多數應用領域。近幾年來，由于無刷直流電動機體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被無刷直流電動機系統(tǒng)所取代，特別是

7、在紡織機械、印刷機械等原來應用變頻系統(tǒng)較多的領域，而在一些直接由電池供電的直流電動機應用領域，則更多的由無刷直流電動機所取代。 3.精密控制方面的應用 伺服電動機在工業(yè)自動化領域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角色，應用場合不同，對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同，在實際應用中，伺服電動機有各種不同的控制形式：轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制。無刷直流電動機由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系統(tǒng)中逐步取代了直流電動機與步進電動機，成為其首選的伺服電動機之一。目前，掃描儀、攝影機、CD唱機驅動、醫(yī)療診斷CT、計算機硬盤驅動及數控車床驅動中等都廣泛采用了無刷直流電動機伺服系統(tǒng)用于精

8、密控制。第2章 無刷直流電動機控制系統(tǒng)結構和運行原理2.1直流電動機的系統(tǒng)結構2.1.1轉子位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動機中起著檢測轉子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的相應位置上。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子磁極所產生的磁場互相作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁極位置變換成電信號，去控制電子換向線路，從而使定子各相繞組按一定次序通電，使定子相電流隨轉子位置的變化按一定的次序換向，從而使電動機能夠連續(xù)工作。 位置傳感器種類較多且各具特點，目前在無刷直流電動機中常用的位置傳感器有以下幾種形式。 1.電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器是利用電磁效應來實現其位置測量

9、作用的，有開口變壓器、磁諧振電路、接近開關等多種類型。在無刷直流電動機中應用較多的是開口變壓器。電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、適應性強、結構簡單和緊湊等優(yōu)點；但這種傳感器信噪比較低，體積較大，同時其輸出波形為交流，一般需整流、濾波后方可使用。 2.光電式位置傳感器 這種傳感器是利用光電效應制成的，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動直流電源開關電路電動機位置傳感器及光電管等部件組成。它性能較穩(wěn)定，但存在輸出信號信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺陷。 3.磁敏式位置傳感器 這種傳感器是指它的某些電參數按一定規(guī)律隨周圍磁場變化而變化的半導體敏

10、感元件。其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。這種傳感器結構簡單、體積小、靈敏度高、壽命長、成本低，但是輸出的電勢信號比較低，需要用外加電路將信號放大。除上述三大類傳感器外，還有正余弦旋轉變壓器和編碼器等多種位置傳感器。但是，這種元件成本較高、體積較大、所配線路復雜，因而在一般無刷直流電動機中很少采用。此外，利用電動機定子繞組的反電動勢作為轉子磁鋼的位置信號，該信號檢出后，經數字電路處理，并送給邏輯開關電路去控制無刷直流電動機的換相。由于它省去了位置傳感器，使得無刷直流電動機的結構更加緊湊。 2.1.2電子開關電路 無刷直流電動

11、機的工作離不開電子開關電路，直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電。開關電路將位置傳感器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關，從而自動地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實現了電子換向。無刷直流電動機的電子開關電路主要由功率邏輯控制開關單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯控制開關單元是控制電路的核心，其作用是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上的各相繞組，以便使電動機產生持續(xù)不斷的轉矩。而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。 早期的無刷直流電動機的開關電路大多由晶閘管組成，由于其關斷要借助于反電動勢或電流過零，而且

12、晶閘管的開關頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內。隨著新型可關斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動機中換向器多由功率MOSFET或IGBT構成，具有控制容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點。2.2直流電動機的工作原理 1.系統(tǒng)基本構成 無刷直流電動機主要有電動機本體、電子開關電路、位置傳感器三部分組成，其原理如圖2.1所示：開關電路電動機直流電源 框圖如圖2-1所示。位置傳感器圖2-1系統(tǒng)原理框圖Fig.2-1Principal picture of system2.1.1電動機本體圖2.1 系統(tǒng)原理框圖Fig.2.1 Principle diagram of system 2.直流電

13、動機的工作原理 電動機本體包括定子和轉子兩部分，定子繞組一般為多相（二相、三相、四相、五相不等）；轉子由永磁材料按照一定極對數（2p=2,4,）組成，按照其結構分兩種：一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉子外表上，稱為凸極式；另一種是將永磁體嵌到轉子鐵心中，稱為嵌入式。為了能產生梯形波感應電動勢，無刷直流電動機的轉子磁鋼的形狀呈弧形(瓦片型)，磁極下定轉子氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布3。 一般永磁直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機氣隙磁場中產生磁場，其轉子電樞繞組通電后產生反應磁場，由于電刷的換向作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機的運行過程中始終保持相互垂直，從而產生最大轉矩驅動

14、電動機不停地運轉。無刷直流電動機為了實現無刷換相，首先要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結構正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同組成換相裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中由定子繞組所產生的磁場和轉動中的轉子磁鋼產生的永久磁場，在空間中始終保持在90°左右的電角度，從而產生轉矩推動轉子旋轉。在電樞線圈中通入直流電流，電樞在磁場中旋轉，換向器和電樞一起旋轉。電樞一經轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab， cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是從電刷A流入的方向

15、，在S極下，電流總是從電刷B流出的方向。由此保證了每個磁極線圈邊中的電流始終是一個方向，使電動機連續(xù)旋轉。 圖2.2 直流電動機基本工作原理圖Fig.2.2 The basic working principle of DC motor 3.直流調速系統(tǒng)工作原理直流電動機調速系統(tǒng)具有開環(huán)調速系統(tǒng)、單閉環(huán)調速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)和多閉環(huán)調速系統(tǒng),雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有控制容易,能在寬范圍內平滑調速和快速響應的優(yōu)點,在直流調速系統(tǒng)中得到廣泛得應用。直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在電機最大允許電流和轉矩受限制的情況下,能充分發(fā)揮電機的過載能力,在過渡過程中始終保持電流(轉矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)

16、以最大的加速度起動,到達穩(wěn)態(tài)轉速時,電流降下將使轉矩馬上與負載平衡,從而進入系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行。即在起動階段只有電流負反饋沒有轉速負反饋。到達穩(wěn)態(tài)時,只讓轉速負反饋發(fā)揮作用,不讓電流負反饋發(fā)揮作用。2.3直流電動機的調速方法2.3.1開環(huán)直流調速 1.原理直流開環(huán)調速系統(tǒng)的電氣原理如圖2.3所示。直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經平波電抗器L供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc調節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現直流電動機的調速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖2.4所示。在仿真中為了簡化模型，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動機勵磁由直流電源直接供電。 圖

17、2.3直流開環(huán)調速系統(tǒng)電氣原理Fig.2.3 Open loop speed control system of DC electrical principle圖2.4 移相特性Fig.2.4 Phase shift characteristic 22個參數的理論計算值 觸發(fā)器的控制角（alphadeg端）通過了移相控制環(huán)節(jié)（shifter），移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc（圖2中Uc），輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數模塊設定。移相特性如圖3所示。移相特性的數學表達式為 (1)在本模型中取，所以。在電動機的負載轉矩輸入端TL接入了斜坡（Ramp）和飽和(Satutration)兩個

18、串聯(lián)模塊，斜坡模塊用于設置負載轉矩上升速度和加載的時刻，飽和模塊用于限制負載轉矩的。3.開環(huán)直流調速控制系統(tǒng)組成開環(huán)控制系統(tǒng)是根據給定的控制量進行控制，而被控制量在整個控制過程中對控制量不產生任何影響。對于被控制量相對于其預期值可能出現的偏差，開環(huán)控制系統(tǒng)不具備修正能力。而直流調速開環(huán)控制系統(tǒng)通常是采用調節(jié)電樞電壓方案，具體實現在20世紀60年代晶閘管整流器的應用而采用由晶閘管整流器和電動機系統(tǒng)實現開環(huán)或閉環(huán)控制調速系統(tǒng)。由晶閘管整流器和電動機組實現開環(huán)系統(tǒng)結構，晶閘管整流器提供可以調節(jié)直流電動機電樞電壓實現直流電動機轉速輸出，而系統(tǒng)的輸出量沒有反饋給定環(huán)節(jié)參與控制實現轉速的開環(huán)控制。2.3.

19、2雙閉環(huán)直流調速 1.雙閉環(huán)控制系統(tǒng) （1）閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)介紹 閉環(huán)控制系統(tǒng)是既有參考輸入控制輸出量的前向或稱順向控制作用，又有輸出量引回到輸入端的反向控制作用，形成一個閉環(huán)控制形式。通常把輸出量引回到輸入端與參考輸入量進行比較的過程稱作反饋，所以閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。如果反饋信號與參考輸入信號符號相反，稱作負反饋；符號相同稱作正反饋，自動控制系統(tǒng)中多采用負反饋。在直流閉環(huán)控制系統(tǒng)中根據引入反饋信號的類型與結構形式的不同，在實際應用中看見遇到的系統(tǒng)有轉速單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，電壓負反饋控制系統(tǒng)，電壓負反饋帶電流補償控制系統(tǒng)，以及雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，甚至多環(huán)控制系統(tǒng)。其中，最為常用的是

20、轉速單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)和電流、轉速雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)，而轉速單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)包含在雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)之中。第3章 構建直流調速系統(tǒng)仿真模型及運行解析 3.1開環(huán)直流調速仿真及運行結果MATLAB是Mathworks公司開發(fā)的用于數學計算的工具軟件，它的大部分工具箱面向控制和相關學科，具有強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能、可視化仿真環(huán)境的Simulink.Simulink仿真工具中還包括用于電力電子、電器傳動的仿真工具，由連接庫、電源庫、元件庫、電機庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫組成。MATLAB/Simulink作為解決控制系統(tǒng)仿真與設計的主要語言，從各個角度對控制系統(tǒng)進行全面

21、分析(包括系統(tǒng)的時域分析，變換、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、復域分析等)，并基于分析結果給系統(tǒng)設計控制器，改善閉環(huán)系統(tǒng)的性能，是目前國際上自動控制領域的首選計算機語言。3.1.1開環(huán)系統(tǒng)的建模與仿真 采用面向電氣原理結構圖方法，構作的開環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型，由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。各部分建模與參數設置過程。 下圖為開環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型圖3.1 開環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型Fig.3.Open loopDC motor control system simulation model3.1.2系統(tǒng)的建模和模型參數設置 1.主電路的建模和參數設置

22、 開環(huán)直流調速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。由于同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個環(huán)節(jié)，通常作為一個組合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進行建模仁“豆。三相對稱交流電壓源的建模和參數設置。打開電壓源參數設置對話框，A相交流電源參數設置:幅值取220v、初相位設置成0度，頻率為50Hz、其它為默認值如圖3.2所示。B相交流電源參數設置方法與A相相同，除了將初相位設置成互差120度外，其它參數與A相相同。由此可得到三相對稱交流電源。 （1）晶閘管整流橋的建模和參數設置 首先從電力電子模塊組中選取“UniVersalBridge”模塊，并

23、將模塊標簽改為“晶閘管整流橋”;然后雙擊模塊圖標打開SCR整流橋參數設置對話框，參數設置如圖3.3所示。當采用三相整流橋時，橋臂數取3;A，B，C三相交流電源接到整流橋的輸人端;電力電子元件選擇晶閘管。參數設置的原則是:如果是針對某個具體的變流裝置進行參數設置。對話框中的R、L、C等參數取該裝置中的晶閘管元件的實際值;若仿真結果不理想，則不斷進行參數優(yōu)化。最后確定其參數。圖3.2 相電源參數設置Fig.3.2 Phase power parameter setting圖3.3 SCR整流橋參數設置Fig.3.3 SCR rectifier bridge parameter setting （2

24、）平波電抗器的建模和參數設置 選擇“SeriesRLC階anch”模塊，然后打開平波電抗器的設置對話框，進行設置。下圖為平波電抗器參數設置對話框。 圖3.4 平波電抗器參數設置Fig.3.4 Flat wave reactor parameter setting （3）直流電功機的建模和參數設置 首先從電機系統(tǒng)模塊組中選取“DCMaChine”模塊，直流電動機的勵磁繞組接直流J恒定勵磁電源，從電源模塊組中選取直流電壓源模塊。并將電壓參數設為220V。電樞繞組經平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出;電動機經TL端口接恒轉矩負載。下圖為直流電動機參數設置圖。圖3.5 直流電動機參數設置圖Fig.3.5

25、DC motor parameter setting diagram （4）同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數設置 同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。同步電源和6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號如圖3.6所示。圖3.6 同步觸發(fā)器和封裝后的子系統(tǒng)符號Fig.3.6 Synchronous trigger and packaged system symbol圖中觸發(fā)開關信號為“O”時，開放觸發(fā)器，為“1”時，封鎖觸發(fā)器。 2.控制電路的建模和參數設置 開環(huán)直流調速系統(tǒng)的控制電路只有一個給定環(huán)節(jié)。它可從輸入源模塊組中選取“Constant”模塊，設為SOrad/s。 將主電路和控制電路的仿真模

26、型按照開環(huán)直流調速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關系進行模型連接。即可得到圖3.1所示的開環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型。3.1.3系統(tǒng)的仿真參數設置 在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，進行“Simula、ionparameters”設置，如圖3.7所示。圖3.7 仿真參數設置對話框及參數設置Fig.3.7 Parameters of simulation and parameter settings dialog box3.1.4 系統(tǒng)的仿真結果當建模和參數設置完成后，打開“Simulati。n”菜單，點擊“Start”命令后，系統(tǒng)開始仿真，結果如圖3.8。圖3.8 開環(huán)控制的仿真結果

27、w、Ia、If、TeFig.3.8 Open loop control simulation results of W, Ia, If, Te3.2 雙閉環(huán)直流調速仿真分析及運行結果雙閉環(huán)調調速系統(tǒng)的仿真模型只是在開環(huán)的基礎上增加了轉速和電流調節(jié)模塊及限幅模塊，其仿真模型如圖下圖所示。參數的設置也基本一樣，只要將轉速和電流調節(jié)器模塊中的比例系數等相關數據按設計實例中的計算結果代入即可。圖3.9 雙閉環(huán)調調速系統(tǒng)的仿真模型Fig.3.9 Double close loop adjustable speed control system simulation model 當建模和參數設置完成后，打

28、開“Simulati。n”菜單，點擊“Start”命令后，系統(tǒng)開始仿真，結果如圖。圖3.10 雙閉環(huán)的仿真結果Fig.3.10 Double close loopsimulation results第4章 全數字直流電動機傳動系統(tǒng)設計 4.1數字直流調速系統(tǒng)的組成 連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎,由模擬電子電路構成控制器,因而存在以下弱點:由運算放大器構成的調節(jié)器參數一經設定,不易調整;對工況的變化和對象的自適應能力差;模擬控制器很難實現高級的控制策略和控制方法;模擬電路檢測精度不高;由模擬器件構成的控制電路集成度不高,硬件復雜,可靠性低。以微處理器為核心的數字控制系統(tǒng)集成度高,由于采用高

29、速數字信號處理器為控制器,可以實現復雜的控制策略和控制算法。另外可以借助一些人機界面設備實現對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、預警、故障診斷等功能。因而數字控制系統(tǒng)具有更高的發(fā)展前景。數字雙閉環(huán)直流調速的結構圖如圖3.11所示。圖4.1 數字雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖Fig.4.1 Digital DC double loop speed control system schematic diagram4.2調速方案的選擇本次設計選用的電動機型號Z2-51型，其具體參數如下表2-1所示電動機型號PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P極對數Z2-914823020914

30、500.358.021 表4.1 Z2-51型電動機具體參數Table4.1 Z2-S1 moter specific parameters4.2.1.電動機供電方案的選擇變壓器調速是直流調速系統(tǒng)用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。旋轉變流機組簡稱G-M系統(tǒng)，適用于調速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實現平滑調速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調制交換

31、器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據本此設計的技術要求和特點選V-M系統(tǒng)。在V-M系統(tǒng)中，調節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管

32、三相全控橋整流電路供電方案。4.2.2 調速系統(tǒng)方案的選擇 計算電動機電動勢系數： 由 v min/r, (1)當電流連續(xù)時， 系統(tǒng)額定速降為: r/min, . (2)開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率: ，大大超過了S5%. (3)若D=10，S5%.，則，可知開環(huán)調速系統(tǒng)的額定速降是1090.4，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調速系統(tǒng)無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)。因調速要求較高，故選用轉速負反饋調速系統(tǒng)，采用電流截止負反饋進行限流保護，出現故障電流時由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器。該系統(tǒng)采用減壓調速方案

33、，故勵磁應保持恒定。采用三相全控橋式整流電路供電。 4.3總體結構設計采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)

34、轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。直流調速系統(tǒng)的框圖如圖4.2所示： 圖4.2 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖Fig.4.2 Double close loop speed control system structure diagram4.4主電路設計與參數計算電動

35、機的額定電壓為230V，為保證供電質量，應采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結。4.4.1整流變壓器的設計 1變壓器二次側電壓U2的計算U2是一個重要的參數，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： （4） 式中: -整流電路輸出電壓最大值； nUT -主電路電流回路n個晶閘管正向壓降； C - 線路接線方式系數； Ush -變壓器的短路比，對10100KVA，Ush =0.050.1； I2/I2N-變壓器二次實際工作電

36、流與額定之比，應取最大值。在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： （5）式中A-理想情況下，=0°時整流電壓與二次電壓之比, 即A=/；B-延遲角為時輸出電壓與之比，即B= /；電網波動系數；(11.2)考慮各種因數的安全系數；根據設計要求，采用公式： (6)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取U2=120V。電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。 2 一次、二次相電流I1、I2的計算由表查得 =0.816, =0.816考慮變壓器勵磁電流得： 3變壓器容量的計算 （7） ； （8） ； （9）式中-一次側與二

37、次側繞組的相數；由表查得=3×380×56.49=64.398 KVA=3×120×170.54=61.394 KVA =1/2（64.398+61.394）=62.896 KVA 取S=62.9 KVA4.4.2晶閘管元件的選擇 1晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得，則 （10）取V. 2 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值 ，即 =1.57> 或 &

38、gt;=K （11）考慮（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （12）式中K=/（1.57）-電流計算系數。此外，還需注意以下幾點：當周圍環(huán)境溫度超過+40時，應降低元件的額定電流值。當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。關鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。由表查得 K=0.367，考慮(1.52)倍的裕量 （13）取。故選晶閘管的型號為KP20-7。4.4.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。 1過電

39、壓保護以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護1）阻容保護 即在變壓器二次側并聯(lián)電阻R和電容C進行保護。本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=62.9KVA, =120V取值：當 S=50100KVA時，對應的=41，所以取3。 C6S/U22=6×3×62.9×103/1202=78.6µF耐壓1.5Um =1.5×120×=254.6V選取10µF,耐壓300V的鋁電解電容器。 選取: S=62.9KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/

40、S =2.3×1202/62.9×103=34.48取 R=35IC=2fCUC×10-6=2×50×10×120×10-6=0.376 APR(3-4)IC2R=(34) ×0.3762×35=（14.8419.79）W選取電阻為2.2，20W的金屬膜電阻。2）壓敏電阻的計算=1.3××120=220.6V流通量取5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10）作交流側浪涌過電壓保護。（2）直流側過電壓保護直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏

41、電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。(1.82)=(1.82.2) ×230=414460V 選MY31-660/5型壓敏電阻(允許偏差+10)作直流側過壓保護。（3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 查下表：晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052表4.2 阻容保護的數值Table 4.2 the resistance-capacitance protection value 抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管

42、兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5µF，R=10，電容耐壓1.5=1.5×=1.5××120=441V選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質電容器, 耐壓為450V。=50×0.15×=0.324W 選R為80，1W的普通金屬膜電阻器。 2 過電流保護快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。 （1） 晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管

43、的有效值=120.7 A選取RLS-150快速熔斷器，熔體額定電流150A。（2）過電流繼電器的選擇因為負載電流為209A，所以可選用吸引線圈電流為30A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25A260A。4.4.4平波電抗器的計算為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數計算主要是電感量的計算。 1.算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計算，單位mH。 （14）式中為與整流電路形式有關的系數，可由表查得；為最小負載電流，常取電動機額

44、定電流的510計算。根據本電路形式查得=0.695所以=7.98mH 2.限制輸出電流脈動的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計算 （15）式中系數，與整流電路形式有關，電流最大允許脈動系數，通常三相電路（510）。根據本電路形式查得=1.045, 所以=6mH 3.電動機電感量和變壓器漏電感量電動機電

45、感量（單位為mH）可按下式計算 （16）式中,n直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入；P電動機的磁極對數；計算系數。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。本設計中取=8、=230V、=209A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計算 （17）式中計算系數，查表可得變壓器的短路比，取3。本設計中取=3.9、=3所以 =3.9×3×120/（100×209）=0.067mH 4.實際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量： 如上述條件均需滿足時，應取作為串入平波電抗器

46、的電感值，所以本電路選取=60 mH作為平波電抗器的電感值。4.4.4電流調節(jié)器的設計和校驗1.確定時間常數在三相橋式全控電路有：已知，所以電流環(huán)小時間常數=0.0017+0.002=0.0037S。2.選擇電流調節(jié)器的結構因為電流超調量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調節(jié)器 。 電流調機器的比例系數 電流調節(jié)器的超前時間系數 3.電流調節(jié)器參數計算 電流調節(jié)器超前時間常數=0.03s，又因為設計要求電流超調量，查得有=0.5，所以=，電樞回路總電阻R=2=2.4，所以ACR的比例系數 =4.校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率=135.

47、1。晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： > ，滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數近似處理條件：，滿足條件。5. 計算調節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的=40，有=11.9740=511.68，取520，取0.1，取0.2。故=，其結構圖如下所示：圖4.3電流調節(jié)器Fig.4.3 Current regulator4.4.5 轉速調節(jié)器的設計和校驗1.確定時間常數有則，已知轉速環(huán)濾波時間常數=0.01s，故轉速環(huán)小時間常數。2.選擇轉速調節(jié)器結構按設計要求，選用PI調節(jié)器 轉速調節(jié)器的比例系數轉速調節(jié)器的超前時間常數3.計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗

48、干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時間常數為：，轉速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數為：。4.檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數簡化條件為，滿足條件。轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為：，滿足近似條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容取=40，則，取1000。，取0.1，取1。故。其結構圖如下：圖4.4 轉速調節(jié)器Fig.4.4 speed regulator校核轉速超調量：由h=4，查得，不滿足設計要求，應使ASR 退飽和，重計算。設理想空載z=0，h=4時，查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% < 10%滿足設計要求. 6.測速發(fā)電機的選擇 因為，故這里可選用Z

49、YS-14A型永磁直流測速發(fā)電機。它的主要參數見下表。 型號最大功率W最高電壓V最大工作電流A最高轉速r/minZYS-14A121201003000表62ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機Table 4.3 2ZYS-14A type permanent magnet DC tachometer generator取負載電阻=2,P=2W的電位器，測速發(fā)電機與主電動機同軸連接。 7. 電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇選用LEM模塊LA25-NP電流傳感器作為檢測元件，其參數為：額定電流100A，匝數比1：1000，額定輸出電流為25mA。選測量電阻=120,P=1W的繞線電位器。負載電流為1.2時。讓電流截止環(huán)節(jié)起作用，此時LA25-NP輸出電流為1.2/250=1.2×18.25/1000=0.099A，輸出電壓為120×0.099=11.88V，再考慮一定的余量，可選用1N424