电力电子与电机拖动

电力电子与电机拖动综合课程设计题目：小功率直流电机可控整流不可逆调速系统的设计专业：14自动化一班学号： 114040200118姓名：徐荣完成日期： 2017.05.25指导教师：曹利钢景德镇陶瓷大学电力电子与电机拖动综合课程设计任务书班级：14自动动化一班姓名：徐荣指导教师：曹利钢 2017年5月25日教研室主任签字：年月日目录1、引言 (1)2、调速系统的方案选择 (2)2.1、直流电动机的选择 (2)2.2、电动机供电方案的选择 (2)2.3、触发电路的选择 (2)2.4、反馈方式的选择 (3)2.5、直流调速系统 (3)3、主电路计算 (4)3.1、整流变压器计算 (4)3.2、晶闸管元件选择 (5)3.3、晶闸管保护环节的计算 (6)3.4、励磁电路的选择 (9)4、触发电路元件参数的选择 (10)5、反馈电路参数的选择与计算 (12)5.1、电流反馈电阻的选择 (12)5.2、电流截止反馈环节的参数选择 (14)5.3、电压负反馈电阻的选择 (16)5.4、给定环节的计算 (17)5.5、放大器的输入电路 (18)6、继电器－接触器控制电路的设计 (19)6.1、设计思路 (19)6.2、控制电路图 (20)6.3、能耗制动电阻的计算 (21)6.4、控制电路的选择 (22)7、5kW直流调速系统电气原理总图 (23)8、参考资料 (24)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。

调速系统的方案选择2.1直流电动机的选择根据负载功率和额定转速的要求，查产品目录，依据原则及过载要求，选取：型号：Z2－11额定功率：5KW额定电压：440V额定电流：15A额定/弱磁转速：3000/3600励磁电压：180V励磁功率：320W电枢回路电阻：2电枢电感：20mH磁场电感：27mH效率：81.1％惯性矩：0.762.2电动机供电方案的选择与交流机组（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。

2.3触发电路的选择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。

2.4反馈方式的选择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 ≤10％，则系统应满足的转速降30000.05/min 15.8/min (1)10(10.05)N N r r n D s n s ⨯=≤=-⨯-∆ 电动系数4401520.1373000N a N e N N U I R C n φ--⨯=== 该直流电动机固有转速降'152/min 219/min 15.8/min 0.137Na N e N r r r I R n C φ⨯∆=== 故采用电压闭环控制系统控制系统电压放大倍数'219111315.8Nu N n K n =-=-=∆∆2.5直流调速系统框架图系统框架图如图1所示：图1 直流调速系统框图主电路计算晶闸管整流电路如图2所示：图2晶闸管整流电路3.1整流变压器计算3.1.1 U2的计算2(1~1.2)d A BU U ε=其中：0.9,1,0.9A B ε==取＝则 2440(1~1.2)543.2~6520.910.9V V U ==⨯⨯ 取 2600U V ＝电压比 122200.37600K U U === 3.1.2 一次电流I1和二次电流I2的计算已知全波整流电路中121.11, 1.11f I I K K K=== 11 1.05 1.05 1.1115/0.3747.25dA A I I K I K ==⨯⨯= 22 1.111516.65d A A I I K I =⨯==3.1.3 变压器容量的计算11122047.2510395VA VA S U I ==⨯= 22260016.659990VA VA S U I==⨯= 1211()(103959990)10.222VA kVA SS S =+=+= 3.2 晶闸管元件的选择3.2.1 晶闸管的额定电压(2~3)(2~6001697~2546TN m V V U U ===取2400TN V U =3.2.2 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：()(1.5~2)(1.5~(1.5~20.3~27.01.57T T AV A A I I ====取()30T AV A I = 故选3024KP C --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3024ZP -或是230CZ3.3 晶闸管保护环节的计算3.3.1 交流侧过电压保护3.3.1.1 阻容保护2226612 2.0410200600em C F F S I U μμ≥=⨯⨯=1.5 1.56001273m V V U U ≥==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2.2F μ、耐压1000V 纸介电容器。

2.357.4R ≥==Ω 取60R =Ω66210250 2.2600100.42cc f A A U I ππ--=⨯=⨯⨯⨯⨯= 22(3~4)(3~4)0.426030~40R C R W W P I ≥=⨯⨯= 可选60Ω、35W 金属膜大功率电阻3.3.1.2 压敏电阻1V R 的选择Im 1.326001103A V V U ==⨯⨯=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311200/5MY -的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。

3.3.2 直流侧过电压保护Im (1.8~2)(1.8~2)440792~880A DC V V UU ≥=⨯= 选用31820/3MY -的压敏电阻作直流侧过电压保护。

3.3.3 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：依据上面表格可以初步确定0.2C F μ=、20R =Ω262610500.2600)107.2m R fCU W W P --=⨯=⨯⨯⨯=由此可以确定电容器选用0.2F μ、1000V 的纸介电容器。

电阻选用20Ω、10W 的金属膜电阻。

3.3.4 过电流保护3.3.4.1交流侧快速熔断器的选择由于216.65I I A ==,考虑到电动机启动瞬间电流较大，熔断器的选取依据(1.5~2.5)rn fN I I ≥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。

3.3.4.2元件端快速熔断器的选择由于11.8T I A A ===,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。

3.4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3所示：图3 励磁电路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'2180(1~1.2)(1~1.2)222~2670.910.9d U U V V A B ε===⨯⨯ 取'2250U V =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:1'22200.88250U K U === 111.05/ 1.05 1.11 1.80.88 2.4I d I K I K A A ==⨯⨯= 22 1.11 1.8 2.0I d I K I A A ==⨯= 111220 2.4528S U I VA VA ==⨯= 222250 2.0500S U I VA VA ==⨯=1211()(528500)51422S S S VA VA =+=+= 所以励磁电路所需变压器的容量为600VA 。