直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p><b>　　學(xué)校：</b></p><p><b>　　專(zhuān)業(yè)：</b></p><p><b>　　班級(jí)：</b></p><p><b>　

2、　姓名：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師</b></p><p><b>　　直流電動(dòng)機(jī)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(duì)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(jì)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(wú)靜差，電流超調(diào)量σ%≤5%，電流脈動(dòng)系數(shù)Si≤10%；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量 σn%≤10%。</p><p>　?。?）要求系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)

4、壓、過(guò)載和缺相保護(hù)。</p><p>　?。?）要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。</p><p>　?。?）要求對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)的內(nèi)容</b></p><p>　　1 .調(diào)速的方案選擇</p><p>　?。?）直流電動(dòng)機(jī)的選擇</p>&

5、lt;p>　　根據(jù)要求，我這組應(yīng)選擇的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Z2-61。</p><p>　　（2）電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇</p><p>　　由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)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(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。采用電流截止負(fù)反饋

6、進(jìn)行限流保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)故障電流時(shí)，因過(guò)流使斷電器切斷主電路電源。電動(dòng)機(jī)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>　　（4）直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由分析計(jì)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(jì)算</b></p><p>　?。?）整流變壓器的計(jì)算</p><p><b>　　①二次側(cè)相電壓：</b></p><p>　　查表知，三相全控橋時(shí)</p><p>　　A=Ud0/ U2=2.34 （ 取ε=0.9為電網(wǎng)波動(dòng)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>　　②一次、二次側(cè)電流的計(jì)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>　　③變壓器容量的計(jì)算</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?yàn)?勵(lì)

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>　?。?）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>　　②晶閘管的額定電流</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(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算</p><p>　　①交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施</p><p><b>　　10 阻容保護(hù)</b></p><p>　　Iem為變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?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(jì)算出電容量一般偏大，實(shí)際選用時(shí)還可參照過(guò)去的使用情況來(lái)確定保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)電壓保護(hù)。</p><p>　?、谥绷鱾?cè)過(guò)電壓保護(hù)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(guò)壓保護(hù)。</p><p>　　③晶閘管及整流二極管兩端的

17、過(guò)電壓保護(hù)</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(guò)電壓保護(hù)是用可調(diào)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　?、苓^(guò)電流保護(hù)</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)作限流保護(hù)外，還沒(méi)有與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過(guò)載與短路保護(hù)，用過(guò)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(guò)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(guò)電流繼電器的選擇</p><p>　　根據(jù)負(fù)載電流為37A，可選用吸引線圈電流為40A的J214-112S

20、型手動(dòng)復(fù)位直流過(guò)電流繼電器。</p><p>　　⑤電壓和電流上升率的限制</p><p>　　電壓上升率du/dt，正向電壓上升率較大時(shí)，使晶閘管誤導(dǎo)通。限制du/dt過(guò)大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)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(dǎo)通時(shí)電流上升率過(guò)大則可能引起門(mén)極附近過(guò)熱造成晶閘管損壞限制

21、di/dt，除在阻容保護(hù)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(jì)算</p><p>　　①使電流連續(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(dòng)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?dòng)機(jī)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>　　④實(shí)際串入電抗器電感量</p><

24、;p>　　Ld=L1-（LD+2LT）=45-（7+2*0.63）=36.7 mH</p><p>　?、輨?lì)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(shí)，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(dòng)機(jī)配套的磁場(chǎng)變阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，一般為0~20KΩ量控，為實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場(chǎng)回路中串入了欠電流繼電器KA2，動(dòng)作電流通過(guò)RP1調(diào)整。根據(jù)額定勵(lì)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(yàn)</p><p>　　選用集成六脈沖觸發(fā)器實(shí)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(shí)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(gè)互差1200，且與主電路三個(gè)相電壓Uu，Uv，Uw，同相的三個(gè)同步電壓，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器?？捎萌齻€(gè)單相變壓器接成三相變壓器組來(lái)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(gè)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(diǎn)，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(jì)計(jì)算</p><p>　?。?）給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)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(fù)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(gè)-15V電源，用一個(gè)2.2KΩ，1W

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

30、，因此,測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)出最高電壓為29V。若給定電源15V，只要適當(dāng)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(cè)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(cè)量電阻Rm=30~50Ω，取Rm為47Ω 1W的饒線電位器。當(dāng)負(fù)載電流為1.2IN時(shí)，

31、讓電流截止反饋環(huán)節(jié)起作用，此時(shí)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(jì)算</p><p><b>　　電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為</b></p><p>　　測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)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(kāi)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(jì)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(yùn)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(dòng)態(tài)

36、設(shè)計(jì)</p><p><b>　　電流環(huán)的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　10 整流裝置滯后時(shí)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(shí)間常數(shù)，三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)，

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(shí)間常數(shù)τi=Ti=0.03S。</p><p>　　電流環(huán)開(kāi)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(yàn)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(dòng)勢(shì)對(duì)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(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l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>　?。?）確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　10 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 2TΣi=0.0074s</p><p>　　20轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton取Ton=0.01s

43、</p><p>　　30 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)TΣn=2TΣi+Ton=0.0174s</p><p>　　（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求無(wú)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(jì)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(shí)間常數(shù)為</p><p>　　τn=hTΣn=5*0.0174s=0.087s</p><p>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)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(yàn)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(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l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(jì)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(jì)</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(dòng)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>&