交流电机调速.docx
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交流电机调速
黄石理工学院课程设计（论文）
一直流电动机调速系统的设计
1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。
本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节
器等。
1
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2系统方案选择和总体结构设计
2.1调速方案的选择
本次设计选用的电动机型号Z2-51型，其具体参数如下表2-1所示
表2-1Z2-51型电动机具体参数
电动机
型号
PN（KW）
UN（V）
IN（A）
NN（r/min）
Ra（Ω）
GDa2（Nm2
）
P极对
数
Z2-91
48
230
209
1450
0.3
58.02
1
2.1.1电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可
控制电源通常有3种：
旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。
旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。
静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系
统动态性能。
直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用
于中、小功率的系统。
根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。
在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。
由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。
考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。
因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。
并且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，能耗小，效率高。
同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。
综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。
2.1.2调速系统方案的选择计算电动机电动势系数Ce：
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由Ce
=UN−INRA=230−209×0.3=0.115
vmin/r,
nN1450
当电流连续时，系统额定速降为:
∆nN
=IdN⋅R=209×2×0.3=1090.4
r/min,
R=2Ra.
Ce0.115
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:
SN=
∆nN
nN+∆nN
=1090.4
1450+1090.4
×100%=42.9%，大大超过了S≤5%.
nN⋅s
1450×0.05
N
若D=10，S≤5%.，则∆n=≤=7.6r/min，可知开环调
D（1−s）10（1−0.05）
速系统的额定速降是1090.4r/min，而工艺要求的是7.6r/min，故开环调
速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。
因调速要求较高，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，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。
该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。
采用三相全控桥式整流电路供电。
2.2总体结构设计
采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于IdN时表现为转速无静差，这
3
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时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。
得到过电流的自动保
护。
显然静特性优于单闭环系统。
在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。
直流调速系统的框图如图2-1所示：
图2-1直流双闭环调速系统结构图
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3主电路设计与参数计算
电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降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D/Y联结。
3.1整流变压器的设计
3.1.1变压器二次侧电压U2的计算
U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。
选择过大又会造成延迟角α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：
U2=
Udmax+nUT
I
（3-1）
Aε（cosαmin
−CUsh
2）
I2N
式中Udmax
--整流电路输出电压最大值；
nUT--主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C--线路接线方式系数；
Ush--变压器的短路比，对10～100KVA，Ush=0.05～0.1；I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。
在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：
U=（1~1.2）Ud
2AεB
（3-2）
式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比,即
A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压U2与Ud0之比，即B=Ud
ε——电网波动系数；
/Ud0；
（1～1.2）——考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：
U=（1~1.2）Ud
2AεB
8（3-3）
由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985
U2=
（1~
1.2）
2.34
230
×0.9×
0.985
=111
~133V
取U2=120V。
电压比K=U1/U2=380/120=3.17。
3.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算
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由表查得
KI1=0.816,
KI2=0.816
考虑变压器励磁电流得：
I=1.05
KI1Id
=1.05
0.816
×209
=56.49A
1
I2=KI2Id
K
=0.816×209
3.17
=170.54A
3.1.3变压器容量的计算
S1=m1U1I1
（3-4）
S2=m2U2I2；（3-5）
S=12×（S1+S2）；（3-6）式中m1,m2--一次侧与二次侧绕组的相数；
由表查得m1=3,m2=3
S1=m1U1I1=3×380×56.49=64.398KVA
S2=m2U2I2=3×120×170.54=61.394KVA
S=12×（S1+S2）=1/2（64.398+61.394）
=62.896KVA
取S=62.9KVA
3.2晶闸管元件的选择
3.2.1晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压UTN，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN=（2～3）Um
整流电路形式为三相全控桥，查表得Um=
6U2，则
UTN=（2~3）Um=（2~3）
取UTN=700V.
6U2=（2~3）×
6×120=587.9~881.8V
（3-7）
3.2.2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ITN大
于实际流过管子电流最大有效值IT，即
IITI
ITN
=1.57IT（AV）>IT
或IT（AV）>
T
1.57
=
1.57
d=KId
Id
（3-8）
考虑（1.5～2）倍的裕量
IT（AV）=（1.5～2）KId
（3-9）
6
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式中K=IT/（1.57Id）--电流计算系数。
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。
②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。
③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
由表查得K=0.367，考虑（1.5～2）倍的裕量
IT（AV）=（1.5~2）KId
=（1.5~2）×0.368×209
=115.4~153.8A
（3-10）
取IT=140A。
故选晶闸管的型号为KP20-7。
3.3晶闸管保护环节的计算
晶闸管有换相方便，无噪音的优点。
设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。
正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。
3.3.1过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两
端的过电压保护三种。
（1）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R和电容C进行保护。
本系统采用D-Y连接。
S=62.9KVA,
U2=120V
Iem取值：
当S=50~100KVA时，对应的Iem=4~1，所以Iem取3。
C≥6Iem
S/U22=6×3×62.9×103/1202=78.6µF
耐压≥1.5Um=1.5×120×
2=254.6V
Ush
选取10µF,耐压300V的铝电解电容器。
选取:
S=62.9KVA,S=50~100KVA，Ush=1~5，所以
Ush=3
2Ush
233
R≥2.3U2
/S=2.3×120
Iem
/62.9×10=34.48Ω
3
取R=35Ω
IC=2πfCUC×10-6=2π×50×10×120×10-6=0.376A
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PR≥（3-4）IC2R=（3～4）×0.3762×35=（14.84～19.79）W
选取电阻为2.2Ω，20W的金属膜电阻。
2）压敏电阻RV1的计算
U1mA=1.3
2U2=1.3×
2×120=220.6V
流通量取5KA。
选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作交流侧浪涌过电压保护。
（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压
敏电阻保护。
但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成didt加大。
因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。
U1Ma≥（1.8～2）UDC=（1.8～2.2）×230=414～460V选MY31-660/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作直流侧过压保护。
（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护查下表：
表3-1阻容保护的数值一般根据经验选定
晶闸管额定电流/μA
10
20
50
100
200
500
1000
电容/μF
0.1
0.15
0.2
0.25
0.5
1
2
电阻/Ω
100
80
40
20
10
5
2
抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。
电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um的1.1～1.15倍。
由于IT=140A
由上表得C=0.5µF，R=10Ω，
电容耐压≥1.5Um=1.5×
6U2=1.5×
6×120=441V
选C为0.15µF的CZJD-2型金属化纸介质电容器,耐压为450V。
c
PR2
=fcU2×10−6=50×0.15×（
3×120）2×10−6=0.324W
选R为80Ω，1W的普通金属膜电阻器。
3.3.2过电流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。
快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。
（1）晶闸管串连的快速熔断器的选择
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接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值
IT=Id/
3=209/
3=120.7A
选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A。
（2）过电流继电器的选择
因为负载电流为209A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×209=261.25A≈260A
3.4平波电抗器的计算
为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。
其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。
（1）算出电流连续的临界电感量L1可用下式计算，单位mH。
L=KU2
（3-11）
11
I
dmin
式中K1为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；
Idmin为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。
根据本电路形式查得K1=0.695所以
120
L1=0.695×
209×5%
=7.98mH
（2）限制输出电流脉动的临界电感量L2
由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。
该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。
通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。
因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。
平波电抗器的临界电感量L2（单位为mＨ）可用下式计算
L2=K2
U2
SiId
（3-12）
式中K2－系数，与整流电路形式有关，Si－电流最大允许脉动系数，通常
三相电路Si≤（5～10）％。
根据本电路形式查得K2=1.045,所以
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U2
L2=K2
=1.045×
120
=6mH
SiId
10%
×209
（3）电动机电感量LD和变压器漏电感量LT
电动机电感量LD（单位为mH）可按下式计算
LD=Kd
UD
2pnID
×103
（3-13）
式中UD,ID,n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；
P－电动机的磁极对数；KD－计算系数。
一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。
本设计中取KD=8、UD=Un=230V、ID=In=209A、n=1450r/min、p=1
LD=Kd
UD
2pnID
×103=8×
230
2×1×1450×209
×103=3.036mH
变压器漏电感量LT（单位为mH）可按下式计算
L=K
UshU2
（3-14）
D
TT100I
式中KT－计算系数，查表可得
USh－变压器的短路比，取3。
本设计中取KT=3.9、Ush=3
所以LT=3.9×3×120/（100×209）=0.067mH
（4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量：
Ld=max（L2,L1）−（LD+2LT）=7.98−（3.036+2×0.067）=4.81mH
如上述条件均需满足时，应取Ld作为串入平波电抗器的电感值，所以本电
路选取Ld=60mH作为平波电抗器的电感值。
3.5励磁电路元件的选择
整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。
额定电流可查得K=0.367，取IL=1.2A
ID（AV）=（1.5～2）KIL=（1.5～2）×0.367×1.2A=0.6～0.88A
可选用ZP型3A、700V的二极管。
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RPex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KA2
，动作电流通过RPI
调整。
根据额定励磁电流Iex=1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。
图3—1主电路图电路
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4触发电路选择
选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。
从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为IGT=（5～100）mA触发电压
UGT≤3.5V。
由已知条件可以计算出
nmmax，
U*=αn=0.007×1450=10.15V
imdm
U*=βI=0.05×209=10.18V
触发器选用±15V电源，则：
Ks=Udmax
UCmax
=220≈15
15
Uc=
Cen+IdR=
Ks
0.115×1450+18.25×2.4
15
=47.36V。
因为Uc=47.36V，UGT≤3.5V，所以触发变压器的匝数比为
K=Uc
=47.36≈14.2
G
V
3
GT
取14:
1。
设触发电路的触发电流为100mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大
于100/14=7.14mA即可。
这里选用3DG12BNPN管作为脉冲功率放大管，其极限参数PCM=700mW,fT=200MHz,VCEO=45V,ICM=300mA.
触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电
压，故要设计一个三相同步变压器。
这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。
同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,
变压比为380/30=12.7。
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触发器的电路图如下图4—1所示：
图4—1集成六脉冲触发电路
课程设计（论文）
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5双闭环的动态设计和校验
5.1电流调节器的设计和校验
（1）确定时间常数在三相桥式全控电路有：
已知Ts=0.0017s，Toi=0.002s，所以电流环小时间常数
TΣi=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037S。
（2）选择电流调节器的结构
因为电流超调量σi≤5%，并保证稳态电流无静差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器
WACR
（s）=Ki（τis+1）。
τis
Ki−−−电流调机器的比例系数
τi−−−电流调节器的超前时间系数
（3）电流调节器参数计算：
电流调节器超前时间常数Ti=Tl=0.0
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