交流电机调速.docx

1、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

2、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

3、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黄石理工学院 课程设计（论文）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

4、如下表 2-1 所示表 2-1 Z2-51 型 电 动 机 具 体 参 数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P 极对数Z2-914823020914500.358.0212.1.1 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

5、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

6、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 ：2黄石理工学院 课程设计（论文）由 Ce= UN IN R A = 230 209 0.3 = 0.115v min/r,n N 1450当电流连续时， 系统额定速降为:n N= I dN R = 209 2 0.3 = 1090.4r/min,R = 2Ra .Ce 0.115开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 :S N =

7、n Nn N + n N= 1090.41450 + 1090.4100% = 42.9% ，大大超过了 S5%.n Ns1450 0.05N若 D=10，S5%.，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 1090.4 r/ min ，而工艺要求的是 7.6 r/ 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。

8、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

9、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 I dN 时表现为转速无静差，这3黄石理工学院 课程设计（论文）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4黄石理工

10、学院 课程设计（论文）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：U 2 =U d max + nU TI（3-1）A(cos min CU sh 2 )I 2 N式中Ud max-整流电路输出电压最大值；nUT -

11、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 10100KVA，Ush =0.050.1； 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) U d2 AB（3-2）式中 A-理想情况下，=0时整流电压Ud0 与二次电压U2 之比, 即A=Ud0 /U2 ；B-延迟角为时输出电压U2 与Ud0 之比，即 B=Ud电网波动系数；/Ud0 ；(11.2)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) U d2 AB8 (3-3)由表查得 A=2.

12、34；取=0.9；角考虑 10裕量，则 B=cos=0.985U 2 =(1 1 . 2 )2 . 34230 0 . 9 0 . 985= 111 133 V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5黄石理工学院 课程设计（论文）由表查得KI1 =0.816,KI2 =0.816考虑变压器励磁电流得：I = 1 . 05K I1 Id= 1 . 050 . 816 209= 56 . 49 A1I2 = KI 2 IdK= 0.816 2093 . 17= 170 .54 A3.1.3 变压器容量的计算S1 = m

13、1U 1I 1（3-4）S 2 = m 2U2 I2 ； （3-5）S = 1 2 (S1 + S 2 ) ； （3-6） 式中m1 , m 2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1 = 3, m2 = 3S1 = m1U 1I 1 =338056.49=64.398 KVAS 2 = m 2U2 I2 =3120170.54=61.394 KVAS = 1 2 (S1 + S 2 ) =1/2（64.398+61.394）=62.896 KVA取 S=62.9 KVA3.2 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U TN ，乘以（23）倍的安全裕量，参照

14、标 准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压U TN ，即U TN =（23）Um整流电路形式为三相全控桥，查表得Um =6U2 ，则U TN = (2 3)U m = (2 3)取U TN = 700 V.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 I TN 大于实际流过管子电流最大有效值 I T ，即 I IT II TN=1.57 I T( AV) I T或 I T( AV) T1.57=1.57 d =K I dId（3-8）考虑（1.52）倍的裕量I T( AV) =（1

15、.52）K I d（3-9）6黄石理工学院 课程设计（论文）式中 K= I T /（1.57 I d ）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。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。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(1.52)倍的裕量I T (AV ) = (1 .5 2 )KId= (1 .5 2 ) 0 .368 209= 115 .4 153 .8 A（3-10）取 I T = 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

16、。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 =120VI em 取值：当 S=50100KVA 时，对应的 I em =41，所以 I em 取 3。C6 I emS/U22=6362.9103/1202=78.6F耐压1.5Um =1

17、.51202 =254.6VUsh选取 10F,耐压 300V 的铝电解电容器。选取: S=62.9KVA, S=50100KVA，Ush =15，所以Ush =32 Ush2 3 3R2.3 U2/S =2.3120I em/62.910 =34.483取 R=35IC=2fCUC10-6=2501012010-6=0.376 A7黄石理工学院 课程设计（论文）PR(3-4)IC2R=(34) 0.376235=（14.8419.79）W选取电阻为 2.2，20W 的金属膜电阻。2）压敏电阻 RV1 的计算U 1mA =1.32U2 =1.32 120=220.6V流通量取 5KA。选 MY

18、31-330/5 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di dt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。U 1Ma (1.82)UDC =(1.82.2) 230=414460V 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/A1020501002005001000电容/F0.10

19、.150.20.250.512电阻/1008040201052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 1.11.15 倍。由于 I T = 140A由上表得 C=0.5F，R=10，电容耐压1.5Um =1.56U2 =1.56 120=441V选 C 为 0.15F 的 CZJD-2 型金属化纸介质电容器, 耐压为 450V。cPR2= fcU 2 10 6 =500.15 (3 120) 2 10 6 =0.324W选 R 为 80，1W 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

20、，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8黄石理工学院 课程设计（论文）接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值I T = I d /3 = 209 /3 =120.7 A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 1.25209=261.25A260A3.4 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

21、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 = K U 2（3-11）1 1Id min式中 K 1 为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；I d min 为最小负载电流，常取电动机额定电流的 510计算。 根据本电路形式查得 K 1 =0.695 所以120L1 = 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

22、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 m）可用下式计算L2 = K 2U 2SiI d（3-12）式中 K2 系数，与整流电路形式有关， S i 电流最大允许脉动系数，通常三相电路 S i （510）。根据本电路形式查得 K2 =1.045, 所以9黄石理工学院 课程设计（论文）U 2L2 = K 2=1 . 045 120=6mHSiI d10 % 209（3）电动机电感量 LD 和变压器漏电感量 LT电动机电感量 L

23、D （单位为 mH）可按下式计算LD = K dUD2 pnID103（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 812，快速无补 偿电动机取 68，有补偿电动机取 56。本设计中取 KD =8、UD =Un =230V、 ID = I n =209A、n=1450r/min、p=1LD = K dU D2 pnI D103 =8 2302 1 1450 20910 3 =3.036mH变压器漏电感量 LT （单位为 mH）可按下式计算L = KU shU 2（3-14）DT T 100I式中 K T

24、计算系数，查表可得USh 变压器的短路比，取 3。本设计中取 K T =3.9、Ush =3所以 LT =3.93120/（100209）=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 (L 2 , 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 =60 mH 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

25、.2 AID( AV) =(1.52)K IL =(1.52)0.3671.2A=0.60.88A可选用 ZP 型 3A、700V 的二极管。10黄石理工学院 课程设计（论文）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 31 主电路图电路11黄石理工学院 课程设计（论文）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

26、发电流为 I GT = (5100)mA 触发电压U GT 3.5V。由已知条件可以计算出nm max ，U* = n = 0.007 1450 = 10.15Vim dmU* = I = 0.05 209 = 10.18V触发器选用 15V 电源，则：Ks= Ud maxU Cmax= 220 1515U c =Cen+ I dR =K s0.115 1450 + 18.25 2.415= 47.36V 。因为Uc = 47.36V ，U GT 3.5V，所以触发变压器的匝数比为K = Uc= 47.36 14.2GV3GT取 14:1。设触发电路的触发电流为 100mA，则脉冲变压器的一次

27、侧电流只需大于 100/14=7.14mA 即可。这里选用 3DG12B NPN 管作为脉冲功率放大管，其极 限参数 PCM = 700mW, f T = 200MHz, VCEO = 45V, I CM = 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。12黄石理工学院触发器的电路图如下图 41 所示：图 41 集成六脉冲触发电路课程设计（论文）13黄石理工学

28、院 课程设计（论文）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Ti = 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i 5% ，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计 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W ACR(s ) = K i (is+ 1) 。isK i 电流调机器的比例系数i 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