直流电动机的调速

一 概述随着电力电子器件的发展，大功率变流技术前进到一个以弱电为控制，强电为输出的新时代。直流电机调速系统由于它在技术性能与经济指标上具有优越性，实施技术上也比较成熟，因此在冶金、机械、矿山、铁道、纺织、化工、造纸及发电设备等行业都得到了广泛的应用，已成为工业自动控制领域一个及其重要的组成部分。一般工业生产中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，三相交流桥式全控整流是目前在各种整流电路中应用最为广泛的电力电子电路，在运用到在直流电机调速时可以采用这种电路。三相交流桥式全空整流最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是各种直流电源设计。前者是三相交流桥式全控整流电路的传统领域，后者则是它当前和未来发展的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。从我国的实际情况来看很好地采用三相桥式全控整流给直流电机调速仍然有很广泛的应用市场。这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用，所以研究三相桥是全控整流直流调速系统有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，在解决目前国际各国所面临的能源无谓的消耗起到立竿见影的效果。二 设计的总体思路2.1 直流电动机的调速方法 采用改变电动机端电压调速的方法。当额定励磁保持不变，理想空载转速随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。变电压调速要有可调的直流电源，根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。晶闸管变流装置输出的直流脉动电压加在电抗器L和电动机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。改变晶闸管触发电路的移相控制电压，就可改变触发脉冲的控制角。，从而改变输出平均电压的大小，实现平滑的调压调速。2.2 调速系统的确定双闭环调速ASRACRUPEMG图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。如图2所示。图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。从图1可以看到在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接。由此实现转速和电流两种负反馈分别起作用。2.3 供电源的选择由于我们输入的是交流电，而我们所要调节的是直流电机，因此我们就要设计一个可以将交流电转换为直流电的装置供直流电机使用。这套装置我们即可以设计成整流装置。对于整流装置我们可以分为：单相半波整流电路、单相桥式整流电路、三相半波整流电路、三相桥式整流电路。对于电力电子器件的选择我们有可以选择：晶闸管、IGBT、GTO、GTR等。就本次设计而言，我们选择了晶闸管相控三相桥式整流电路，对于具体的设计将在下面详细介绍。2.4 触发电路的选择触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分。为了充分发挥电力电子器件的潜力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动电路。晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分，也可用直流，还可用短暂的正脉冲。为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性，触发信号常采用脉冲形式。晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条： 1、触发信号要有足够的功率 为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率。2、触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶闸管主电压之间满足一定的相位关系。3、触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡。为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消失前必须达到擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。4、触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求。触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。在这里采用KJ004集成触发器。2.5 总体框架图与设计要求 电网输入380v交流电压输出220电压三相桥式整流电路过压过流保护电路整流电路触发电路负载电路图2 总体框图（一）、此次课程可设计的主要内容已知整流器负载为10KW直流电动机，额定电压DC 220V，额定电流55A，电枢电阻0.5，总电阻1欧；输入电压AC 380V(+5-10%)输出电压DC 0220V，输出最大电流为Inom(=1.5)；最小角为15触发电路采用KJ004；主变压器采用Y/Y12联接；主电路采用三相桥式全控整流电路。（二）、主要设计要求1、 整流变压器设计 1） 二次相电压U2的计算 2） 二次电流I2和一次电流I1的计算 3） 变压器容量的计算2、 晶闸管的选择3、 晶闸管保护设计 1） 晶闸管过流保护 2） 晶闸管过压保护4、 触发电路设计 1） 同步变压器设计及同步电压的相位选择 2） 三相触发电路设计（双窄脉冲）5、 触发电路供电电源设计2.6 设计的原理和思路本次设计的主要原理是三相桥式整流调速原理，通过对触发电路可以改变触发角，继而对负载两端的电压进行控制输出，就可以对电动机进行调速。而在电机的运行过程中会出现过压或者过流现象，所以还要考虑加上过压过流电路。本次设计采用电流传感器和电压传感器进行过压过流保护，当出现过压或者过流时，触发电路的使能断就会起作用，就负载进行调节。在电机启动时的启动电流很大，会对整流电路的晶闸管起到破坏的作用，减小了管子的使用寿命，甚至会破坏管子。所以在设计时就要根据电路要求对管子就行设计来保护管子。触发电路供电电源的设计何整流变压器的设计都可以通过整流来实现。三 设计内容3.1主电路晶闸管相控整流电路有单相、三相、全控、半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路。在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过电流保护作用。如图2所示。系统采用转速、电流双闭环的控制结构，原理框图如图3所示两个调节器分别调节转速和电力，二者之间实行串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路。从闭环反馈的结构上看，电流调节环式内环，速度调节环为外环。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。这样组成的双闭环系统，在给的突加（含启动）的过程中表现为一个恒值电流调节系统，在稳态中又表现为无静差调速系统，可获得良好的动态和静态品质。图3 主电路三相全控桥式整流电流检测电路给定电路电流调节控制电路触发器过保护电流检测速度调节图4 三相全控桥式整流系统原理图3.2整流变压器的设计（1）选择整流电路。整流电路的选择应根据用户电源的情况及装置的容量来决定，装置容量在5KW以下多采用单相桥式整流电路，5KW以上的多采用三相桥式整流电路。本次设计采用三相桥式整流电路。 （2）计算整流变压器参数。由负载要求可知Ud=Un=220v,故装置容量为Pd=Ud*Id=22055W=12.1KW 输出端平均电压Ud=220v二次电压U2=Ud/（2.34cos15）=97V二次电流I2=0.577Id=0.577*55=0.577*55=31.735A3.3 晶闸管的选择在整流装置中晶闸管额定参数的选择，注意根据晶闸管整流装置的工作条件，并适当考虑一定的安全余量。1、 晶闸管额定电压的选择晶闸管的额定电压是指断态重复峰值电压UDSR和反向重复峰值电压URRM中较小的值。因为晶闸管在不同电路中所承受的峰值电压UTM，考虑电源电压的波动及过电压保护等因素，选用时，额定电压应为事迹所承受的峰值电压UTM的23倍。即： UTN=(23)UTM 式中 UTN晶闸管额定电压，V； UTM晶闸管实际所承受的峰值电压，V。2、 晶闸管额定电流的选择晶闸管的额定电流是按电流的平均值标定的，它是通态平均电流IT(AV)的1.57倍。即 ITN=1.57 IT(AV) 使用时，要求而定电流大于实际流过晶闸管电流的最大有效值IT,即 IT(AV)IT=(KfT/1.57)(IdT/Id)Id=k Id 式中 k计算系数，k=KfT IdT /1.57 Id； KfT电流波形系数，KfT=IT/Id； Id负载评价电流； IdT流过晶闸管的平均电流。由于晶闸管的过载能力差，因而选用晶闸管IT(AV)的值应是实际流过晶闸管电流的最大有效值IT的1.52倍。即： IT(AV) =（1.52）IT 由上式可知，若已知Id的值则可确定IT(AV)的值；反之，若已知 IT(AV)的值，亦可确定Id的值。3.3 晶闸管保护设计 （1）IGBT的过电流保护 IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.21.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达810倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。 IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5s，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15s，45V时可达30s以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。 通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。 降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。 （2）IGBT的过电压保护 关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/s。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。本次设计采用电流和电压传感器进行过流何过压保护，其中还在主电路中串联了熔断器起保护的作用。从电压传感器出来经过一个比较器，与给定电压进行比较，当电路中的电压高于给定电压，即电机运行的安全电压，就会输出高电平。同理，电流传感器高于安全电流时输出高电平。两个输出端经过一个或门，再输入到KJ004的使能端，并且使能端低电平有效，当电路过压或者过流，都会输出高电平，对使能端起作用，触发电路就会停止触发，这是电路停止工作，从而对电路起到保护的作用，以免烧坏电机；只有或门输出低电平，电路才能正常工作。图5 主电路图3.4 主电路图基于三相桥直流电机的调速系统：首先从电网输入输入380v的三相交流电，经过Y/Y12变压器后经过三相桥整流输出加入负载直流电机的两端，直流电机的速度调节是由控制电路控制的，在控制电路中调节改变晶闸管触发电路的移相控制电压，就可以调节晶闸管控制触发角的大小，调节负载两端的输出电压进而就控制了电机的转速，在调节电机的转速同时我们还要注意一些细节问题，例如为了保持电流的连续性在负载断加了大电感L和大电容C，还要对电路进行电流和电压保护。3.5触发电路设计采用集成触发器，其技术性能好，体积小，功耗低。，调试方便。这里采用KJ004设计1、KJ004可控硅移相触发电路KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大，移项性好，正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。 2、电路工作原理：该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。电路原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移 VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。3.触发电路图图 6 触发电路图4、典型接线图及各点波形同步输入端允许最大同步电流：6mA（有效值）。 移相范围170（同步电压30V，同步输入电阻15K）。 锯齿波幅度10V（幅度以锯齿波平顶为准）。 输出脉冲：（1）宽度：400s2ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。 （2）幅度：13V。（3）KJ004最大输出能力100mA（流出脉冲电流）。（4）输出管反压：BVCEO18V（测试条件Ie100A）。正负半周脉冲相位不均衡3。 使用环境温度为四级：C:070 R:-5585 E: -4085 M:-551255、同步信号与主回路的相位关系同步时指触发脉冲与主回路电源相序同步。同步变压器PT一次侧和主回路整流变压器接在同一交流电源上，具有相同频率；主回路整流变压器为Y/Y-12连接组，晶闸管的同步电压为-uTa, 晶闸管T1T6的同步电压相序如下表所示。被触发的晶闸管T1T2T3T4T5T6主回路电路+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步信号电压-uTa+uTc-uTb+uTa-uTc+uTb3.6 触发电路供电电源设计图 7 触发电路图由于我们输入的是交流电，而我们所要调节的是直流电机，因此我们就要设计一个可以将交流电转换为直流电的装置供直流电机使用。这套装置我们即可以设计成整流装置。对于整流装置我们可以分为：单相半波整流电路、单相桥式整流电路、三相半波整流电路、三相桥式整流电路。对于电力电子器件的选择我们有可以选择：晶闸管、IGBT、GTO、GTR等。就本次设计而言，我们选择了晶闸管相控三相桥式整流电路。从电网接下来，经过一个整流电路，是它变成+5v和-5v，最后接到触发电路的电源上。还有一个则接到触发电路的ua ub uc端。四、总结和体会 通过为期两周的电力电子课程设计，通过老师的指导及同学的帮助，及自己在网络上查找资料，让我对直流电机调速系统有了深入深刻的理解。更让我们感觉倒学以致用的快乐！老师讲解过后，那颗悬着的心算是放下了。因为用我们学过的知识是完全可以解决的。可是其中的困难肯定是不容忽视的，要解决好肯定要花上一定的时间和精力。而且这是一次学以致用的机会，我肯定得把握好。在刚接到这课程设计的任务时我粗略的看了一下任务，觉得很简单，不就是把三相全控整流电路后的负载改为电动机负载就行了啊。可是当我开始着手做时，因为对触发电路和控制电路等方面知识的匮乏，发现很难上手，又由于对protel掌握的不是很熟练，画图要花费好多时间，而且还不一定正确。期间我们经历很多的失败，可是越多的失败只会让我们更加理解电路的原理，只会让我们增长必胜的信心，短短的两周就这么过去了，我们收获了很多。课本上学到的知识得到了实际的运用，虽然不是什么很特别突出的设计，可是感觉特别有成。在这也要谢谢指导老师们的辛勤指导和帮助。五、参考文献1、石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，2、王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，3、杨荫福 段善旭 朝泽云电力电子装置及系统清华大学出版社4、莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，5、黄操军 陈润恩 王桂英变流技术基础及应用中国水利电出版社六、附录七、课程设计评分表电气与信息工程系课程设计评分表项 目评 价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独特见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务情况独立工作能力组织纪律性 (出勤率)综合评分指导教师签名： 日 期： 注： 表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）目 录一 概述1二 设计的总体思路22.1 直流电动机的调速方法22.2 调速系统的确定32.3 供电源的选择32.4 触发电路的选择42.5 总体框架图与设计要求52.6 设计的原理和思路6三 设计内容73.1主电路73.2整流变压器的设计83.3 晶闸管的选择93.3 晶闸管保护设计103.4 主电路图123.5触发电路设计133.6 触发电路供电电源设计16四、总结和体会17五、参考文献18六、附录19七、课程设计评分表21