电力电子与电机拖动综合设计

电力电子与电机拖动综合课程设计题 目： 直流电机可控整流 不可逆调速系统设计 专 业： 自 动 化 07 一 班 学 号： 20710320114 姓 名： 朱 志 光 完成日期： 2010. 6. 15 指导教师： 曹 利 钢 景 德 镇 陶 瓷 学 院电力电子与电机拖动综合课程设计任务书班级：自动化07 姓名： 朱志光 指导教师：曹利钢 2010年6月7日设计题目：直流电机可控整流不可逆调速系统的设计设计任务和要求要求：直流电机型号：Z2-91调速范围：D=10 ,静差率 S10%，制动迅速平稳任务： 1.确定调速系统方案2.主电路选择与计算3.调速系统稳态精度的计算4.控制电路的选择与计算5.绘制原理图。：围aosu设计成果设计说明书一份电路图一份参考资料1.中小型电机产品样本 上海电器科学研究所 编 机械工业出版社 2.电力电子技术题例与电路设计指导 石玉 编 机械工业出版社 3.电力拖动自动控制系统 陈伯时 编 机械工业出版社 2006年4.电力电子设备设计和应用手册 王兆安 编 机械工业出版社 教研室主任签字： 年 月 日目 录1、引言.12、系统方案选择和总体结构设计.22.1调速方案的选择.2 2.1.1电动机供电方案的选择.2 2.1.2调速系统方案的选择.23、主电路设计与参数计算.4 3.1整流变压器的设计.4 3.2晶闸管元件的选择.5 3.3晶闸管保护环节的计算.6 3.4平波电抗器的计算.8 3.5励磁电路元件的选择.104、触发电路选择.115、双闭环的动态设计和校验.13 5.1电流调节器的设计和校验.13 5.2 转速调节器的设计和校验.146、控制电路的设计与计算.16 6.1 给定环节的选择.16 6.2 控制电路的直流电源.16 6.3 反馈电路参数的选择与计算.167、直流调速系统电气原理总图.188、系统MATLAB仿真.209、设计心得体会.2110、元器件清单.22 11、参考文献.231 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。 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Z2-91型，其具体参数如下表2-1所示表2-1 Z2-91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的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，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。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：由 v min/r,当电流连续时， 系统额定速降为: r/min, .开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:，大大超过了S5%.若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是1090.4，而工艺要求的是7.6，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。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： （3-1） 式中 -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： （3-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比, 即A=/；B-延迟角为时输出电压与之比，即B= /；电网波动系数；(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (3-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985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的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得： 3.1.3变压器容量的计算 （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=338056.49=64.398 KVA=3120170.54=61.394 KVA =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，乘以（23）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，即=（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则 （3-7）取V.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大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57 或 =K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-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 （3-10） 取。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, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。C6S/U22=6362.9103/1202=78.6F耐压1.5Um =1.5120=254.6V选取10F,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=62.9KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.31202/62.9103=34.48取 R=35IC=2fCUC10-6=2501012010-6=0.376 APR(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）压敏电阻的计算=1.3120=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。(1.82)=(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/F0.10.150.20.250.512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的1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5=1.5120=441V选C为0.15F的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=500.15=0.324W 选R为80，1W的普通金属膜电阻器。3.3.2 过电流保护（1） 晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=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（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；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=0.695所以=7.98mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量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（单位为m）可用下式计算 （3-12）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=6mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中,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；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=8、=230V、=209A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14） 式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.9、=3所以 =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如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=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=1.2 A=(1.52)K=(1.52)0.3671.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。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 ，动作电流通过 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。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=1.2 A=(1.52)K=(1.52)0.3671.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。图31主电路图电路4 触发电路选择 从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为(5100)mA触发电压3.5V。由已知条件可以计算出 ，触发器选用15V电源，则：Ks=15。因为，3.5V，所以触发变压器的匝数比为取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3DG12B NPN管作为脉冲功率放大管，其极限参数.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。触发器的电路图如下图41所示： 图41集成六脉冲触发电路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，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。（2）选择电流调节器的结构因为电流超调量，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 。 电流调机器的比例系数 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=0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，电枢回路总电阻R=2=2.4，所以ACR的比例系数 =（4）校验近似条件 电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。（5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=11.9740=511.68，取520，取0.1，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图51电流调节器5.2 转速调节器的设计和校验（1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。（2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数（3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。（4）检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取1000。，取0.1，取1。故。其结构图如下： 图52 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% 10%满足设计要求. 6 控制电路的设计与计算6.1 给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。6.2 控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示图61直流稳压电源原理图6.3 反馈电路参数的选择与计算 本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。6.3.1测速发电机的选择因为，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。 表62ZYS-14A型永磁直流测速发电机 型号最大功率W最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。6.3.2 电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA25-NP电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为25mA。选测量电阻=120,P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA25-NP输出电流为1.2/250=1.218.25/1000=0.099A，输出电压为1200.099=11.88V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。7 直流调速系统电气原理总图 8 系统MATLAB仿真8.1 系统的建模与参数设置采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图8-1所示。图8-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型9 设计心得体会经过不懈的努力，这次的电力电子课程设计终于完成了。这是我和同学们共同努力的结果，它增进了我们的团结互助的意识，这也是我们将来参加工作所必需的。在这次运动控制系统课程设计中，首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，将以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证、论证，都一一解决了，特别是对这门课程中比较重要的知识。同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在此要感谢我们的指导老师姬老师的悉心指导，感谢老师和同学们给我的帮助。在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式完成了我的设计。在以后，希望能够综合应用所学理论知识去分析并解决实际工程问题，将设计应用于实践，展现出大学生应该具有的技术理论知识水准。而通过这次课程设计，我将理论知识与实践相结合，很好的巩固了理论知识的同时，也在实践领域展开了一定的探索。可以说这次的课程设计，我收获很多，同时受益良多。10 电子元件清单Z2-91电动机欠电流继电器ZP型二极管晶闸管JL14-11ZS过电流继电器CM7815或CM7915稳压器 电源电阻器PI型电流节流器测速发电机ZYS-14API调节器PLS-15快速熔断器CZJD-2型金属化纸介质电容器RPgx磁场变阻器1W的普通金属膜电阻器11 参考资料1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第3版.北京：机械工业出版社，20042、石玉等.电力电子技术题例与电路设计指导.北京：机械工业出版社，19983、王兆安.电力电子技术. 第4版北京：机械工业出版社，20004、王离九等. 电力拖动自动控制系统. 武汉：华中科技大学出版社，19915、胡寿松.自动控制原理：第4版.北京：国防工业出版社6、电工手册26