直流电动机拖动设计题目B

前言电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、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应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。对于电力拖动系统设计报告首先要根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来以后，重点在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。最后给出参考资料和设计体会和总结。江西理工大学应用科学学院课程设计1某立体物流仓库绗架式货物转送车举升系统设计第一章设计任务书1.1设计题目某立体物流仓库，绗架式货物转送车举升系统采用直流电动机驱动滑轮钢索减速机构。减速比1000：1（电动机旋转1000转，平台上升/下降1m），其传动效率0.9，飞轮惯量可忽略。举升平台自重15Kg，最大货物重185Kg，货架层高2m，共4层。试设计电力拖动自动控制系统，使平台最大层间运行时间小于100S。工作现场有三相四线制380V交流电源，100A空开保护，电网最大电压波动%5，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。1.2设计原则直流伺服电动机是在伺服系统中将电信号转变为机械运动的关键元件。首先应为系统提供足够的公路、转矩是负载按所需要的速度规律运行，控制特性应保证所需调速范围和转矩变化范围。即从电动机的功率着眼，控制性能好，兼顾电动机的过载能力和温升范围，使用环境条件等，来选择满足负载运动要求的直流伺服电动机。直流伺服电动机性能比较表0某立体物流仓库绗架式货物转送车举升系统设计2第二章主电路的结构型式和闭环调速系统的组成2.1电动机的基本原则（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的调速范围及具有良好的起动和制动性能。（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受有害气体腐蚀等。2.2电动机种类的选择两层之间的距离为2米，运行时间最大100S，即100S内电机的转的圈数要大于2000转，即大于1200r/min,所以直流电机的额定转速不能低于1200r/min.假如货物升高2米用了100秒时间，加速时间和减速时间约为0s。则：F=9.8×（15+185）=1960NV=2/100=0.02m/sη=0.9ηP=FVP=FV/η=1960×0.02/0.9=43.6W再乘1.8的系数，直流电机的功率不小于78.5W。因此选用直流电动机、型号为90SZ55、工作方式为周期性断续。参数如表1表1电动机技术数据型号转矩(mN·m)转速(r/min)功率(W)电压(V)电流(A)允许顺逆转速差(r/min)转动惯量不大于(mN·m·s²)电枢励磁电枢励磁90SZ555101500802424511000.252.3主电路的结构型式虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是α。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6,6个触发脉冲相位依次相差60°。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管VT1与VT4按A相，晶闸管VT3与VT6按B相，晶闸管VT5与VT2按C相，晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阳极组，晶闸管VT2、VT4、VT6接成共阴极组。江西理工大学应用科学学院课程设计3在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。如图1图1主电路结构型式2.4闭环调速系统的组成开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。位置、转速、电流三环直流调速系统如图2所示：某立体物流仓库绗架式货物转送车举升系统设计4图2位置、转速、电流三环闭环直流调速系统APR—位置调节器，ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压在转速、电流双闭环的基础上，外边再设一个位置控制环，便形成三环控制的位置传动系统，如图3。其中位置调节器APR就是位置环的校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态跟随性能，其输出限幅决定着电机的最高转速。位置，转速，电流三个闭环都画出单位反馈，反馈系数或储存系数都已计入各调节器的比例系数中去。图3三环直流调速系统电路原理图江西理工大学应用科学学院课程设计5第三章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算3.1整流变压器容量计算3.1.1次级电压U2为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：①电网电压的波动②整流元件（晶闸管）的正向压降③直流回路的杂散电阻④换相重叠角引起的电压损失⑤整流变压器电阻的影响考虑上述所有因素，次级相电压有效值的计算公式为：Udmax—负载要求的整流电路输出的最大值；UT—晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V，通常取UT=1V；n—主电路中电流回路晶闸管的个数；A—理想情况下α=0时，整流输出电压Ud与变压器二次侧相电压Ud之比；C—线路接线方式系数；β—电网电压波动系数，通常取β=0.9；αmin—最小控制角，通常不可逆取αmin=10º~20º；Ush—变压器短路电压比，100Kv以下的取Ush=0.05；I2/I2N—变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知Udmax=24V，取UT=1V、n=6，查表得A=2.34，取β=0.9,αmin=10º,Ush=0.05,I2/I2N=1,查表得C=0.5，代入上式得：VU8.14)05.05.0985.0(9.034.216242，应用式BAUUd)2.1~1(2，查表得A=2.34，取β=0.9，985.0cosB，VU88.13~57.11985.09.034.224)2.1~1(2，KI1=0.816，U2=12V，电压比2122421UUK3.1.2一次和二次向电流I1和I2的计算由式得I1=KI1Id，I2=KI2Id由表得KI1=0.816，KI2=0.816，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：AIKIAKIKIdIdI6.81100816.084.422/100816.005.105.12211某立体物流仓库绗架式货物转送车举升系统设计63.1.3变压器的容量计算KVASSSKVAIUmSKVAIUmS01.3)94.208.3(21)(2194.26.8112308.384.4224321222211113.2晶闸管的电流、电压额定计算AIIAIIIAIIVTAVVTVTN01.7857.147.1223221501005.1)(max2max由整流输出电压Ud=UN=24V，进线线电压为12V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：VUURM25.36322，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：UFM=1/2U2=18.12V。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：UVTN=2×36.25V=72.5VIVTN=1.5×78.01A=117.02A3.3平波电抗器电感量计算为了是模块在控制直流电机起动和调速时，能够更平稳。扭矩更大，推荐使用滤波电抗器。电抗器的选择方法按对电流脉动情况的要求根据下式估算出电感。DZmdmdLISUKL2式中：Kmd——系数，三相全控整流取Kmd=1.05；S——电流最大允许脉动系数，取10%；IZ——负载额定电流（A）；U2——三相输入相电压；LD——电动机电感，其值按下式计算：3102EEEDDINUKL式中：KD——系数。一般无补偿电机取8~12；快速无补偿电机取6~8；有补偿电机取5~6；UE——电动机额定电压；江西理工大学应用科学学院课程设计7ρ——电动机磁极对数；NE——电动机额定转速；IE——电动机的额定电压。本设计ρ=4，UE=24V，IE=5A，NE=1500r/min，取KD=10，则)(4105150042241010233mHINUKLEEEDD)(08.2745%108.1405.12mHLISUKLDZmdmd3.4保护电路的设计计算3.4.1过电压保护：A、交流侧过电压的保护，如图4图4RC过电压抑制电路图采用RC过电压抑制电路如图4所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路