4kw以下直流电动机的不可逆调速系统(完成毕业论文)

设计任务书一．题目：4kw以下直流电动机不可逆调速系统设计二．基本参数：直流电动机：额定功率Pn=1.1kW额定电压Un=110V额定电流In=13A转速Nn=1500r/min电枢电阻Ra=1Ω极数2p=2励磁电压Uex=110V电流Iex=0.8A三．设计性能要求：调速范围D=10，静差率s≤10%，制动迅速平稳四．设计任务：1.设计合适的控制方案。2.画出电路原理图，最好用计算机画图（号图纸）。3.计算各主要元件的参数，并正确选择元器件。4.写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。5.列出元件明细表附在说明书的后面。五．参考资料：前言电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都采用直流电动机。而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。他通常采用三相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正目录一、系统整体方案的确定1.1、开环控制系统1.2、闭环调速控制系统的确定1.3、带电流截止负反馈闭环控制系统二、主电路方案的选择及计算2.1、调速系统方案的选择2.2、主电路的计算三、触发电路的选择及计算3.1、触发电路的选择、设计3.2、触发电路的计算四、继电器—接触器控制电路设计4.1、设计思路4.2、控制电路图4.3、电机制动的选择及其计算4.4、控制电器的选择五、1.1kw直流调速系统电气原理总图六、元气件明细表七、结论八、致谢九、参考文献设计说明书一、系统整体方案的确定电动机是将电能转化为机械能的一种有利工具，根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。由于课题要求和技术需要，所以我选择直流电动机作为分析对象。1.1、开环控制系统在开环控制系统中，控制信息只能单方向传递，没有反向作用，输入信号通过控制装置作用于被控对象，而被控对象的输出对输入没影响，也就是说：系统的输入量与输出量之间只有顺向作用，而没反向联系。图1-1开环系统框图由上图可以看出，Ug通过放大器、触发装置和整流装置实现对电动机转速n的控制。要求一定的给定电压Ug对应于一定的装速n，但由于电动机的转速n要受到轴上负载、电动机磁场、整流装置的交流电源电压等的影响，故不可能完全达到Ug的相对要求，因此可知，直流电动机开环控制触发电路整流电路电机转速n电源给定放大器Ug系统极其不稳定，且控制精度差，抗干扰能力弱。所以，要求实现转速稳定，满足高精度的设计要求，必须采用闭环控制系统。1.2、闭环调速控制系统的确定如果对上述开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证了动态性，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角α来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定：图1-2单闭环转速负反馈系统框图但我们知道，一是直流电动机全压启动时会产生很大的冲击电流。我们知道，采用转速负反馈的闭环调速系统突加给定电压时，由于系统机械惯性的作用，转速不可能立即建立起来，因此转速反馈电压仍为零，这时，加在调速器上的输入偏差电压ΔU=Ugn，差不多是其稳压工作值的（1+K）倍。由于调节器和触发整流装置的惯性都很小，因此，整流电压Ud立即触发电路整流电路电机转速转速反馈电源αUds达到它的最高值。这对于电机来讲，相当于全压启动，其启动电流高达额定值的几十倍，可使系统中的过流保护装置立即动作，使系统跳闸，系统无法进入正常工作。另外，由于电流和电流上升率过大，对电动机换向不利，对晶闸管元件的安全来说也是不允许的。因此，必须采取措施限制系统启动时的冲击电流。二是有些生产机械的电动机在运行时可能会遇到堵转情况。例如由于故障，机械轴被卡住，或者遇到过大负载，像挖土机工作时遇到坚硬的石头那样。在这种情况下，由于闭环系统静态特性很硬，若无限流环节，电枢电流也会与启动时一样，将远远超过允许值。图1-3（a）带电流截止负反馈环节为了解决转速负反馈调速系统启动和堵转时电流过大问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持某一量基本不变，就应当引入该物理量的负反馈。现引入电枢电流负反馈，则应当能够保持电流基本不变，使其不超过最大允许值。但是，这种作用只应在启动和度转是存在，在正常运行时又必须取消，以使电流随负载的变化而变化。nIedtIdn01.3、带电流截止负反馈闭环控制系统对于转速单闭环调速系统，我们要用一台测速发电机来进行测速，然后再反馈给给定，它属于被调量的负反馈，是真正的“反馈控制”，具有反馈控制规律，并且进一步看，反馈控制对一切包在反馈环内，前向通道上的扰动都有抑制作用。例如，交流电源电压的波动，电动机励磁电流的变化，放大器系数的漂移，温度变化引起电阻变化等。但是测速发电机的选择、安装都是比较严格的。交流测速发电机具有结构简单、无电刷接触、工作可靠和维修方便等优点。但用在直流控制系统中，还需要经整流变换，故使反馈信号的准确度受到影响，同时测速发电机的负载电流也不能过大，否则电枢反应会影响到测量精度。且对于电动机和测速发电机的转速也应相适应，否则还需要经齿轮变速啮合，而齿轮间隙又会引入新的矛盾。若同轴安装，则同轴度要求较高。再者测速发电机价格都比较昂贵。基于以上原因我们以电压负反馈为主，电流补偿控制为辅的调速系统来代替转速发电机完成转速负反馈的工作。根据直流电动机电枢平衡方程式Ud=IdRa+Cen可知，如果忽略电枢电阻压降，则电动机的转速近似与电枢两端电压Ud成正比，所以用电动机电枢电压反馈取代转速负反馈，以维持端电压基本不变，构成电压反馈调速系统。但是这种系统对电机电枢电阻压降引起的稳态速降，不能靠电压负反馈作用加以抑制，因而系统稳态性能较差。为了弥补这一不足，在电压负反馈的基础上再引入电流正反馈，以补偿电动机电枢压降引起的稳态速降图1-4带电流截止负反馈调速系统框图由上图静态框图可知：当Id≤Ilj时，电流负反馈被截止，系统静态特性方程为：N=nnKCeVpKsKCeKpKsUgn0)1()1(当IdIlj时，电流负反馈起作用，其静差特性方程为：N=)1()()1()1(KCeRIdUgnRsIdKCeKpKlKCeKpKsUgn=nn0根据上述特性，可画出系统的静态特性图如下。图中n0～A段特性对应于电流负反馈被截止的情况，它是转速负反馈调速系统本身的静态特性，显然比较硬。图中A～B段特性对于电流负反馈起作用的情况，特性补角软，呈急剧下降状态。①当系统堵转时，由于n=0，所以：KpKs1/CeαRsR————UfnUfiUgn——IdRs-UbjnUc△UnUdoUbjdu≈IedRsUbjUgn（λ=1.5～2）图1-5单闭环直流调速系统的特静态曲线图②从静态特性工作段n0～A上看，希望系统有足够的运行范围，一般取Ilj～1.2Ide，即Ilj=IedRsUbj2.1所以：IedIljIedRsUgn)2.1(在系统中，也可以采用电流互感器来检测主回路的电流，从而将主回路与控制回路实行电气隔离，以保证人身和设备的安全。由于时间和能力的有限，所以在此只对这一种系统加以研究。二、主电路2.1、调速系统方案的选择主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对他们的要求主要是安全可靠，因此在部件容量的选择上、在经nn0’n00IljIduABId济和体积相差不太多的情况下，尽可能选用大一些的，并在保护环节上对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计，并采取相应的保措施，配备必要的报警、显示、自动跳闸线路，以确保主线路安全可靠的要求。①直流电动机的选择对于本调速系统，虽然电动机的额定功率不是特别的大，属于小功率调速系统，但设计要求对系统的静态和动态指标要求都比较高，所以我们应使电流的脉动小，故选用无噪声、无摩损、响应快、体积小、重量轻、投资省，而且工作可靠、功耗小、效率高的全控桥整流电路作为供电方案给电动机供电。电动机的额定电压为110V，为保证其供电质量，电压稳定性好，我们采用三相减压变压器将电源电压（220V）降低为110伏电压。由于电动机的额定数据已给出，且工作条件无特殊要求，故选用Z3—33他励直流电动机。②电动机供电方案的选择与变流机组相比，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、功率小、效率高，因此采用晶闸管可控整流装置供电。由于电动机功率小（仅1.1kw），故选用单相整流电路。又因是不可逆系统，所以可选用单相桥式半控整流电路供电。为省去续流二极管，可采用晶闸管在一侧的方案。又因为对输出电流的脉冲没有提出要求，故不加电抗器。对于小功率直流调速系统一般均用减压调速方案，磁通不变，因此励磁绕组可采用单相不控整流电路供电。为保证先加励磁电源，后加电枢电压的原则，以及防止运动过程中因励磁消失而造成转速过高的现象，在励磁回路中应有弱磁保护环节。③触发电路的选择因电动机容量小，晶闸管不会超过50A，故可选用电路简单，成本低的单结晶体管触发电路。为实现自动控制，且要同时触发两只阴极不接在一起的晶闸管，可采用由晶体管代替可变电阻的单结晶体管触发电路，用具有两个二次绕组的脉冲变压器输出的脉冲。④反馈方式的选择反馈方式选择原则应是在满足调速指标要求的前提下，选择最简单的反馈方案。本设计中调速指标要求，D=10，s=10%，由式D=Sn/△n（1-s）可以得出：min/7.16min/9.0101.01500)1(rrsDsnnNN采用电压反馈方案时，可得ICRICRndeadeiNK)1(式中Ceφ为电动系数，由给出数据可以算出：065.01500113110nRIUCNaNNemin/200min/1306.01rrICRdea已远远大于调速指标要求的16.7r/min，因此，必须再加上电流反馈来补偿它，故最后确定采用电压负反馈及电流正反馈的调速方案。为了能实现高速启动，还必须加上电流截止环节。2.1、主电路的计算整流变压器的计算，如下图所示：图2-1晶闸管整流图①U2的计算。从下式：BAUUd)2.1~1(2由元器件特性可查出A=0.9B=1取ε=0.9则VVU162~2.14919.09.0110)2.1~1(2取U2=155V电压比K=U1/U2=220/155=1.42MVVU2U1～②一次电流I1和二次电流I2的计算由元件的自身特性可知KI1=KI2=1.11则S1=U1I1=(220×10.7)VA=2354VAS2=U2I2=(155×14.4)VA=2232VAS=1/2(S1+S2)=1/2(2354+2232)kVA=2.3KVA三、触发电路的选择及计算3.1、触发电路的选择于设计各类电力电子器件的门(栅)极控制电路都应提供符合器件要求的触发电压与电流,对于全控器件还应提供符合一定要求的关断脉冲.晶闸管是半控器件,管子触发导通后门极即失去控制作用,为了减少门极损耗与确保触发时刻的准确性,门极电压﹑电流大都采用脉冲形式.触发电路是晶闸管装置中的