【正文】 1 附件一 封面 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 題目： 10kW 直流電動(dòng)機(jī) 不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院： 班級(jí)： 姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱： 完成日期： 年 月 日 2 10kW 直流電動(dòng)機(jī)不可 逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要： 許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在高性能的 電力 拖動(dòng) 控制技術(shù)領(lǐng)域中， 今后 相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi) 仍將 采用直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。 本課題對(duì)在工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的 10kW 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 進(jìn)行設(shè)計(jì)， 主要 內(nèi)容有： 調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇及其工作原理； 調(diào)速系統(tǒng) 主電路 （包括 整流變壓器、三相橋式整流電路及平波電抗器 ） 工程設(shè)計(jì)； 整流設(shè)備過電壓 、 過電流保護(hù)電路計(jì)算選擇；觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)；反饋電路參數(shù)的 選擇與計(jì)算； 繼電器 接觸器控制電路設(shè)計(jì) ； 整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 并 給出了 10kW 直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖 。 本研究課題可廣泛應(yīng)用于各類電力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械 ,滿足電力拖動(dòng)調(diào)速機(jī)械的生產(chǎn)工藝要求 ,對(duì) 提高產(chǎn)品質(zhì)量和生成率 ,電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速性能具有重要意義。 關(guān)鍵詞： 直流調(diào)速系統(tǒng) ， 主電路 ， 保護(hù)電路 ， 觸發(fā)電路 ， 控制電路 ，設(shè)計(jì)。 3 目錄 1 緒論 課題現(xiàn)狀、目的和意義 直流調(diào)速方法及發(fā)展歷史 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 直流調(diào)速發(fā)展過程 本設(shè)計(jì)涉及主要性能技術(shù)指標(biāo) 轉(zhuǎn) 速控制要求 主要性能指標(biāo) 本 次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 2 調(diào)速系統(tǒng) 方案的選擇及其 工作原理 調(diào)速系統(tǒng)方案的確定 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 問題的提出 解決方法 帶截流反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)工作原理 3 調(diào)速系統(tǒng) 工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 主電路計(jì)算 整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算 晶閘管的選擇 平波電抗器參數(shù)計(jì)算 整流設(shè)備保護(hù)電路計(jì)算 過電壓保護(hù) 過電壓保護(hù)的設(shè)置 阻容保護(hù)及參數(shù)計(jì)算 換相過電壓保護(hù)及參數(shù)計(jì)算 非線性元件保護(hù)及參數(shù)計(jì)算 過電流保護(hù) 4 過電流保護(hù)裝置 快速熔斷器的選擇及參數(shù)計(jì)算 過電流繼電器的選擇 勵(lì)磁電路元件的選擇 4 觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn) 5 反饋電路參數(shù)的 選擇與 計(jì)算 測(cè)速發(fā)電機(jī)的選擇 電流反饋環(huán)節(jié)的選擇 調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)精度的計(jì)算 給定環(huán)節(jié)的選擇 控制電路的直流電源 6 繼電器 接觸器控制電路設(shè)計(jì) 7 10kW 直流 調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖 8 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 調(diào)試、修改電路參數(shù) 首先檢查接線是否正確，布線是否合理 相序檢查 檢查同步電壓與主電路電壓的相位關(guān)系 放大器的檢查 觸發(fā)電路的調(diào)整 電阻性負(fù)載的調(diào)試 電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)試 1 緒論 5 課題現(xiàn)狀、目的和意義 在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的 60%～ 70%，成為用電量最多的電氣設(shè)備。 電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主 要設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，一是要使電動(dòng)機(jī)具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。為了控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，就要為電動(dòng)機(jī)配上控制裝置。電動(dòng)機(jī) +控制裝置 =電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以直流電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為直流調(diào)速系統(tǒng) ，以交流電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為交流調(diào)速系統(tǒng)。 眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵(lì)磁電流不變，可用改變電樞電壓的 方法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因此，長(zhǎng)期以來（ 20 世紀(jì) 80 年代以前）在變速傳動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。 由于直流電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械式換向器和電刷這一致命弱點(diǎn)， 以及 近年來 隨著 電力電子技術(shù)、控制技術(shù) 和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流可調(diào)傳動(dòng)已逐步普及， 其應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)超過了直流調(diào)速傳動(dòng)。 但 采用 直流 可 調(diào) 傳動(dòng) 系統(tǒng)， 調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及 其 具有 的 良好動(dòng)態(tài)性能 ； 相 比 于交流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速技 術(shù)原理 成熟 、控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ；對(duì) 中、小容量調(diào)速系統(tǒng)特別是 10kW 及其以下可調(diào)傳動(dòng)系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)仍占有明顯優(yōu)點(diǎn)。 有理由 相信在未來高性能的拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，特別是在微特功率控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)， 在 相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將采用直流 可調(diào)傳 動(dòng)系統(tǒng)。 就本課題而言， 10kW 及其 以下 直流調(diào)速系統(tǒng)是目前廣泛采用的一種電力控制系統(tǒng)，掌握其工程設(shè)計(jì)方法，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、選型設(shè)計(jì)、維護(hù)運(yùn)行工作都有重要意義。 直流調(diào)速方法及發(fā)展歷史 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 6 ddeU I Rn K ??? ? （ 11） 式中 n— — 轉(zhuǎn)速（ r/min）； dU — — 電樞電壓（ V）； dI — — 電樞電流（ A）； R? —— 電樞回路總電阻（ ? ）； ?—— 勵(lì)磁磁通（ Wb）； eK —— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 由式（ 11）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速： （ 1）降壓調(diào)速。使電樞供電電壓 dU 下降，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 下降，由于電動(dòng)機(jī)繞組絕緣有限，電動(dòng)機(jī)電樞電壓不能高于額定電壓 NU ，所以是降壓調(diào)速，Nnn? ，適用于額定轉(zhuǎn)速以下一定范圍 內(nèi)的無級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。降壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 （ 2）弱磁調(diào)速。使勵(lì)磁磁通 ? 下降，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 上升。由于磁通 ? 超過額定值易飽和，所以只能弱磁調(diào)速。適用于額定轉(zhuǎn)速以上的小范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速場(chǎng)合。弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。 （ 3）變阻調(diào)速。使 R? 增大（串電阻 R） ，則 n 下降。由于串電阻要消耗功率，機(jī)械特性變差（軟）。所以只適用于小功率有級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。 直流調(diào)速發(fā)展過程 調(diào)速的關(guān)鍵是獲得可控的直流電源，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近代直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)歷三個(gè)方面的發(fā)展過程。 （ 1）直流發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組（ GM 系統(tǒng) ）。直流發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖 7 11 所示。 圖 11 直流發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組 由原動(dòng)機(jī) M（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) M 供電，調(diào)節(jié) G 的勵(lì)磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)，國(guó)際上通稱 WardLeonard 系統(tǒng)。 GM 系統(tǒng) 機(jī)械特性是線性的、較硬，且可靠耐用。 此系統(tǒng)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低；但運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，在目前的生產(chǎn)設(shè)備中尚有 應(yīng)用。 （ 2） 晶閘管可控整流器（ VM 系統(tǒng) ） 。 VM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖 12所示。 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)，又稱靜止 的 WardLeonard 系統(tǒng)）， 圖 12 VM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖 圖 中 VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 CU 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 8 VM 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 與 GM 系統(tǒng)相比較，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 VM 系統(tǒng)存在的問題： 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。 晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的 dV/dt 與 di/dt 都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損 壞器件。 由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。 （ 3） 直流斬波調(diào)制器（ PWM 系統(tǒng) ）。 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖 13（ a） 所示。 在原理圖中， VT 表示電力電子開關(guān)器件， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 US加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫 開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖 13（ b） ，好像是電源電壓 US 在ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在 T –ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱 ―斬波 ‖。 （ a）原理圖 （ b）電壓波形圖 t O u Us Ud T ton M + + _ _ VD VT U s 控制電路 9 圖 13 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖 這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 ond s stU U UT ??? （ 12） 式中 T—晶閘管的開關(guān)周期； ont —開通時(shí)間； ? —占空比， ? = ont / T = ont f ； 其中， f 為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、 IGBT 等。 采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（ PWMPulse Width Modulation）。 PWM 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少； （ 2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。? （ 3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000 左右； （ 4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； （ 5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高； （ 6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 綜上所述，三種可控直流電源， VM 系統(tǒng)在上世紀(jì) 60~70 年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代 VM 系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。 本設(shè)計(jì)涉及 主要 性 能 技術(shù)指標(biāo) 轉(zhuǎn)速控制要求 任何 一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面： 10 （ 1）調(diào)速 。 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或 平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速； （ 2）穩(wěn) 速 。 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上 穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； （ 3）加、減 速 。 頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 主要 性 能指標(biāo) （ 1）調(diào)速范圍 D。 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 maxminnD n?