【正文】 n）。當(dāng) VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 US加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時，直流電源與電機(jī)脫 開，電動機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。 （ 3） 直流斬波調(diào)制器（ PWM 系統(tǒng) ）。 在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 VM 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖 12所示。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱 GM 系統(tǒng)，國際上通稱 WardLeonard 系統(tǒng)。 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)歷三個方面的發(fā)展過程。所以只適用于小功率有級調(diào)速的場合。弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。 （ 2）弱磁調(diào)速。 直流調(diào)速方法及發(fā)展歷史 直流電動機(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（ ? ）； ?—— 勵磁磁通（ Wb）； eK —— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 由于直流電動機(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) 和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流可調(diào)傳動已逐步普及， 其應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)超過了直流調(diào)速傳動。以直流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自動控制系統(tǒng)稱為直流調(diào)速系統(tǒng) ，以交流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自動控制系統(tǒng)稱為交流調(diào)速系統(tǒng)。 電動機(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)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。 本研究課題可廣泛應(yīng)用于各類電力拖動生產(chǎn)機(jī)械 ,滿足電力拖動調(diào)速機(jī)械的生產(chǎn)工藝要求 ,對 提高產(chǎn)品質(zhì)量和生成率 ,電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速性能具有重要意義。 1 附件一 封面 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 題目： 10kW 直流電動機(jī) 不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院： 班級： 姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱： 完成日期： 年 月 日 2 10kW 直流電動機(jī)不可 逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 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)、動態(tài)性能。 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。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。 眾所周知，直流電動機(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，可用改變勵磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。 但 采用 直流 可 調(diào) 傳動 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)簡單 ；對 中、小容量調(diào)速系統(tǒng)特別是 10kW 及其以下可調(diào)傳動系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)仍占有明顯優(yōu)點(diǎn)。 由式（ 11）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速： （ 1）降壓調(diào)速。使勵磁磁通 ? 下降，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速 n 上升。 （ 3）變阻調(diào)速。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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。 （ 1）直流發(fā)動機(jī)機(jī)組（ GM 系統(tǒng) ）。 GM 系統(tǒng) 機(jī)械特性是線性的、較硬，且可靠耐用。 晶閘管 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱 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。 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。 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，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(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、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。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 時間內(nèi)被接上，又在 T –ton 時間內(nèi)被斬斷，故稱 ―斬波 ‖。 PWM 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）主電路線路簡單，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)熱都較小； （ 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，動態(tài)響應(yīng)快，動態(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，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，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面： 10 （ 1）調(diào)速 。 主要 性 能指標(biāo) （ 1）調(diào)速范圍 D。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。 （ 3） 脈動系數(shù) m? 。既培養(yǎng)學(xué)生基于所學(xué)知識分析和綜合典型系統(tǒng)的能力，又使學(xué)生理解典型系統(tǒng)的工程背景、在掌握基礎(chǔ)理論和方法的同時能夠舉一反三、提高解決實(shí)際自動控制系統(tǒng)問題的能力。 12 直流電動機(jī) ： 型號： Z3－ 71；額定功率： PN=10kW； 額定電壓： UN=220V；額定電流： IN=55A； 轉(zhuǎn)速： 1000 / minNnr? ；級數(shù)： 2p=4 ； 電樞電阻： ??； 電樞電感： 7aL mH? ； 勵磁電壓： 220fUV? ； 勵磁電流： ? ； （ 2） 要求 。為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用 /Y? 接法。 該系統(tǒng)采用降壓調(diào)速方案，故勵磁應(yīng)保持恒定。 圖 21 帶截流負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 調(diào)速系統(tǒng) 的工作原理 問題的提出 直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。 （ 2）堵轉(zhuǎn)電流 。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。 考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運(yùn)行時應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。其工作原理如下： 圖 22 電流截止負(fù)反饋 當(dāng) d s I R U? ，電流負(fù)反饋信號 iU 起作用，當(dāng) d s I R U? ，電流負(fù)反饋信號被截止。 ??iUd b r()IU? ? 圖 23 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性 其數(shù)學(xué)模型為 d b r d b rid b r,00 , 0I U I UU IU?? ?? ? ??? ? ??? (21) 帶 截 流反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)工作原理 帶截流負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 整流變壓器額定參數(shù)計算 根據(jù)整流器主電路的類型、電源及負(fù)載要求的直流電壓和電流，可以計算出 18 整流變壓器的額定參數(shù)：變壓器次級相電壓 U 相電流 I2 及容量 S2； 變壓器初級 相 電流 I容量 S1； 變壓器等值容量 ST。 在實(shí)際運(yùn)行中，整流變壓器輸出平均電壓還受下列因數(shù)影響： 1）電源電壓波動：若電源電壓允許波動范圍為 +5%～ 10%，令 ε為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，則 ε的變化范圍為 ε。 3）直流回路雜散電阻 rU?? ：直流回路中，接線端子、引線、熔斷器、電抗器、及整流元件等均將存在電阻，稱為雜散電阻。 5）整流變壓器電阻的影響：交流電壓損失受負(fù) 載系數(shù)影響，計算時假定功率因數(shù)為 1，則由其引起的整流輸出電壓損失為 cu222 .3 4 c o sa d g pU K US ??? （ 33） 19 式中， cup 為銅損耗。 變壓器二次測電流有效值 2I 與整流 電流平均值 dI （ dNII? ）關(guān)系 【 2】 2 2 ddI I I?? （ 37） 所以 2 0. 81 6 0. 81 6 0. 81 6 55 45dNI I I A A? ? ? ? ? ? 由式（ 36）得 20 21 451 . 0 5 1 . 0 5 1 3 . 73 . 4 5IIAK? ? ? ? ? （ 3）變壓器容量 S 的計算。 晶閘管通過電流有效值為 VT 55 31 .8A333dNIII ???? 晶閘管通態(tài)平均電流 TaI 應(yīng)取為 【 3】 ? ? ? ?VTTa 3 1 . 81 . 5 2 1 . 5 2 3 0 . 4 4 0 . 5 A1 . 5 7 1 . 5 7II ? ? ? 根據(jù)上 TNU? eU 、 TaI 的值，選 KP50－ 7 晶閘管元 件。 整流器輸出電壓為脈動波形，因此由整流電源供電的負(fù)載中電流也是脈動的，該電流可以分解成直流分量和各次諧波交流分量。根據(jù)允許電流脈動系數(shù) m? ，可以計算出限制輸出電流脈動的電感量 mL 。 根據(jù) 式 （ 39）有 3322 0 . 4 6 1 1 01 0 1 0 6 . 9 8 m H2 2 3 0 0 7 % 5 5ammd m dUUULfI? ? ?? ? ? ? ? ??? （ 310） 22 表 31 計算有關(guān)電感量的計算系數(shù) 電路名稱 LK df mU 2amUU 單相全控橋 100 22U 三相半波 150 26U 三相全控橋 300 26U 帶平衡電抗器 的雙反星型 300 26U （ 2）使輸出電流連續(xù)的臨界電感量 L 。 （ 2）主回路平波電抗器總電感量 zL 計算。 滿足設(shè)計要求的平波電抗器 PL 的電感量為 P z D 2 2 7 . 7 7 2 0 . 6 2 1 9 . 4 6 m HTL L L L? ? ? ? ? ? ? ? （ 315） 式中， DL 為電動機(jī)電樞回路電感量，已知為 7mH；對于三相橋式整流電路，整流回路中變壓器為兩相串聯(lián)，因此計算時取 2TL 代入。電力電子裝置負(fù)載過大（過載），電動機(jī)堵轉(zhuǎn)，以及短路等故障會引起裝置的過電流。過電壓保護(hù)設(shè)置如圖 圖 32 所示。 交流側(cè)阻容保護(hù)元件參數(shù)的計算與整流器的容量有關(guān)。 直流側(cè)也有可能發(fā)生過電壓。 阻容吸收裝置中， dC （ μF ）的計算公式為 【 3】 0 . 0 2 3 . 8 51 2 1 2 4 4 1 2 1 2 4 4 0 . 6 2 μ F6 5 0 5 0 . 6amd d a mIC fU? ?? ? ? ??? （ 319） dR 的 阻值 （ ? ）計算公式為【 3】 5 0 . 60 . 0 5 8 0 . 0 5 8 3 5 . 1 10 . 0 2 3 . 8 5amd amUR I?? ? ? ? ?? （ 320） 式 （ 319）、（ 320） 中， amU 、 amI 可根據(jù)表 31 和公式 （ 38）算出，最低次諧波電壓幅值 ? ， 最低次諧波電流幅 值 ? 。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián) RC 電路。 非線性元件保護(hù)及參數(shù)計算 壓敏電阻是一種常用的非線性保護(hù)元件。 本設(shè)計采用 壓敏電阻為星型連接， 1mAU 的計算公式為 b1 m A y1 2 1 1 0 3 1 . 0 51 . 1 1 0 . 8 1 6 1 9 1 V0 . 9 3 0 . 9 5KUU K ?? ? ? ? ? （ 323