【正文】 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。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。 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)。使勵(lì)磁磁通 ? 下降，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 上升。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。 GM 系統(tǒng) 機(jī)械特性是線性的、較硬，且可靠耐用。 VM 系統(tǒng)存在的問(wèn)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。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(chēng) ―斬波 ‖。歸納起來(lái)，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 。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。 （ 3） 脈動(dòng)系數(shù) m? 。 12 直流電動(dòng)機(jī) ： 型號(hào)： 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(jí)數(shù)： 2p=4 ； 電樞電阻： ??； 電樞電感： 7aL mH? ； 勵(lì)磁電壓： 220fUV? ； 勵(lì)磁電流： ? ； （ 2） 要求 。 該系統(tǒng)采用降壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持恒定。 （ 2）堵轉(zhuǎn)電流 。 考慮到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。 ??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。 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(dòng)：若電源電壓允許波動(dòng)范圍為 +5%～ 10%，令 ε為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，則 ε的變化范圍為 ε。 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(jì)算時(shí)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。 晶閘管通過(guò)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。根據(jù)允許電流脈動(dòng)系數(shù) m? ，可以計(jì)算出限制輸出電流脈動(dòng)的電感量 mL 。 （ 2）主回路平波電抗器總電感量 zL 計(jì)算。電力電子裝置負(fù)載過(guò)大（過(guò)載），電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，以及短路等故障會(huì)引起裝置的過(guò)電流。 交流側(cè)阻容保護(hù)元件參數(shù)的計(jì)算與整流器的容量有關(guān)。 阻容吸收裝置中， dC （ μF ）的計(jì)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(jì)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 ? 。 非線性元件保護(hù)及參數(shù)計(jì)算 壓敏電阻是一種常用的非線性保護(hù)元件。因晶閘管器件的熱容量很小，承受過(guò)電流的能力比其他電力裝置小得多，如果過(guò)電流數(shù)值過(guò)大而切斷稍慢，就會(huì)使其結(jié)溫超過(guò)允許值而損壞。 在選擇快速熔斷器的額定參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量使其額定電壓等于或略大于工作電壓 。 其主要元件為整流二極管，二極管的正、反向重復(fù)峰值電壓為 【 3】 26RmUU? ? （ 329） 則二極管的額定電壓應(yīng)取為 ? ?T N 22 3 6 5 3 0 . 8 8 V 8 0 8 . 3 3 VUU?? （ 330） 由已知?jiǎng)?lì)磁電 流 Iac=，則通過(guò)二極管電流的有效值為 【 3】 VT 11 acI I I A? ? ? （ 331） 二極管通態(tài)平均電流為 【 3】 ? ? ? ?VTTa 1 . 1 31 . 5 2 1 . 5 2 1 . 0 8 A 1 . 4 4 A1 . 5 7 1 . 5 7II ??? （ 332） 可選用 ZP 型 3A、 700V 的二極管。 該電路需 要三個(gè)互差 1200，且與主電路三個(gè)相電壓 U 、 VU 、 WU 同相的三個(gè)同步電壓，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器。由于主電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 nN=1000r/min，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出最高電壓為 20V。 ? ?5 5 1 . 6 0 . 51 1 1 1 30 . 1 9 3 5 . 2 6NeNIRK Cn ? ??? ? ? ? ??? ? （ 55） （ 5）觸發(fā)器與整流裝置的放大倍數(shù)的估算。 采用 F007 運(yùn)算放大器，其輸入電阻 ri，為了不影響 ri，應(yīng)使 R01/10ri。 可選用吸引線圈電流為 60A 的 JL1411ZS 型直流過(guò)電流繼電器作為過(guò)流保護(hù)，吸引電流可在 7/10 至 3 倍范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 ～ ～ VD2 VD1 C5 C6 C4 C3 C2 C1 + + 7815 7915 B1 B2 15V +15V 36 圖 71 10kW 直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖 37 8 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于電動(dòng)機(jī)容量較大，所用元器件體積大，可考慮采用柜式結(jié)構(gòu)，主變壓器、電 抗器應(yīng)放在下層，磁場(chǎng)變阻器應(yīng)放在安全、且易調(diào)節(jié)的部位。 （ 1）雙蹤示波器法。 放大器的檢查 （ 1）調(diào)零檢查。但為了可考起見(jiàn)，可先不用電動(dòng)機(jī)負(fù)載，而用一個(gè)燈泡來(lái)代替。此時(shí)應(yīng)更換晶閘管元件。為可靠起見(jiàn)，可先把轉(zhuǎn)速反饋電位器滑到零，相當(dāng)于沒(méi)有加轉(zhuǎn)速反饋的情況。最終使給定電壓為 Ugn 時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到要求的最高轉(zhuǎn)速，則調(diào)試完畢。靜特性可這樣求取，即先給定一個(gè) Ugn，并保持不變，然后從小到大改變電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，記錄負(fù)載電流值和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，就可以得到一條靜特性。然后增加一點(diǎn)反饋電壓，這時(shí)如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來(lái)，就說(shuō)明是負(fù)反饋，反饋極性接對(duì)了。 電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)試 電阻負(fù)載正常后，即可接上電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)試，先不接反饋環(huán)節(jié)，給定電位器調(diào)到零位。準(zhǔn)備工作完成后，即可接通電源，按起動(dòng)按鈕，使主電路接通電源，此時(shí)燈泡應(yīng)不亮示波器上無(wú)輸出電壓波形。 （ 2）放大倍數(shù)的調(diào)整。 （ 2）相序器法。電流表、轉(zhuǎn)速表、電源指示、起動(dòng)、停止按鈕、給定電位器均應(yīng)放在上方，以便于觀察，操作方便。 選用 AL1822Y 型按鈕，起動(dòng)按鈕用綠色，并帶有工作指示燈，停止按鈕用紅色。 R0、 R1 均取 1/4W。 0 . 6 0 . 0 2 0 . 0 1 2T G e T G T GC??? ? ? ? ? （ 57） 由于給定電壓取 15V， Ufe 約 12V 左右，而 ETG=20V，故 12 / 20 ? ??。 電流反饋環(huán)節(jié) 的選擇 選用 LEM 模塊 LA100NP 作為電流檢測(cè)元件，其參數(shù)為：額定電流為 100A，匝數(shù)比為 1/1000，額定輸出電流為 100mA， 測(cè)量電阻 RM=30～ 50Ω，取 RM 為 47Ω，1W 的繞線電位器。這樣小的變壓器很難買(mǎi)到，可用三個(gè)單相變壓器接成三相 31 變壓器組來(lái)代替，并接成 /Y11? ，即可獲得與主電路二次側(cè)相電壓同步的三個(gè)電壓 saU 、 sbU 、 scU 。根據(jù)額定勵(lì)磁電流 Iac=，可選用吸引線圈電流為 的 JL1411ZQ直流欠電流繼電器。 28 下面說(shuō)明直流輸出側(cè)串聯(lián)的快速熔斷器選擇。 過(guò)電流保護(hù)裝置 整流裝置可能采用的過(guò)電流保護(hù)措施如圖 33 所示。具有明顯的擊穿電壓，在施加電壓低于擊穿電壓時(shí)，漏電流僅為微安級(jí)，損耗?。辉谑┘与妷撼^(guò)擊穿電壓時(shí)，壓敏電阻擊穿，可以通過(guò)很大浪涌電流，幾乎呈現(xiàn)恒壓特性。 換相過(guò)電壓保護(hù)及參數(shù)計(jì)算 晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過(guò)相當(dāng)大的反向恢復(fù) 電流。 阻容吸收電路采用三角形接法，電容值 1 2 3 0 .5 5μFC C C? ? ?，電阻值 25 1 2 3 120R R R? ? ? ?，電阻 功率 1 2 3 WP P P? ? ? 。 這里主要 說(shuō)明 過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)的方法 及計(jì)算 。即 ? ?m a x , 2 7 . 7 m Hz m LL L L?? （ 313） 由式（ 313）得出的電感量是電路中的總電感量，其中包括平波電抗器電感量 PL 、電 動(dòng)機(jī)電樞電感量 DL 、整流變壓器折算到次級(jí)的電感量 TL 。 由表 31 可查得常見(jiàn)整流電路最大的 2amUU。這兩方面的技術(shù)要求就是設(shè)計(jì)平波電抗器電感量的依據(jù)。 將上述數(shù)據(jù)代入式（ 35）可得 2cum in20%2 . 3 4 c o s 2 . 3 4 c o s1002 2 0 2 0 . 8 0 . 5 552 . 3 4 0 . 9 5 c o s 2 5 1 . 5 1 . 1 71001 1 6 . 1 3 Vd s Tkg x gU n U UUupK K KS? ? ?? ? ?????? ? ??? ? ? ? ?? 可取 2 110VU ? 。 2） 整流元件正向壓降 UT：整流元件為非線性 元件，導(dǎo)通時(shí)兩端門(mén)檻電壓UT 使輸出平均電壓下降。 （ 1）當(dāng) d dcrII? 時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同 【 1】 *p s n dee(1 ) (1 )K K U RIn C K C K???? (23) （ 2）當(dāng) d dcrII? 時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成 *p s n c o m p s s dee( ) ( )(1 ) (1 )K K U U R K K R In C K C K???? (24) 16 圖 24 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 這樣的兩段式靜特性常稱(chēng)作下垂特性或挖土機(jī)特性。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱(chēng)截流反饋。例如，由于故障 、 機(jī)械軸被卡住或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。為保證先加勵(lì)磁后加電樞電壓，主接觸器主觸頭應(yīng)在勵(lì)磁繞組通電后方可閉合，同時(shí)設(shè)有弱磁保護(hù)環(huán)節(jié)。 13 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 由于電動(dòng)機(jī) 的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。脈動(dòng)系數(shù)可表示為 m? ? 非 正 弦 周 期 量 最 低 次 諧 波 幅 值非 正 弦 周 期 量 的 平 均 值 （ 19） 本 次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要 求 為了進(jìn)一步提高對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力，以及對(duì) 《 自動(dòng)控制原理 》 、 《