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1、本科毕业设计大功率直流电动机调速系统之电源系统研究院、 系：学科专业：学 生：学 号：指导20XX6月摘要III1 题目背景11.1前言11.2直流电动机的介绍11.2.1直流电动机的发展11.2.2 大功率直流电动机的优点21.3 直流电动机调速简述21.3.1 调节直流电动机转速的方法31.3.2 可控直流电动机的直流电源51.4 直流电动机在国外的相关研究情况91.4.1 我国电机的发展91.4.2 国外对于直流电动机调速系统的研究111.5 课题研究的意义122 晶闸管-电动机可控直流电源系统142.1 晶闸管-电动机可控直流电源系统142.2 桥式整流设计图152.2.1 电解电容特
2、点162.2.2 无极性电容特点162.2.3 晶闸管触发电路172.3 V-M实用系统设计172.4 V-M系统的优缺点183 直流电动机PWM电源系统设计193.1直流电机PWM调速系统原理图193.2 PWM可逆与不可逆系统对于转速的调节213.2.1 PWM不可逆变换器213.2.2 PWM可逆变换器223.3 IGBT介绍223.4 89S51单片机233.5 光耦隔离开关243.6 总系统中的最小单片机部分243.7 总系统中驱动电路部分253.8 单片机工作电源部分253.8.1 7805稳压管263.9 系统电路总设计263.10 PWM实用系统设计273.11 程序283.1
3、1.1 程序设计思想283.11.2 程序框图283.11.3 程序编译294 设计方案的对比和选择345 参考文献35大功率直流电动机调速系统之电源系统研究摘 要大功率直流电动机具有调速性能优良、可靠性高的优点,被广泛的应用到国民经济各个领域。大功率直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。 本文研究了大功率直流调速系统电源的工作原理,分析了晶闸管-电动机、直流斩波式可控直流电源系统。设计了大功率直流电动机调速系统的电源控制部分。关键词：电动机；调速；PWM；电源系统Research on the power supply system of DC motor speed control
4、 systemAbstractThe larger power DC motors are applied in many fields because of their advantages of wide speed range and high reliability. The larger power DC motor speed control system is built by microcomputer control system and larger power driving system.The principle of larger power DC motor sp
5、eed control system is studied in the paper. And power system of the V-M system is analyzed. Upon high-power DC motor , a PWM speed control system and a H-type PWM speed control system are designed. And their circuits are given. It is an initial study on larger power DC motor speed control.Key words:
6、 motor；speed control；PWM；DC power system / 1 题目背景1.1前言在电气时代的今天,电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机,在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求,因此,不同的调速方法有着不同的应用场合。本设计介绍的就是直流电动机调速系统之电源系统,对于大功率的直流电动机,为了实现转速控制,分析设计大功率直流电源。1.2直流电动机的介绍1.2.1直流电动机的
7、发展电动机Motors是把电能转换成机械能的设备,分布于各个用户处,电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用,无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备,还是在日常生活中的家用电器,都在大量地使用着各式各样的电动机。其广泛应用于各种领域,作为多种机械中各种设备的动力。电机的发明至今已有180多年的历史,其发展大体上可以分为三个时期：直流电机的产生和形成；交流电机的形成；电机理论,设计和制造工艺逐步达到完善。电动机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第,他首先证明了电力可以转变为旋转动力,而后据说
8、是德国的雅克比最先将之付诸实践,制造出了第一台电动机。电动机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮,并在每个臂上带两根棒型磁铁,通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。电动机在雅克比手上还有进一步的发展,他制造了一个大型的装置为小艇提供动力,并在易北河上试航,虽然当时的时速只达到了2.2公里,但这不影响电动机实验的成功。电动机的另一个发展者美国的达文波特,在几乎相同的时间里,也成功的制造了电动的印刷机,只可惜这个型号的印刷机成本太大,几乎没有商业价值。电动机被广泛应用的推动力来自直流电动机的问世,在1870年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械,并把它大量制造出来,而后还不断的对
9、电动机的效率进行提高。1.2.2 大功率直流电动机的优点大功率直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点,被广泛的应用到各种工程船舶上,拖动机械设备,是工程船舶工程作业的动力核心。大功率直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号,根据检测到的信号发出控制信号;强电部分根据控制信号调节电动机转速,拖动绞刀、钻机等机械负载进行作业,以满足不同作业现场的需要。 可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置,是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,采用模块式组合设计,具有
10、控制功能强,可靠性高、使用灵活方便,易于扩展等优点,在工程船舶上得到了广泛的应用。1.3 直流电动机调速简述直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为:式中：n转速r/min R电枢回路总电阻U电枢电压 励磁磁通WbId电枢电流 Ke由电机结构决定的电动势常数1.3.1 调节直流电动机转速的方法1改变电枢回路电阻调速法电枢回路串接外加电阻Radd,通过增大Radd的方法实现直流电动机的调速。图1.1 直流电动机调阻调速时的机械特性2减弱磁通调速法理想空载转速n0将随的减少而增大。图1.2 直流电动机弱磁调速时的机械特性3调节电枢电压调节法用改变电动机电枢的外加电压U来实现直流电机的调速。图
11、1.3 直流电动机调压调速时的机械特性三种方法之比较：改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节,转速的稳定性差,调速系统效率低。减弱磁通调速能够实现平滑调速,但只能在基速额定转速以上的围调节转速。调节电枢电压调速所得到得人为机械特性与电动机的固有机械特性平行,转速的稳定性好,能在基速额定转速下实现平滑调速。所以,直流调速系统往往以调压调速为主,只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。1.3.2 可控直流电动机的直流电源1相控整流器-电动机系统1957年,晶闸管俗称可控硅整流器件,简称可控硅问世,到了20世纪60年代,已生产出成套的晶闸管整流装置,逐步取代了旋转变流机组和离子拖动变流装
12、置,使变流技术产生了根本性的变革。图1.4所示的是晶闸管-电动机调速系统简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统的原理图。通过调节触发装置的GT控制的电压Uc来移动触发脉冲的相位,即可改变平均整流电压Ud,从而实现平滑调速。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上和可靠性上都有很大的提高,而且技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10的4次方以上,其门极电流可以直接用电子控制不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制的作用的快速性上,变流机组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级,这将会大大提高系统的动态性能。图1.4 V-M系统原
13、理图晶闸管整流器也有它的缺点。首先,由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt 与di/dt都十分敏感,超过允许值时会损坏晶闸管；在交流侧会产生较大的谐波电流,引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。2脉宽调制变换器在干线铁道电力机车,工矿电力机车,城市电车和地铁电车等电力牵引设备上,常采用串励或复励直流电动机,由恒压直流电源供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的启动,制动和调速,在电阻中耗电很大。为了节能,并实施无触点控制,现在多改用电力电子开关器件,如快速晶闸管,GTO门极可关断晶闸管等。采用简单的
14、单管控制时,称作直流斩波器,后来的逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路,统称脉宽调制变换器。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。a. 不可逆PWM变换器图1.5 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统Us直流电源电压C滤波电容器VT功率开关器件VD续流二极管M直流电动机图1.6 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形在一个开关周期T,当0tton时,Ug为正,VT饱和导通,电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当ton tT时,Ug为负,VT关断,电枢电路中的电流通过续流二极管VD 续流,直流电动机电枢电压等于零。b桥式可逆PWM变换器图1.7 桥式PWM变换器电路正向运行状态：第1阶段,在 0 t ton 期间,Ug1 、Ug4为正, VT1 、 VT4导通,Ug2 、Ug3为负,VT2 、 VT3截止,电流id沿回路1流通,电动机M两端电压UAB = +Us ；第2阶段,在ton t T期间,Ug1 、Ug4为负, VT1 、 VT4截止, VD2 、 VD3续流,并钳位使VT2 、 VT3保持截止,电流id 沿回路2流通,电动机M两端电压UAB = Us ；反向运行状态：第1阶段,在
