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1、（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）附件一 封面本科毕业论文(设计)题目： 10kW直流电动机 不可逆调速系统设计 学院： 班级： 姓名： 指导教师： 职称： 完成日期： 年 月 日10kW直流电动机不可逆调速系统设计摘要：许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的电力拖动控制技术领域中，今后相当长时期内仍将采用直流电力拖动系统。本课题对在工业生产中使用较多的10kW直流电动机调速系统进行设计，主要内容有：调速系统方案的选择及其工作原理；调速系统主电路（包括整流
2、变压器、三相桥式整流电路及平波电抗器）工程设计；整流设备过电压、过电流保护电路计算选择；触发电路的选择与校验；反馈电路参数的选择与计算；继电器-接触器控制电路设计；整体电路结构设计；并给出了10kW直流调速系统电气原理总图。本研究课题可广泛应用于各类电力拖动生产机械,满足电力拖动调速机械的生产工艺要求,对提高产品质量和生成率,电力拖动系统的调速性能具有重要意义。关键词：直流调速系统，主电路，保护电路，触发电路，控制电路，设计。目录1 绪论1.1 课题现状、目的和意义1.2 直流调速方法及发展历史1.2.1 直流电动机调速方法1.2.2 直流调速发展过程1.3 本设计涉及主要性能技术指标1.3.
3、1 转速控制要求1.3.2 主要性能指标1.4 本次毕业设计的内容及要求2 调速系统方案的选择及其工作原理2.1 调速系统方案的确定2.2 调速系统的工作原理2.2.1 问题的提出2.2.2 解决方法2.2.3 带截流反馈的转速负反馈调速系统工作原理3 调速系统工程设计的基本内容3.1 主电路计算3.1.1 整流变压器额定参数计算3.1.2 晶闸管的选择3.1.3 平波电抗器参数计算3.2 整流设备保护电路计算3.2.1 过电压保护3.2.1.1 过电压保护的设置3.2.1.2 阻容保护及参数计算3.2.1.3 换相过电压保护及参数计算3.2.1.4 非线性元件保护及参数计算3.2.2 过电流
4、保护3.2.2.1 过电流保护装置3.2.2.2 快速熔断器的选择及参数计算3.2.2.3 过电流继电器的选择3.3 励磁电路元件的选择4 触发电路的选择与校验5 反馈电路参数的选择与计算5.1 测速发电机的选择5.2 电流反馈环节的选择5.3 调速系统静态精度的计算5.4 给定环节的选择5.5 控制电路的直流电源6 继电器-接触器控制电路设计7 10kW直流调速系统电气原理总图8 结构设计9 调试、修改电路参数9.1 首先检查接线是否正确，布线是否合理9.2 相序检查 9.3 检查同步电压与主电路电压的相位关系9.4 放大器的检查9.5 触发电路的调整9.6 电阻性负载的调试9.7 电动机负
5、载调试1 绪论1.1 课题现状、目的和意义在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的60%70%，成为用电量最多的电气设备。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。为了控制电动机的运行，就要为电动机配上控制装置。电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称为直流调速系统，以交流电动机作
6、为控制对象的电力传动自动控制系统称为交流调速系统。众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流不变，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来（20世纪80年代以前）在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，以及近年来随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流可调传动已逐步普及，其应用现在已经超过了直流调速传动。但采用直流可调传动系统，调速范围广、静差率小、稳定
7、性好以及其具有的良好动态性能；相比于交流调速系统调速技术原理成熟、控制电路结构简单；对中、小容量调速系统特别是10kW及其以下可调传动系统，直流调速系统仍占有明显优点。有理由相信在未来高性能的拖动技术领域中，特别是在微特功率控制电机调速系统，在相当长时期内仍将采用直流可调传动系统。就本课题而言，10kW及其以下直流调速系统是目前广泛采用的一种电力控制系统，掌握其工程设计方法，对产品设计、选型设计、维护运行工作都有重要意义。1.2 直流调速方法及发展历史1.2.1 直流电动机调速方法根据直流电机转速方程 （1-1）式中 转速（r/min）；电枢电压（V）； 电枢电流（A）；电枢回路总电阻（ W
8、）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）降压调速。使电枢供电电压下降，则电动机转速下降，由于电动机绕组绝缘有限，电动机电枢电压不能高于额定电压，所以是降压调速，适用于额定转速以下一定范围内的无级调速的场合。降压调速属于恒转矩调速。（2）弱磁调速。使励磁磁通下降，则电动机转速上升。由于磁通超过额定值易饱和，所以只能弱磁调速。适用于额定转速以上的小范围内无级调速场合。弱磁调速属于恒功率调速。（3）变阻调速。使增大（串电阻R），则下降。由于串电阻要消耗功率，机械特性变差（软）。所以只适用于小功率有级调速的场合。对于要求在一定范围
9、内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。1.2.2 直流调速发展过程调速的关键是获得可控的直流电源，随着电力电子技术的发展，近代直流调速系统经历三个方面的发展过程。 （1）直流发动机机组（G-M系统）。直流发动机机组的结构原理图，如图1-1所示。 图1-1 直流发动机机组由原动机M（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G的励磁电流if即
10、可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。G-M系统机械特性是线性的、较硬，且可靠耐用。 此系统设备多、体积大、费用高、效率低；但运行可靠、维护方便，在目前的生产设备中尚有应用。（2）晶闸管可控整流器（V-M系统）。V-M系统的结构原理图，如图1-2所示。 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），图1-2 V-M系统的结构原理图图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。V-M系统的优点：与G-M系统相比较，晶
11、闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在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 4以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，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，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统存在的问题：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dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。 （3）直流斩波调制器（PWM系
12、统）。在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。直流斩波器的基本结构图，如图1-3（a）所示。在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-3（b），好像是电源电压US在ton时间内被接上，又在 T ton时间内被斩断，故称“斩波”。tOuUsUdTtonM+_VDVTUs控
13、制电路（a）原理图 （b）电压波形图图1-3 直流斩波器的基本结构图这样，电动机得到的平均电压为 （1-2）式中 T晶闸管的开关周期； 开通时间； r 占空比， r =/ T = f ；其中， f为开关频率。为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。PWM系统的优点：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度
14、高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。综上所述，三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。1.3 本设计涉及主要性能技术指标1.3.1 转速控制要求任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速。频繁起、制动的设备
