60KW晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计
东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 东北大学秦皇岛分校自动化工程系 东北大学秦皇岛分校自动化工程系 自动化工程
自动控制系统课程设计 自动控制系统课程设计
晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计 专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间
自动化 ***** 王娃子 闫师傅 2010.6.28~2010.7.9 第 1 页
东北大学秦皇岛分校自动化工程系 《自动控制系统》课程设计任务书 自动控制系统》
专业 自动化 班级 ##### 学生姓名 ****
设计题目:晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计 一,设计实验条件利用计算机进行绘图仿真
二,设计任务 1.直流电动机的主要数据:额定功率 60kw,额定电压 220V,额定电流 305A,额定转速 1000n/min,电枢绕组电阻 R=0.05,Ce=0.2V.min/r,励磁电压 220V,励磁电流 2A; 2. 电网供电电压: 三相 380V; 晶闸管可控整流电路允许电流脉动系数 Si=10%, 3. 调速范围 D=15,静差率≤1%;4.主电路中,晶闸管要有过电压,过电流及抑制其 正向电压上升率正向电流上升率的保护电路;5.选择合适的晶闸管触发电路,并 为其确定接入的同步电压.要求:1.系统调速方案的确定;2.主电路的选择与 计算①整流变压器二次侧相电压的计算,整流变压器一,二次侧电流与容量计算; ②电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算,以及晶闸管型号的确定; ③励磁整流电路中二极管额定电压和额定电流的计算,以及二极管型号的确定; ④与直流电动机电枢绕组串联电抗器的电感量计算;3.触发电路的选择与计算; 4.同步变压器联结组别的确定;5.绘制系统接线图; 三,设计组成员 F4 第 2 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 目录绪论……………………………………………………...4 绪论 1,设计任务………………………………………………...5 ,设计任务 2,设计内容………………………………………………...5 ,设计内容 3,调速系统的方案选择 , 3.1,电动机供电方案的选择……………………………5 ,电动机供电方案的选择 3.2,触发电路的选择……………………………………5 ,触发电路的选择 3.3,反馈方式的选择……………………………………6 ,反馈方式的选择 3.4,直流调速系统框架图 ,直流调速系统框架图………………………………6 框架图 4,主电路计算 , 4.1,整流变压器计算……………………………………8 ,整流变压器计算 4.2,晶闸管元件选择……………………………………8 ,晶闸管元件选择 4.3,晶闸管保护环节的计算……………………………9 ,晶闸管保护环节的计算 4.4,励磁电路的选
择… ………………… ………. .. ....10 ,励磁电路的选择 5,同步变压器…………………………… ………….......12 ,同步变压器 6,平波电抗器… …………… ………………………. ... ...12 ,平波电抗器 7,晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理总图 ,晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理总图……. .....13 直流电动机不可逆调速系统原理总图 8,总结… …………………………………………………..14 ,总结 9,参考资料………………… …………………………......14 ,参考资料 第 3 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 绪论现代电力电子技术是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高 频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变.电力电子技术起始于五十年代 末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代,逆变器时代和变频 器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用.八十年代末期和九十年代 初期发展起来的,以功率 MOSFET 和 IGBT 为代表的,集高频,高压和大电流于 一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代. 大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供, 但是大约 20%的电能是以直 流形式消费的, 其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解), 牵引(电 气机车,电传动的内燃机车,地铁机车,城市无轨电车等)和直流传动(轧钢,造纸 等)三大领域.大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在 六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展. 随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电 源技术将在实际需要的推动下快速发展.在传统的应用技术下,由于功率器件性 能的限制而使开关电源的性能受到影响.为了极大发挥各种功率器件的特性,使 器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技 术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高 开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源. 与交流机组(主控制电路主要是通过接触器来控制的)相比,晶闸管可控整 流装置无噪声,无磨损,响应快,体积小,重量轻,投资省;而且工作可靠,功 耗小,效率高,因此,直流电动机不可逆调速系统采用晶闸管可控整流装置供电. 第 4 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 1 设计任务 1) 直流电动机的主要数据: 额定功率 60kw, 额定电压 220V, 额定电流 305A, 额定转速 1000n/min,电枢绕组电阻 R=0.05,Ce=0.2V.min/r,励磁电压 220V, 励磁电流 2A;2) 电网供电电压:三相 380V;3) 晶闸管可控整流电路允许电流脉 动系数 Si=10%,调速范围 D=15,静差率≤1%;4) 主电路中,晶闸管要有过电压, 过电流及抑制其正向电压上升率正向电流上升率的保护电路;5) 选择合适的晶闸 管触发电路,并为其确定接入的同步电压.要求:1.系统调速方案的确定;2.主 电路的选择与计算①整流变压器二次侧相电压的计算,整流变压器一,二次侧电 流与容量计算;②电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算,以及晶闸 管型号的确定;③励磁整流电路中二极管额定电压和额定电流的计算,以及二极 管型号的确定;④与直流电动机电枢绕组串联电抗器的电感量计算;3.触发电路 的选择与计算;4.同步变压器联结组别的确定;5.绘制系统接线图; 2 设计内容 1) 确定调速系统控制方案 2) 主电路选择与计算 3) 绘制系统原理图 3 调速系统的方案选择 3.1 电动机供电方案的选择 据题意采用的是大型直流电动机,可选用三相整流电路,又因本系统设计是 不可逆系统,所以可选用三相全控桥整流电路,电动机的额定电压为 220V,若用 电网直接供电,会造成导通脚小,电流脉动大,并且功率因数低,因此,还是用 整流变压器供电方式为宜. 本系统对输出电流的脉动提出要求,故使用增加电抗器. 3.2 触发电路的选择 本题设计所选用的直流电动机容量较大,可采用晶闸管强触发电路. 3.3 反馈方式的选择 反馈方式选择原则应是满足调速指标要求的前提下,选择最简单的反馈方案. 第 5 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 负载要求 D=15,S≤1%,则系统应满足的转速降 n = D(1 s ) n s N ≤ 1000 × 0.01 r / min = 0.673r / min 15 × (1 0.01) 电动系数 Cφ e N =U N I NR n = N 220 305 × 0.05 = 0.20475 1000 该直流电动机固有转速降 n
N = ' I R Cφ N e = N 305 × 0.05 r / min = 74.481r / min >> 0.673r / min 0.20475 故采用电压闭环控制系统 控制系统电压放大倍数 n K = n u ' N 1 = 74.481 1 = 109.67 0.673 3.4 直流调速系统框架图 系统框架图如图 1 所示: 4 主电路计算 4.1 整流变压器计算 4.1.1 U2 的计算 第 6 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 U U 2 = (1 ~ 1.2) U d 其中: A = 0.9, B = 1, 取ε=0.9 则 Aε B 220 V = 271.6 ~ 325.925V 0.9 × 1× 0.9 2 = (1 ~ 1.2) 取 U 2=300V 电压比 K =U1 = U 2 380 = 1.267 300 4.1.2 一次电流 I1 和二次电流 I2 的计算 已知全波整流电路中 KI =K 1 f = 1.11, K I 1I d d I2 = 1.11 I 1 = 1.05 K 2 K = 1.05 × 1.11× 305 /1.267 A = 280.566 A I =K I I 2 = 1.11× 305 A = 338.55 A 4.1.3 变压器容量的计算 S =U I 1 1 2 2 1 = 380 × 280.566VA = 106615.08VA = 300 × 338.55VA = 101565VA S =U I S 4.2 2 1 1 = ( S 1 + S 2) = (106615.08 + 101565)VA = 104.09kVA 2 2 晶闸管元件的选择 4.2.1 晶闸管的额定电压 U TN = (2 ~ 3)U m = (2 ~ 3) 2 × 300V = 848.528 ~ 1272.79V 取U TN = 1200V 4.2.2 晶闸管的额定电流 接电抗器的电动机负载性质介于电阻与电感负荷之间,为了晶闸管正常工作, 可采用如下公式: 305 2 = (1.5 ~ 2) 2 A = 206.052 ~ 274.736 A T I T ( AV ) = (1.5 ~ 2) 1.57 = (1.5 ~ 2) 1.57 1.57 I I d 取 I T ( AV ) = 300 A 第 7 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 尽管整流二极管导通时间长,既有整流作用又有续流作用,但考虑到晶闸管 电流裕量大,故而整流二极管电流也选 300A. 4.3 晶闸管保护环节的计算 4.3.1 交流侧过电压保护 阻容保护 : C ≥ 6 I em S U 2 2 = 6 × 305 × 104090.04 F = 2116.497 F 2 300 U ≥ 1.5U m = 1.5 × 2 × 300V = 636.4V 查询相关电容器分类等级以及标称容量获得如下信息: 纸质电容器 : 一般是用两条铝箔作为电极,中间以厚度为 0.008～0.012mm 的电容器纸隔开重叠卷绕而成.制造工艺简单,价格便宜,能得到较大的电容量, 一般在低频电路内,通常不能在高于 3～4MHz 的频率上运用.油浸电容器的耐压 比普通纸质电容器高,稳定性也好,适用于高压电路. 故而可以选用 2200 F ,耐压 1000V 纸介电容器. U U R ≥ 2.3 S I 2 2 k = 2.3 × em 3002 27.5 = 0.6 104090.04 305 取R = 1 I c = 2π fCUe × 106 = 2π × 50 × 2200 × 300 × 106 A = 207.345 A R P ≥ (3 ~ 4) I CR = (3 ~ 4) × 207.3452 ×1W = 129 ~ 172 KW 2 可选 1 ,180KW 金属膜大功率电阻 压敏电阻 R V 1 的选择: U Im A = 1.3 2U = 1.3 × 2 × 300V = 551.543V 通过查询相关产品参数目录,取电压为 660V,通流量为 5kA 的压敏电阻作交 流侧浪涌过电压保护. 4.3.2 直流侧过电压保护 U Im A ≥ (1.8 ~ 2)U DC = (1.8 ~ 2) × 220V = 396 ~ 440V 第 8 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 选用 MY 31 440 / 3 的压敏电阻作直流侧过电压保护. 4.3.3 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 由参考文献上获得晶闸管过电压保护参数估计值如下: 元件容量(A) C( F ) R( ) 5 10 20 50 100 200 500 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.50 1.00 10～20 依据上面表格可以初步确定 C = 0.2 F , R = 20 P R 2 = fCU m × 106 = 50 × 0.2 × ( 2 × 300) 2 ×10 6 W = 1.8W 由此可以确定电容器选用 0.2 F ,1000V 的纸介电容器. 电阻选用 20 ,2W 的金属膜电阻. 4.3.4 过电流保护 交流侧快速熔断器的选择: 由于 I = I 2 = 338.55 A ,考虑到电动机启动瞬间电流较大,熔断器的选取依据 I rn ≥ (1.5 ~ 2.5) I fN 原则可以选用额定电压为 300V,额定电流为 800A 的熔断器. 元件端快速熔断器的选择: 由于 IT = I 2 = 338.55 2 A = 239.391A ,为了减少元件的多样性便于设计和 额定电流为 240A 安装, 本设计将元件端快速熔断器的规格定为额定电压为 300V, 的熔断器. 4.4 励磁电路的选择 励磁电路额定电压:220V,额定电流:2A 由于本设计系统是采用减压调速,励磁不变,故励磁绕组采用单相桥式不控 整流电路供电,其励磁额定电压与电枢电压不同,需要另外寻找一个电源以满足 励磁电路的需要. 整流变压器的计算 ' U 2 = (1 ~ 1.2) ' 取 U 2 = 300V Ud 220 = (1 ~ 1.2) V = 272 ~ 326V Aε B 0.9 ×1× 0.9 第 9 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 按照计算电枢供电变压器容量的方法计算励
磁变压器的容量可得: K= U1 380 = = 1.267 ' U 2 300 I1 = 1.05 K I 1 I d / K = 1.05 × 1.11× 2 1.267 A = 1.84 A I 2 = K I 2 I d = 1.11× 2 A = 2.22 A S1 = U1 I1 = 380 × 1.84VA = 699.2VA S 2 = U 2 I 2 = 300 × 2.22VA = 666VA S= 1 1 ( S1 + S 2 ) = (699.2 + 666)VA = 682.6VA 2 2 所以励磁电路所需变压器的容量为 700VA. 励磁电路的整流二极管元件选择: ' U TN = (2 ~ 3)U m = (2 ~ 3) 2U 2 = 849 ~ 1273V IT ( AV ) 2 2 = (1.5 ~ 2) 2 A = 1.35 ~ 1.8 A = (1.5 ~ 2) 1.57 1.57 IL 取 U TN = 1300V , IT ( AV ) = 2 A 5 同步变压器同步变压器的选用: 触发电路所需容量 50 × 0.1VA = 5VA 给定电压所需容量 20 × 0.15VA = 3.0VA 指示装置所需容量 两只 1W 的指示灯容量约为 2VA 故而脉冲同步变压器的容量选用 10VA 比较合适. 6 平波电抗器在电力系统发生短路时,会产生数值很大的短路电流.如果不加以限制,要 保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的.因此,为了满足某些断路器遮 第 10 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 断容量的要求, 常在出线断路器处串联电抗器, 增大短路阻抗, 限制短路电流. 由于采用了电抗器,在发生短路时, 电抗器上的电压降较大,所以也起到了维持 母线电压水平的作用,使母线上的电压波动较小,保证了非故障线路上的用户电 气设备运行的稳定性. 平波电抗器电阻计算: RL = 0.01E 2 N / 3I 2 N = 0.006 按电流连续要求的电感量: L d = Kl 'Ur 2 / Id min 2( L DD + Lr ) = 1.72 mH 式中, Id min = 5% IdN = 15.25 A ,对于三相全控整流电路 Kl ' = 0.693 故平波电抗器电感选为 2mH. 7 晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理总图 FU R R R R V2 V1 ~50V R C R C V3 R V4 C C R? Res2 RV ~380V ~300V C? Cap M RPL ~300V L 第 11 页 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 课 程 设 计 报 告 用 纸 8 总结通过此课程设计,一方面使我对大学所学知识有了加深理解,另一方面让我 熟悉工程设计的过程,规范和方法,能正确查阅技术资料,技术手册和标准,培 养了我的工程设计能力.虽然在做课程设计的过程中遇到了很多困难,但都经过 我的执着努力和老师以及同学的帮助下全部克服,最终顺利完成了课程设计,同 时培养了我不怕困难,执着的科研精神. 9 参考资料 【1】 任彦硕,赵一丁,张家声编著, 《自动控制系统》 ,北京邮电大学出版社, 2006.3 【2】 林忠岳主编, 《现代电力电子应用技术》 ,科学出版社,2007.6 【3】 金海明,郑安平编著, 《电力电子技术》 ,北京邮电大学出版社,2006.3 【4】 张家生,王忠石,符永刚编著, 《电机原理与拖动基础》 ,北京邮电大学出 版社,2006.2 第 12 页