电磁调速电动机控制器

电磁调速电动机控制器Last revision on 21 December 2020

电力电子技术

课程设计报告

课题名称: 电磁调速电动机控制器

院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1301

学生姓名：学号：

指导教师：教师职称：

指导教师签字：年月日

1 概述

课题背景

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

国内外发展状况

YCT系列电磁调速电动机目前我国生产的YCT系列电磁调速电动机是全国统一设计的，取代JZT系列电动机的更新产品，是目前我国推广的节能产品之一。

YDCT系列电磁调速电动机是YCT系列电磁调速电动机的派生产品。它用YD系列

4/6极双速三相异步电动机作为拖动电动机，与JZT6、JZT7型换极式调速电动机控制器配套使用、可实现宽范围无级调速，并且随着转速的变化，交流异步电动机能自动进行4极和6极切换。

YCTD系列电磁调速电动机是风机、泵类专用的电磁调速电动机、由于JZT和YCT系列电磁调速电动机的电磁转差离合器均采用实心钢电枢结构，涡流电阻率高，因此转差率大，电动机运行效率较低。近年来，我国根据国外电磁调速电动机的发展趋势和英国教授提出的“低电阻端环电枢”和“电枢分层”理论，在YCT系列基础上，采用低电阻端环技术研制成功了YCTD系列风机、泵类专用电磁调速电动机。该系列产品最高输出转速高达原动机额定转速的95％左右，与YCT系列相比，效率提高10％以上，因而使调速节能和使用效果更加显着。

通过课程设计，一方面使我们对本课程所学内容加深理解，另一方面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，培养我们的工程设计能力。电力电子是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程，学习本课程，培养我们对物理概念与基本分析方法的学习能力，做到理论结合实际，尽量做到器件、电路、应用三者结合。在学习方法上也形成了对电路的相位与波形的分析习惯，抓住电力电子器件在电路中道通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作状况，培养了读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整及电路分析等方面的实践能力。

2设计任务及要求

本课题要求设计一个由晶闸管可控整流组成的调速控制器，完成电路原理图设计与主要电路元器件的分析、计算与选型。

具体设计内容如下：

1）晶闸管可控整流电路设计，包括电路原理图、晶闸管型号规格的选择、保护电路设计等；

2）触发控制电路设计；

3）其他相关电路设计。

原始资料

1）电磁调速电动机：YCT160－4B P n=3KW n n=1250~125r/min

出线端：励磁线圈：F1、F2测速发电机：U、V、W

2）控制器电源电压：交流220V 50Hz

控制器额定输出：直流90V 5A

调速范围：1420~100r∕min

稳速精度：≦1%

3）直流测速发电机：55CY61 n n=2000r∕min U n=110V

总体方案设计

在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理

U来移动触发脉冲的相位，即可改变图如图所示。它通过调节触发装置GT的控制电压

U，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶平均整流电压

闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，

该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

图1

主电路设计

如图所示，电路是由主电路、触发电路（电源电路、给定电路、放大电路、移相触发电路、转速负反馈电路等环节）组成。主电路是由220V交流电网直接供电的带续流二极管G2的单相半波可控整流电路。输入220V的交流，输出0-90V的直流，作为电磁调速异步电动机励磁绕组的直流供电。其自身的保护装置是用快速熔断器进行短路和负载保护，熔体可按晶闸管额定电流的1~倍选择，用硒堆或压敏电阻RV进行交流侧吸

收浪涌电压保护，用二极管BZ12对脉冲变压器TB的次变作续流保护，用续流二极管G2对晶闸管KZ电流过零的关闭保护，在主回路电源电压过零时，电动机励磁绕组的感应电动势可使晶闸管继续导通，发生失控。而加有续流二极管，励磁绕组的持续电流不

控制电路设计

整流电路时电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，本次设计的目的是实现用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。由于我所设计的是晶闸管整流电路，所以我的设计思路是采用三相桥式全控整流电路。晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机-发电机组等组成。本设计中，整流装置的主电路为三相桥式整流电路，控制回路可直接由给定的电压作为触发器的移相控制。三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角α，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对电动机进行控制。

三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角α，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对电动机进行控制。晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机-发电机组等组成。据三相桥式整流电路原理图，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1,VT3,VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4,VT6,VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源连接的3个晶闸管分别为VT1,VT3,VT5,共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4,VT6,VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。每个时刻均需要2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相得晶闸管。整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

图2

(1)晶闸管的额定电压:

U TN =(2~3)U m =(2~3)√6U 2=(2~3)√6×110V =539~808V

取U TN =1000V.

⑵晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TN I 大于实际流过管子电流最大有效值T I ，即

I TN =1.57I T (AV )>1.57I T （3-8）

I T (AV )>I T 1.57=I T 1.57I

d I d =KI d (3-9) 考虑2~5.1倍的裕量，367.0=K

A A KI I d AV T 4.48~3.3655367.0)2~5.1()2~5.1()(=??==，取A I AV T 50)(=。故选用型号为KP50—100晶闸管元件。

电子电路主电路的选择

整流器主电路联结形式的确定：整流器主电路联结形式多种多样，选择时应考虑以下情况：

（1）可供使用的电网电源相数及容量；

（2）传动装置的功率；

（3）.允许电压和电流脉动率；

（4）. 传动装置是否要求可逆运行，是否要求回馈制动；

本设计任务已规定采用晶闸管三相全控桥式整流电路，具有以下特点：

三相全控桥式计算系数

触发电路的设计

触发电路方案论证

(1）单结晶体管触发电路：脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差；移相范围一般小于180度，电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致，不付加放大环节。适用范围：可触发50A以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但在大电感负载中不易采用。

（2）正弦波同步触发电路：由于同步信号为正弦波，故受电网电压的波动及干扰影响大，实际移相范围只有150度左右。适用范围：不适用于电网电压波动较大的晶闸管装置中。

（3）锯齿波同步触发电路：它不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽，具有强触发，双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管。适用范围：在大众中容量晶闸管装置中得到广泛的应用。

(4)集成触发电路：移相范围小于180度，为保证触发脉冲的对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：应用于各种晶闸管。

根据晶闸管触发电路设计的任务和要求决定采用锯齿波同步触发电路的设计方案进行设计。本设计主电路为单相半控整流电路，选择的触发电路最好是能产生双脉冲的触发电路，所以我选择集成触发电路KJ004做为主电路的触发电路。集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路

触发电路 KJ004管脚图及说明

KJ004的管脚图如图所示。

图

KJ004管脚的说明如下表所示。

表 KJ004管脚说明

触发电路KJ004工作原理

KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。电路原理图如图所示。

如图所示KJ004的电路原理图，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1～V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。在uS的正半周，V1导通，电流途径为(+15V－R3－VD1－V1－地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―(―

15V))。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|＜时，V1～V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。

电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15V－R6－C1－R22－RP1－(－15V))对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。

V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6>+时，V6导通。设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。

V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源

+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6

直流侧保护采用与交流侧保护相同的方法，采用阻容保护。如图所示。

总结

通过本次课程设计，使我理论联系了实际，把课堂上学到的知识，运用在我们的实际生活当中，不仅培养了我们的科学严谨的学习态度，使我们认识到不管做任何事都要付出一定的努力，才会有大的收获。同时也让我们领略到电力电子技术科学知识领域的广袤。相信这次课程设计过后,我们的理论水平和实践动手能力提供帮助，也为今后的实践课程打下了坚实的基础。

本次课程设计能基本完成题目要求，实现电磁调速电动机控制器的设计。通过本次课程设计，增强了我在专业设计方面的能力，同时也培养了我对电力电子的学习的兴趣。我感觉学习电力电子就是要多实践，老师领我们进入电力电子的世界，精通它就得靠我们自己，那就需要多实际操作，将自己所学知识灵活运用到实际生活当中。

在进行课程设计的过程中，这次的课程设计也遇到了很多问题，通过查阅资料和求助同学都顺利的克服了。使我更加明白了只有理论与实践相结合，知识才能得到进一步掌握。

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