4kw以下直流电动机的不可逆调速系统课程设计要点
设计任务书
一．题目：
4kw 以下直流电动机不可逆调速系统设计
二．基本参数：
三．设计性能要求：
调速范围D=10静差率s < 10%制动迅速平稳 四．设计任务：
五．参考资料：
1.
设计合适的控制方案。 2. 画出电路原理图，最好用计算机画图（号图纸） 3. 计算各主要元件的参数，并正确选择元器件。 4. 写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。 5. 列出元件明细表附在说明书的后面。
直流电动机：额定功率
Pn=1.1kW 额定电压 Un=110V 额定电流 In=13A 转速 Nn=1500r/min 电枢电阻 Ra=1Q 极数 2p=2 励磁电压 Uex=110V
电流 Iex=0.8A
电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都米用直流电动机。
而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛,
其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。
他通常采用三相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速, 传统的控制系统采用模拟元件，比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。
虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化
由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正
学生：张洪海
年 4 月 29 日
五、 1.1kw 直流调速系统电气原理总图 六、元气件明细表 七、结 论 八、致谢 九、参考文献
2008
一、系统整体方案的确定
1.1 、开环控制系统
1.2 、闭环调速控制系统的确定 1.3
、带电流截止负反馈闭环控制系统
二、主电路方案的选择及计算
2.1
、调速系统方案的选择
2.2 、主电路的计算
三、触发电路的选择及计算
3.1 、触发电路的选择、设计 3.2
、触发电路的计算
四、继电器—接触器控制电路设计
4.1 、设计思路 4.2 、控制电路图
4.3
、电机制动的选择及其计算
4.4
、控制电器的选择
设计说明书
、系统整体方案的确定
电动机是将电能转化为机械能的一种有利工具，根据电动机供电方式
的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。由于课题要求和技术需要，所以我选择直流电动机作为分析对象。
1.1、开环控制系统
在开环控制系统中，控制信息只能单方向传递，没有反向作用，输入
信号通过控制装置作用于被控对象，而被控对象的输出对输入没影响，也就是说：系统的输入量与输出量之间只有顺向作用，而没反向联系。
图1-1开环系统框图
由上图可以看出，Ug通过放大器、触发装置和整流装置实现对电动机
转速n的控制。要求一定的给定电压Ug对应于一定的装速n，但由于电动
机的转速n 要受到轴上负载、电动机磁场、整流装置的交流电源电压等的 影响，故不可能完全达到 Ug 的相对要求，因此可知，直流电动机开环控制
系统极其不稳定，且控制精度差，抗干扰能力弱。所以，要求实现转速稳 定，满足高精度的设计要求，必须采用闭环控制系统。
1.2、闭环调速控制系统的确定
如果对上述开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用
节器，就既保证了动态性，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统 的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触 来自动增大或减小触发角 a 来自动调节整流输出电压 Uds,即可达
到稳定:
电源
图1-2 单闭环转速负反馈系统框图
但我们知道，一是直流电动机全压启动时会产生很大的冲击电流。我
们知道，采用转速负反馈的闭环调速系统突加给定电压时，由于系统机械 惯性的作用，转速不可能立即建立起来，因此转速反馈电压仍为零，这时，
PI 调
发环节， 触发电路
a —
? 整流电路
电机转速
转速反馈
加在调速器上的输入偏差电压 △ U=Ugn ,差不多是其稳压工作值的（1+K ） 倍。由于调节器和触发整流装置的惯性都很小，因此，整流电压 达到它的最高值。这对
于电机来讲，相当于全压启动，其启动电流高达额 定值的几十倍，可使系统中的过流保护装置立即动作，使系统跳闸，系统 无法进入正常工作。另外，由于电流和电流上升率过大，对电动机换向不 利，对晶闸管元件的安全来说也是不允许的。因此，必须采取措施限制系 统启动时的冲击电流。
二是有些生产机械的电动机在运行时可能会遇到堵转情况。 例如由于 故障，机械轴被卡住，或者遇到过大负载，像挖土机工作时遇到坚硬的石 头那样。在这种情况下，由于闭环系统静态特性很硬，若无限流环节，电 枢电流也会与启动时一样，将远远超过允许值。
图1-3 （ a ）带电流截止负反馈环节
为了解决转速负反馈调速系统启动和堵转时电流过大问题， 系统中必
须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持某一量基本不 变，就应当引入该物理量的负反馈。现引入电枢电流负反馈，则应当能够 保持电流基本不变，使其不超过最大允许值。但是，这种作用只应在启动
和度转是存在， 在正常运行时又必须取消， 以使电流随负载的变化而变化。
1.3 、带电流截止负反馈闭环控制系统
对于转速单闭环调速系统，我们要用一台测速发电机来进行测速，然后再
反馈给给定，它属于被调量的负反馈，是真正的“反馈控制” ，具有反馈控制规
步看，反馈控制对一切包在反馈环内，前向通道上的扰动都有抑制 作用。例如，
交流电源电压的波动， 电动机励磁电流的变化， 放大器系数的漂移， 温度变化
Ud 立即
律，并且进 Id n
引起电阻变化等。
但是测速发电机的选择、安装都是比较严格的。交流测速发电机具有结构简单、无电刷接触、工作可靠和维修方便等优点。但用在直流控制系统中，还需要经整流变换，故使反馈信号的准确度受到影响，同时测速发电机的负载电流也不能过大，否则电枢反应会影响到测量精度。且对于电动机和测速发电机的转速也应相适应，否则还需要经齿轮变速啮合，而齿轮间隙又会引入新的矛盾。若同轴安装，则同轴度要求较高。再者测速发电机价格都比较昂贵。
基于以上原因我们以电压负反馈为主，电流补偿控制为辅的调速系统来代
替转速发电机完成转速负反馈的工作。
根据直流电动机电枢平衡方程式Ud=IdRa+Cen 可知，如果忽略电枢电阻压降，则电动机的转速近似与电枢两端电压Ud 成正比，所以用电动机电枢电压反馈取代转速负反馈，以维持端电压基本不变，构成电压反馈调速系统。但是这种系统对电机电枢电阻压降引起的稳态速降，不能靠电压负反馈作用加以抑制，因而系统稳态性能较差。为了弥补这一不足，在电压负反馈的基础上再引入电流正反馈，以补偿电动机电枢压降引起的稳态速降
当Id wilj 时，电流负反馈被截止，系统静态特性方程为:
当Id>Ilj 时，电流负反馈起作用，其静差特性方程为:
N=KpKs U g^_^pK^(Rs|^Ugn^
RId
Ce(1 + K) Ce(1 + K)
应于电流负反馈被截止的情况，它是转速负反馈调速系统本身的静态特性，
显然比较硬。图中A ?B 段特性对于电流负反馈起作用的情况， 特性补角软， 呈急剧下降状态。
①当系统堵转时，由于n=0，所以:
N=K P K
逊 _锂匚=口0-5
Ce(1+ K) Ce(1+ K)
Ce(1 + K)
根据上述特性，可画出系统的静态特性图如下。图中
n0?A 段特性对 Uf
Ugn
图1-4 带电流截止负反馈调速系统框图
由上图静态框图可知：
1-5 单闭环直流调速系统的特静态曲线图
② 从静态特性工作段no ?A 上看，希望系统有足够的运行范围，
回路与控制回路实行电气隔离，以保证人身和设备的安全。由于时 间和能力的有限，所以在此只对这一种系统加以研究。
二、主电路
2.1、调速系统方案的选择
主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对
他们的要求主要是安全可靠，因此在部件容量的选择上、在经
Ugn+Ubj — Rs
（入=1.5 ?2）
一般取llj
1.2lde ,即 所以：
llj= U R j
M.2led
Rs
Ugn
- led - llj 兰（1.2 + A ）led Rs 在系统中 也可以采用电流互感器来检测主回路的电流，从而将主
I
济和体积相差不太多的情况下，尽可能选用大一些的，并在保护环节上对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计，并采取相应的保措施，配备必要的报警、显示、自动跳闸线路，以确保主线路安全可靠的要求。
①直流电动机的选择
对于本调速系统，虽然电动机的额定功率不是特别的大，属于小
功率调速系统，但设计要求对系统的静态和动态指标要求都比较高，所以我们应使电流的脉动小，故选用无噪声、无摩损、响应快、体积
小、重量轻、投资省，而且工作可靠、功耗小、效率高的全控桥整流其供电质量，电压稳定性好，我们采用三相减压变压器将电源电压
电路作为供电方案给电动机供电。电动机的额定电压为110V,为保证(220V)降低为110伏电压。由于电动机的额定数据已给出，且工作条件无特殊要求，故选用Z3—33 他励直流电动机。
②电动机供电方案的选择与变流机组相比，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、功率小、效率高，因此采用晶闸管可控整流装置供电。
由于电动机功率小 (仅1.1kw )，故选用单相整流电路。又因是不可逆
系统，所以可选用单相桥式半控整流电路供电。为省去续流二极管，可采用晶闸管在一侧的方案。
又因为对输出电流的脉冲没有提出要求，故不加电抗器。
对于小功率直流调速系统一般均用减压调速方案，磁通不变，因此励
磁绕组可采用单相不控整流电路供电。为保证先加励磁电源，后加电枢电
压的原则，以及防止运动过程中因励磁消失而造成转速过高的现象，在励
磁回路中应有弱磁保护环节。
③触发电路的选择
因电动机容量小，晶闸管不会超过 50A,故可选用电路简单，成本低
的单结晶体管触发电路。为实现自动控制，且要同时触发两只阴极不接在 起的晶闸管，可采用由晶体管代替可变电阻的单结晶体管触发电路，用 具有两个二次绕组的脉冲变压器输出的脉冲。
④反馈方式的选择
反馈方式选择原则应是在满足调速指标要求的前提下，选择最简单
的反馈方案。本设计中调速指标要求，
D=10, s=10%由式
D=Sn/ △ n ( 1-s )
可以得出:
A
n
N
S
/ 150091
,.
也
------ 兰 ---------------- r / min = 16.7r
/m i n
nN
D(1-s) 1^ 0.9 采用电压反馈方案时，可得
R i 江
—
__ ） ____
1 + R a
1
n
N C
e ①（1 + K ）
I d
C e
① 1
'
Ce @为电动系数，由给出数据可以算出：
C ee=U N-
|N
R a
=llj^T.065
5
一 1500
n N
R
a
1
I
d =
-- X 13r / min = 200r /
min
C ①1 d 0.06
已远远大于调速指标要求的16.7r/min ，因此，必须再加上电流 反馈来补偿它，故最后确定采用电压负反馈及电流正反馈的调速
电压比
K=U1/U2=220/155=1.42
方案。为了能实现高速启动，还必须加上电流截止环节。
2.1、主电路的计算
整流变压器的计算，如下图所示：
(1?1.2)—110V
— - 149.2 ~162V
0.9 咒 0.9 咒 1 U2=155V
U1
I 2
图2-1晶闸管整流图
①U2的计算。从下式：
U^(1~1-2)
A B
由元器件特性可查出
A=0.9
B=1 取 ￡ =0.9 则
V
V
ZK
②一次电流
I 1和二次电流|2的计算
由元件的自身特性可知
K I1
=K I2=1.11
则 S1=U1I1=(220 X 10.7)VA=2354VA
S2=U2I2=(155 X 14.4)VA=2232VA S=1/2(S1+S2)=1/2(2354+2232)kVA=2.3KVA
三、 触 发 电 路 的 选 择 及 计 算
3.1 、 触发电路的选择于设计
各类电力电子器件的门 （ 栅） 极控制电路都应提供符合器件要求
的触发电压与电流 , 对于全控器件还应提供符合一定要求的
, 管子触发导通后门极即失去控制作用 , 为了减少门
极损耗与确保触发时刻的准确性，门极电压、电流大都采用脉冲形式
触发电路是晶闸管装置中的重要部分 中 流 量的 晶闸 管， 为了 把其 触 发 具 有足
够的 功 率 ，往 往 采 用 由 晶 体 管 组 成 的 触 发 电 路 。同
步 电 压 为 锯 齿 波 的 触 发 电路就是其中之一，该 电路不受电网
波动和波形畸变的影 响，移向范围宽，应用广泛。
锯齿波同步触发电路 , 具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节 . 锯
齿波移相克服了正弦波移相的缺点 , 电路抗干扰、抗电网波动性能好 调节范围宽 , 目前在大容量中得到广泛应用 . 锯齿波移相触发电路也由 同步移相与脉冲形成放大两部分
关断脉冲 .
对于大、
VD,
-M .
I ② ；T
tzi-O-15 V I —
匚珂MG
V
（■去前相）（来自扁相）
据雄遽聊成、同步琴植揑制坏节 -脉冲昭成，整羽赦大、输出环节
图3-7同步电压为裁齿波的触侵电淹
1、锯齿波形成、同步移相控制环节
要使触发脉冲与主回路电源同步，必须使V2开关的频率与主
回路电源频率大到同步。同步变压器和整流变压器接在同电源上， 用同步变压器来控制V2的通断。
同步变压器二次电压间接V2的基级上，当二次电压为负半轴
的下降段时5，VD1导通，电容C1被迅速充电，因下段为参考点， 所以②点为负电压，V2截止。在二次电压负半轴的上升段，由于 电容C1已冲至负半轴的最大值，所以VD1截止，+15V 通过R1给 电容C1反向充电，当②点电位上升至于1.4V 时，V2导通，②点 电位被钳住在1.4V 。由此对应锯齿波恰好是一个周期，与主回路 电源频率完全一致，达到同步的目的。
□—-—
+ 15 V
PI
；
｛阳
V1
)Fi
+
X -S VD
I ?1 * 十2 V
LL 町竿二 k 气 I ■
VD, I L_J
j
40 v2 $30 V I ——U ---------
④用
VD,
i A
整封锁信号
其中晶体管V3为射基跟随器，起阻抗变相和前后级隔离作
用，以减小后级对锯齿波的影响。当V2截止时，由V1管Vs稳牙
级管R3、R4组成的恒流源以恒流Ic1对C2充电，C2两端电压
Uc2 为:
c1d^C2t
Uc2=C2^'
Uc2随时间t线性增长，I%2为充电斜率，调节R3可改变
Ic1，从而来调节锯齿波斜率。
当V2导通时，因R5阻值小，电容c2经R5，V2管迅速放电
到0，所以，为了减小锯齿波与控制电压Uc、偏移电压Ub之间的影响、锯齿波电压Uc2经射级跟随器输出。
2、脉冲的形成、整形放大与输出
如图所示，脉冲形成环节有晶体管V4,V5,V6组成；放大和输出环
节有V7,V8组成；同步移相电压加在晶体管V4的基极，触发脉冲由脉冲
变压器二次侧输出。
当V4的基极电位Ub4v0.7v时，V4
截止时，V5,V6分别经R14,R13提供足够的基极电流使之饱和导通，因此6 点电位为-13.7V （二极管正向压降按0.7v，晶体管饱和压降按0.3v计算），
V7,V8处于截止，脉冲变压器无电流流过，二次侧无触发脉冲输出。此时
电容C3充电。充电回路：由电源+15端经R11f V5发射结f V6f VD4^电
源-15v端。C3充电电压为28.3V，极性为左正又负。
当Ub4=0.7v, V4导通，4点电位由+15v迅速降低至1v左右，由于
电容C3两端电压不能突变，使V5的
基极电位5 点跟着突降到-23.7v ，导致V5截止，它的集电极电压升至2.1
V，于是V7,V8导通，脉冲变压器输
出脉冲，与此同时，电容V5由15
经R14, VD3,V4放电后又反向充电，
使5 点电位逐渐升高，有转为导通，使6点电位2.1v 又降为-13.7v ，迫使
V7,V8 截止，输出脉冲结束。由以上分析可知，输出脉冲产生的时刻是V4开始导通的瞬间，也是V5
转为截止的瞬间。
V5截止的持续时间即为输出
脉冲的宽度，所以脉冲宽度由C3
反向充电的时间系数( T3=C3R14)
来决定，输出窄脉冲时，脉宽通常为1ms（即18' ）.R16,R17 分别为V7,V8的限流电阻，VD6可以
提高V7,V8的导通阀值，增强抗干扰能力，电容C5用于改善输出脉冲的前
沿陡度，VD7是为了防止V7, V8截止时脉冲变压器一次侧的感应电动势与
电压叠加造成V8的击穿，脉冲变压器二次侧所接的VD8,VD9,是为了保证输
出脉冲只能正向加在晶闸管的门极和阴极两端。
3、双脉冲形成环节
三相桥式全控整流电路要求触发脉冲为双脉冲，相邻两个脉冲间隔为600，该电路可以实现双脉冲输出。应当注意的是，使用这种触发电路的晶闸管装置，三相电源的相序接反了，装置将不能正常的工作。
4、强触发及脉冲封锁环节
在晶闸管事、并联使用或桥式全控整流电路中，为了保证被触
发的晶闸管被触发的晶闸管同时导通。可采用输出幅值高、前言陡的强触发电路。
变压器二次侧30V电压经桥式整流、电容和电阻n形滤波，得
近似50V的直流电压。当V8导通时，C6经过脉冲变压器、R17( C5)、
V8迅速放电。由于放电回路电阻较小，电容C6两端电压衰减很快，
N点电位迅速下降。当N点电位稍低于15V时，二级管VD10由截
止变为导通。电路中的脉冲封锁信号为零电位或负电位，是通过
VD5加到V5集电极的。当封锁信号接入时，晶体管V7、V8就不能
导通，触发脉冲无法输出。进行脉冲封锁，一般用于事故情况或者是无环流的可逆系统。二级管VD5的作用是防止封锁信号接地时，经V5、V6和VD4到-15V之间产生大电流通路。
5、脉冲放大环节
脉冲形成放大输出环节。当V4截止时，V5、V6管饱和导通，⑥
点电位约为-13.7V , V7、V8管截止，此时电容C3经R11、C3C5发射结、
V6、VD4充电至接近30V。当同步移相控制使V4管转为饱和导通时，④
点电位从15V突降为1V，因C3两端电压不能突变，⑤点电位也突降至
-27.3V，使V5截止、V7、V8立即饱和导通，输出触发脉冲。与此同时，
电容C3由+15V经R14、VD3、V4放电与反向充电，当⑤点电位升到-13.3V
时。V5发射结家正压又复导通，是⑥点电位从 2.1V降为-13.7V，迫使V7、
V8截止，输出脉冲终止。V5截止持续时间即为输出脉宽，由时间常数
t3?C3R1决定，在窄脉冲时，通常调整脉宽为1ms。
3.2、触发电路的计算
1、晶闸管的选择:
选择晶闸管元件主要根据晶闸管在整流装置的工作条件下，正确确定晶闸管型号规格，使能得到满意的技术效果。
① 晶闸管额定电流的计算原则是必须使管子的额定电流有效值
ITe=1.57IT(AV) > IT(实际流过管子电流的最大有效值)，对于不同的电路型
式、不同控制角、不同性质负载时，流过晶闸管电流的波形系数KfT=IT/IdT
和流过晶闸管的平均电流与负载平均电流之比，都可通过数学方法求得，因此: U T^（2~3）U m（2 ?3）血U 2 =（2?0R155V = 438~ 658V 取U TN
=6OOV
未接电抗器的负载，负载性质介于电阻与电感负载之间，为了晶闸
管工作可靠，按电阻负载选择系数K。查表可以得出K=0.5 ,按最大负载电流
ldm=1.2ld计算，则
I T（A V）=（1.5 ?2）K I db= （1.5 ?2尸0.5 咒1.2X13A=
11.7~15.6A 取I T（AV）=20A,故选KP20-6晶闸管元件.
根据不同的电路，不同的控制角与负载性质，已知 Id 值就可以确定晶 闸管的额定电流。
② 由于晶闸管电流过载能力很差，在电机负载时，最大输出电流要考 虑启动电流过载倍数与电机允许的过载能力。考虑了上述因素之后，晶闸 管的额定电流还要比查表计算值大 1.5—2 倍。晶闸管额定电压必须大于元
件在电路中实际承受的最大电压。考虑电源电压的波动与抑制后的过电压，
考虑电网电压10%的波动取2倍余量，晶闸管电压 UaM 为:
UaM>2X 1.1 XX U2=59选用 800V 元件
晶闸管电流 IT(AV) >(1.5?2)
X 0.367ld,
IT(AV) >2X 0.367 X 18=13.2A 用 20A 元件
由以上计算结果可知 ,应选用 KP 20 型普通晶闸管
2、晶闸管的保护
晶闸管元件有许多优点，但与其他电气设备相比，由于元件的击穿电
压角接近运行电压，热时间常数小，因此过电压、过电流能力差，短时间 的过电压、过电流都可能造成元件的损坏。为了使晶闸管能正常的工作而 不损坏，
常靠合理选择元件还不行，还要十分重视保护环节，以防不测。因此 在晶闸管装置中，必须采取适当的保护措施，研究晶闸管的保护问题，主 要就是研究过电流、过电压产生的原因与特性，采取有效措施，保护晶闸 管元件不受损坏，使装置能正常工作
1）交流侧过电压保护
① 阻容保护 由下列各式可得
S 2300
C Jem [ [ 2 =6 X 12 X 2 uF=6.9uF
U 2 155
耐压二 1.5U m =1.5 X V 2 155V=328V
选6.8uF,耐压400V , CJ31金属化纸介电容器
U ； f U T
155
2
fT
R
浓3
W 〈匸=2.3
230^V^ Q =13
.9
Q
晶闸管的额定电压必须大于线路实际承受最大电压的
2— 3 倍。
取R=15Q
I C=2C=2506.8155A=0.33A
f 2 2
P R- (3~4) I (3~ 4^ 0 33^ 25W = 4.9 ~ 6.5W
可选15, 5W金属膜电阻
②压敏电阻的选择由下式得
U 1m A = 1.3J2U = 1.3滅減155V 二285V ,取。通流量可取5KA, 故选取MY31-330/5的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。
3、直流侧过压保护
对于这种瞬时过电压，最常用的方法是在晶闸管的两端并联电容，利用电容两端电压瞬时不能突变的特性，吸收瞬时过电压，把他限制在允许
的范围内。使用时在电容电路中串联电阻R称为过电压阻容吸收电路。
由下式可得
U 1mA= （1.8 ?2）U DC =（1.8 ?2）X 110V = 198~
220V
4、晶闸管及整流二极管两端的过电压保护
晶闸管从导通到阻断时，和开关断开电路一样，线路电感（主要是变压器漏感）释放能量产生过电压。由于晶闸管在导通期间载流子充满元件