电力电子技术合集

直流电机调速电路的设计一．课程设计的目的：通过本课程的学习，学生应具备以下能力：交、直流电路分析计算测量能力；电子线路的分析与应用能力；电子器件的应用能力；常用仪器仪表的使用能力等。

同时培养学生严谨的科学作风，为后续专业课的学习和从事工程技术工作奠定坚实的理论和实践基础。

二．设计方案论证：1．思路：电磁调速异步电动机又称滑差电机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机。

由于它具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈的自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点。

直流电动机的调速是由电磁调速异步电动机的调速控制。

电磁异步电动机主要是由主电路，控制电路和保护电路等几大部分组成，改变触发角，改变直流电压，达到调速的目的。

2．设计方法：电磁调速异步电动机结构与工作原理电磁调速异步电动机是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。

异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。

，图2－19是其结构示意图。

它包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。

电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分；磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。

主动部分和从动部分在机械上无任何联系。

当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。

此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁极便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线。

磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别，所不同的是：异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁滑差离合器的磁场则由励磁线圈中的直流电流产生，并由于电枢旋转才起到旋转磁场的作用。

电磁滑差离合器基本结构示意图1-原动机2-工作气隙3-主轴4-输出轴5-磁极6-电枢电磁滑差离合器的机械特性可近似地用下列经验公式表示：n=n0-KT2/I4f式中：n0－离合器主动部分（鼠笼电动机）的转速；n－离合器从动部分（磁极）的转速；If－励磁电流；K－与离合器结构有关的系数；T－离合器的电磁转矩。

当稳定运行时，负载转矩与离合器的电磁转矩相等。

由上述公式可知：（1）当负载一定时，励磁电流If的大小决定从动部分转速的高低，励磁电流愈大，转速愈高；反之，励磁电流愈小，转速根据这一特性，可以利用电气控制电路非常方便地调节从动部分的转速。

（2）当励磁电流一定时，从动部分转速将随着负载转矩增加而急剧降低，并且这种下降在弱励磁电流的情况下更加严重，如图2-20a所示，它具有较软的机械特性，这种软的机械特性在许多情况下，不能满足生产机械的要求。

为了获得范围较广，平滑而稳定的的调速特性，通常采用速度负反馈的措施，使电磁滑差离合器具有如图2-20b所示的硬机械特性。

图2 电磁调速异步电动机机械特性曲线图2为带有速度负反馈的电磁调速异步电动机原理框图。

它是利用测速发电机把离合器的输出速度n换成交流电压U－，再经整流器变成直流电压U－。

将U－送入比较元件，与给定直流励磁电压Uf进行比较。

得电压差△Uf－U－。

所以输入离合器的励磁电流If不是正比于励磁电压Uf，而是正比于电压△由于U～（U－）的大小与转速n有关，n增大，U～（U－）变大。

n减小，U～（U－）变小。

因此，在给定直流励磁电压Uf有变情况下，输入的励磁电流If的大小与转速n有关，即随着n的下降或上升，励磁电流If将自动增加或减小，由于负反馈的作用，提高了电磁离合器机械特性的硬度，这时调速的参数不再是电流If将自动增加或减小，由于负反馈的作用，提高了电磁离合器机械特性的硬度，这时调速的参数不再是电流If而是电压Uf。

显然，给定励磁电压Uf愈高，则转速n愈高；反之则转速愈低，如图2-20b所示从图中可以看出：在空载或轻载（小于10％额定转矩）时，由于反馈量不足，会造成失控现象，此外，在调速时，随着转速降低，离合器的输出功率和效率也相应地按比例下降电磁调速异步电动机的调速。

由电磁调速异步电动机的工作原理知，电磁调速异步电动机的速度调节，可通过调节滑差离合器的励磁电流来实现。

下面介绍两种调节滑差离合器励磁电流的电路。

（1）用调压器调速。

在图2－22中，是用调压变压器来改变励磁电流的整流器电源电压，以达到调速的目的。

在此系统中，没有速度负反馈，电机的机械特性较软，一般可用于要求不高的调速差系统中。

例如，制铜锌版使用的无粉腐蚀机，胶印制版的烘版机等。

用调压变压器控制的调速电路由于这种控制线路结构简单，便于维护，所以在印刷机构中仍有实用意义在图2－22中，TC是单机调压变压器，电压220V，次级电压为0－250V。

整流元件是2CZ型硅二极管，型号的选择应根据离合励磁线圈的功率或电流来确定。

从电路图可看出，只要改变调压变压器的次级电压，就能改变整流输出直流电压，即改变滑差离合器励磁电流，这样就能调节电机的转速。

（2）速度负反馈电磁调速异步电动机控制电路。

现在广泛采用具有速度负反馈的滑差离合器的控制装置，来实现宽范围无级调速，它比起其它调速电动机来说，具有以下主要优点：①交流无级调速，机械特性硬度较高；②结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉；③调速范围大，用在像印刷机这样的恒转矩负载时，一般可达10：1，有特殊要求（如轮转机）时亦可达50：1；④可调节转矩。

在现代化的联合轮转机中，都应用了自动化的纸张拉紧机械，它可以达到随着卷筒纸直径的变化，调节离合器的转矩经保持拉力不变。

下面以ZLK－10型调速装置为例，说明电磁调速异步电动机的调速线路的组成及其工作原理。

图3为ZLK－10自动调速系统的方框图，由图可知，它由给定电压、速度负反馈、放大器、触发电路、可控硅(晶闸管）整流等环节组成，图2－24是其原理图。

下面对它的基本环节进行分析。

图3 ZLK－10自动调速系统的基本组成①给定电压环节。

给定电压环节起始于变压器TC副边5端、6端间的绕组。

24V的交流电压经VD2、整流并经C2、R2、C3滤波和VZ稳压，得到16V 的直流电压。

最后由R5和RP4“定速”档的转速。

“运转”、“定速”由中间继电器KA3控制。

②转速反馈环节。

ZLK－10自动调速系统是采用三相交流测速发电机BR对转速进行采样。

所得交流经VD8－VD13整流和C8、R13、RP2、RP3滤液后，得到反馈电压，经过R8传至放大器的输入端。

由于不同测速发电机灵敏度之间存在差异，所以采用RP2对反馈电压进行调节。

转速表PV的刻度值依靠RP3调节。

电容器C7用于减轻反馈电压的脉动，有利于调速系统动态稳定性的提高。

③放大器。

放大器是以晶体管V2为核心组成。

二极管VD4、VD5、VD6用作双向限幅保护，以避免V2的发射结承受过高的电压。

给定电压与转速反馈电压通过电阻R6、R7和R8进行组合，形成输入信号，其值正比于上述两个电压之差。

这个差值经V2放大后可影响V2的集电极电位，对单结晶体管触发脉冲形成电路进行控制。

④触发电路。

单结晶体管触发电路的电源是由V1、VD3、R4与变压器TC 的6、7绕组组成。

TC的6、7端输出3V交流电压，当为负半周期时，V1截止，V1集射极间电压为16V，如图2-25b所示；当7．6端输出为正半周期时，经VD3整流后加到V1的集射极上使V1饱和导通，Vcel=0，放大器与触发电路不能工作，如图2-25b所示。

由V3和R11组成的恒流源，再加上电容器C6，能产生锯齿波用作移相，如图2-25c所示。

其原理是这样的：设V3和R11恒流源的恒定电源是I0，恒定电流向C6充电，Uc6=1/C6∫t0Iodt，使C6上的电压上升，当上升到单结管VU的由V3和R11组成的恒流源，再加上电容器C6，能产生锯齿波用作移相，如图2-25c 所示。

其原理是这样的：设V3和R11恒流源的恒定电源是I0，恒定电流向C6充电，Uc6=1/C6∫t0Iodt，使C6上的电压上升，当上当上升到单结管VU的发提前，导通角增大，导致励磁电压增大，同理V2的输入电压减小时，I0减小，导致导通角减小，励磁电压减小。

可见输入电压的大小可以控制可控硅的触发时刻。

触发器最终在VU的第一基极通过脉冲变压器TV输给晶闸管的控制极。

二极管VD7用以短路负脉冲，防止可控硅因控制极出现负脉冲而击穿。

⑤可控硅整流电路。

该系统采用可控硅单相半波整流电路，波形如图2－25e 所示。

整流电路的输出控制转差离合器的励磁线圈来产生励磁电流并最终影响电机的转速。

图中R1、C1和热敏电阻RV均对可控硅有过压保护作用。

VD1为续流二极管，其作用是，正半周时由于可控硅导通而使离合器工作；负半周时可控硅不导通，励磁线圈产生的反向电动势可经过VD1形成放电回路，使线圈中的电流连续，从而使离合器工作稳定。

主电路采用可控硅半波整流电路，D1为续流二极管，由于电磁转差离合器激磁线圈是一个电感性负载,故D1起到了使工作电流连续的作用.Rv是压敏电阻，用来抵制交流侧浪涌过电压。

RD是熔断器，用于主电路过电流保护。

R1和C1与可控硅并联组成阻容吸收保护电路，作元件KP的过压保护。

给定电路该电路由变压器B、整流电路、滤波电路和稳压电路等组成。

变压器B输出交流电压（40V）作为给定电路的输入电压，该电压经D6～D9桥式整流，再经由C3、R7、C4组成的RC滤波器变为较平直的直流电压。

在滤波电路之后引入了由稳压管DW3、DW4以及电阻R7组成的稳压电路。

电位器W1的滑动端输出的直流电压是根据负载转速要求而设定的基准电压即给定电压，调节W1可调节给定电压的大小，从而控制系统的设定转速测速反馈电路其工作原理如下。

测速发电机F输出三相中频电压到控制器的D11～D16进行三相桥式整流、再经电容器C5滤波，基输出的反馈电压信号加到电位器W2两端，最后由中心抽头对信号进行取样或调节。

该电压信号随电磁转差离合器的转速变化成线性变化，作为速度反馈信号与给定信号相比较其差值进入前置放大器放大，放大器的输出信号的极性与给定电压信号极性相反，起负反馈作用。

电位器W3为转速表n校正用，电容器C6为加速电容，起稳定转速的作用。

触发电路它采用单结晶体管触发电路，其电路简单，工作稳定可靠，温度补偿性能好，受温度影响较小，调校方便，移相范围能达到160度左右。

其工作同步电压的形成如下。

变压器B输出交流电压55V给D2～D5四个二极管进行整流，其整流输出经过限流电阻R2，再由DW1和DW2对整流波形进行削波，其输出电压作为触发电路的同步电源。

由于变压器B的原边和主电路在同一电源上，所以，当主电路过零点时，同步电路也过零点，这样就可以保证在每一半波开始时，电容C2两端的电压也为零，使得电容器C2的起始充电时间固定，起到了同步作用。