湖 南 铁 道 职 业 技 术 学 院

湖 南 铁 道 职 业 技 术 学 院

2013 届 毕 业 生 论 文

课题： 2.2KW—5KW钢轨圆盘锯切机专用

不可逆直流调速装置

年 级： 二〇一〇级

申请级别： 大 专

专 业： 电 机 电 器

指导老师： 王 志 伟

姓 名： 卓 春 来

二〇一三年九月

目 录

摘要………………………………4

第一章：引言

1.1：课题研究背景……………………………8

1.2：交流电与直流电的互变…………………9

1.3：交流电机与直流电机……………………15

第二章：正文

2.1：设计目的与内容……………………………18

2.2：调速系统的方案选择……………………….19

2.2.1：电动机供电方案的选择………………..19

2.2.2: 触发电路的选择………………………..20

2.3：反馈方式的选择…………………………….20

2.4：直流调速系统…………………………….....21 2.5：主电路计算………………………………………

2.5.1:整流变压器计算………………………………

2.5.2: 晶闸管元件选择……………………………..

2.5.3: 晶闸管保护环节的计算…………………….

2.5.4: 励磁电路的选择…………………………….

第三章：设计图纸......................................................

第四章：结束语……………………………………..

第五章：附录………………………………………..

5.1：图表………………………………………...

5.2：材料清单…………………………………..

5.3：参考文献…………………………………..

摘 要

第一章：引言

1.1．课题研究背景

现今铁路在高速发展，对于轨道要求也随之越来越来高，在轨道交通无缝焊接上更是精确，而轨道交通无缝焊接又离不开钢轨裁切，这使2.2KW-5KW不可逆直流电机驱动的钢轨圆盘锯切机成为钢轨焊接时切割钢轨焊头的专用工具，在铁路工务中大量使用，这就不得不使人们重视2.2KW-5KW不可逆直流电机驱动的钢轨圆盘锯切机的质量问题，因为根据钢轨材质不同，需要选择不同的圆盘锯转速，以达到提高锯切钢轨工效，延长钢轨圆盘锯片寿命的目的。但无论国产还是进口的钢轨圆盘锯切机直流调速装置，其可靠性一直比较低，稳定性不好。使得人们想到自己组装2.2KW-5KW不可逆直流电机驱动的钢轨圆盘锯切机，而前提条件便是要设计好电路，因为直流调速电机是这种钢轨圆盘锯切机的核心，通过调节直流电流的大小达到控制转速的目的，这就可以利用尽可能少、市场上易于采购的元器件搭建出可靠性较高的钢轨圆盘锯切机直流调速装置，通过以上操作后制成的2.2KW-5KW不可逆直流电机驱动的钢轨圆盘锯切机会给铁路工人带来很多方便，也达到了一定的节能效果，这就避免了在铁路线路施工上因为钢轨过长带来的各种问题，也就提高了铁路线路施工的效益，同时也给无缝焊接带来了便宜，让铁路得到了发展，以短的时间创造更好的效益，提高了铁路线路的质量从而进一步提高了机车的发展与运行速度。

1.2.交流电与直流电的互变

电力网供给用户的是交流电，而各种无线电装置需要用直流电。整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。下面介绍利用晶体二极管组成的各种整流电路。
一、半波整流电路

     图5-1、是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻Rfz ，组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2 ，D 再把交流电变换为脉动直流电。

下面从图5-2的波形图上看着二极管是怎样整流的。

      变压器砍级电压e2 ，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图5-2（a）所示。在0～K时间内，e2 为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通，e2 通过它加在负载电阻Rfz上，在π～2π 时间内，e2 为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。这时D 承受反向电压，不导通，Rfz，上无电压。在π～2π 时间内，重复0～π 时间的过程，而在3π～4π时间内，又重复π～2π 时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz，在Rfz上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图5-2（b）所示，达到了整流的目的，但是，负载电压Usc 。以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。

　　这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc =0.45e2 ）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。

二、全波整流电路

　　如果把整流电路的结构作一些调整，可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。图5-3 是全波整流电路的电原理图。

      全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a 、e2b ，构成e2a 、D1、Rfz与e2b 、D2 、Rfz ，两个通电回路。

全波整流电路的工作原理，可用图5-4 所示的波形图说明。在0～π 间内，e2a 对Dl为正向电压，D1 导通，在Rfz 上得到上正下负的电压；e2b 对D2 为反向电压， D2 不导通（见图5-4（b）。在π-2π时间内，e2b 对D2 为正向电压，D2 导通，在Rfz 上得到的仍然是上正下负的电压；e2a 对D1 为反向电压，D1 不导通（见图5-4（C）。

如此反复，由于两个整流元件D1 、D2 轮流导电，结果负载电阻Rfz 上在正、负两个半周作用期间，都有同一方向的电流通过，如图5-4（b）所示的那样，因此称为全波整流，全波整流不仅利用了正半周，而且还巧妙地利用了负半周，从而大大地提高了整流效率（Usc ＝0.9e2，比半波整流时大一倍）。

图5-3所示的全波整滤电路，需要变压器有一个使两端对称的次级中心抽头，这给制作上带来很多的麻烦。另外，这种电路中，每只整流二极管承受的最大反向电压，是变压器次级电压最大值的两倍，因此需用能承受较高电压的二极管。

图5-5（a ）为桥式整流电路图，（b）图为其简化画法。

四：桥式整流电路

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

　　桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对D1 、D3 和方向电压，Dl，D3 导通；对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。电路中构成e2 、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、D4 导通；对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。电路中构成e2 、D2 Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

上述工作状态分别如图5-6（A） （B）所示。

     如此重复下去，结果在Rfz ，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半！

      需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。表5-1 所列参数可供选择二极管时参考。

"另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。

图5-7 示出了二极管并联的情况：两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半口三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。总之，有几只二极管并联，"流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。但是，在实际并联运用时"，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。电流越大，R应选得越小。

图5-8示出了二极管串联的情况。显然在理想条件下，有几只管子串联，每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。但因为每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分配不均：内阻大的二极管，有可能由于电压过高而被击穿，并由此引起连锁反应，逐个把二极管击穿。在二极管上并联的电阻R，可以使电压分配均匀。均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器，各个电阻器的阻值要相同。

直流变交流则是更为复杂，就不一一介绍，主要原理则恰恰与交流变为直流相反，称之为逆变。

1.3：交流电机与直流电机

1.3.1:交流电机

交流电机分同步电机与异步电机，这里主要介绍异步电机，异步电机分很多种，比如三相鼠笼式、绕线式等。

三相鼠笼式异步电动机的工作原理和三相绕线式异步电动机的工作原理有一点不同，它的转子绕组是铝浇铸成的，至于平稳调速原理，电流还是很大，它是通过改变可控硅的导通角来改变电压来改变电动机的转速，变频是改变电源的频率来改变电动机的转速的。

1.3.2：直流电机

（1）直流电机原理

直流电动机的工作原理是要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于当线圈边在不同极性的磁极下如何将流过线圈中的电流方向及时的加以变换，即进行所谓的“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转。直流电动机的构造分为两部分：定子与转子，注意不要把换向极与换向器弄混淆了，他们两个有不同的作用。

定子包括：主磁极、机座、换向极、电刷装置等，转子包括：电枢铁芯、点枢绕组、换向器、轴和风扇。

直流电动机就是将直流电能转换成机械能得电机，直流电动机可根据励磁方式可分为他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。

他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机；并励直流电机的励磁绕组则与电枢绕组相并联且共用同一电源，从性能上讲与他励直流电机相同；串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流；复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励，若两个磁通势方向相反，则为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性，一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。

（二）直流电动机的特点

A：调速性能好，所谓调速性能是指电动机在一定负载的条件下，根据需要人为的改变电动机的转速，直流电动机可以在重负载条件下实现均匀、平滑的无极调速，而且调速范围较宽。

B：起动力矩大，可以均匀而经济的实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电动机车、电车等，都用直流电动机拖动。

第2章：正文

2.1：设计目的与内容

A：设计目的

本设计的任务是培养学生综合运用《电力电子学》、《模拟电子技术》和《电机学》所学知识分析、解决工程或科研实际问题的能力。其目的是巩固学生所学知识的同时，提高学生的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作用。

在规定时间内通过分析任务书、查阅收集资料，充分发挥主动性与创造性，在老师的指导下联系实际、掌握正确的方法，理清思路，独立完成课程设计，撰写设计说明书，其格式和字数应符合规定。根据要求设计出实际可行的电路，并计算电路中所用元器件的参数，确定其规格型号；课程设计说明书要求整洁、完备、内容正确、概念清楚、文字通畅，并绘制出相应的电路图，符合规范。

B：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) 控制电路选择与计算

4) 调速系统静态精度计算

5) 绘制电气系统原理图

6) 绘制部件图

2.2：调速系统的方案选择

2.2.1：电动机供电方案的选择

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，因此采用晶闸管可控整流装置供电。

本设计选用的是中小型直流电动机，功率低，故可选用单相整流电路。又因本系统设计是不可逆系统，所以可选用单相半控桥整流电路，这样不仅使控制电路大大简化，而且若控制电路安排合理可以减少电子元件的个数，即应用桥式电路中整流二极管代替续流二极管。这就要求将整流二极管和晶闸管分别放在一侧，当电路没有触发的时候整流二极管做续流作用。

直流电动机的额定电压为几百V，直接用电网供电是很难达到要求，同时为了防止电动机启动与制动对电网的干扰，需要将电压升高并且能够和电网隔离提高功率因数，因此选用本设计采用整流变压器供电方式。

本系统没有对输出电流的脉动提出要求，故不用增加电抗器。

对于小功率的直流电动机直流调速系统一般采用减压调整方案，保持磁通不变，因此励磁绕组可采用单相不控整流电路供电。为保证直流电动机正常工作采用先加励磁电源，后加电枢电压的原则。为了防止电动机在运行过程中因励磁过小而造成转速过高或电流过大的现象，常在励磁回路中设有弱磁保护环节，即增加欠电流继电器。

2.2.2: 触发电路的选择

本设计所选用的直流电动机容量较小，通过晶闸管的电流不会超过几十A，故可采用电路简单，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一起的晶闸管，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。

2.3：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。

负载要求D＝10，S≤5％，则系统应满足的转速降

电动系数

该直流电动机固有转速降

故采用电压闭环控制系统

控制系统电压放大倍数

2.4：直流调速系统

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/d02c370dbb68a98271fefadd.html