完整版】晶閘管直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計_畢業(yè)論文設(shè)計

1、摘要直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在 許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到應(yīng)用。晶閘管問世后，生 產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管一電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）， 和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。本文首先明確了設(shè)計的任務(wù)和要求，在了解了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào) 速系統(tǒng)的調(diào)速原理后依次對晶閘管相控整流調(diào)速系統(tǒng)的主電路，保護電路， 檢測電路和觸發(fā)電路進行了設(shè)計，并且計算了相關(guān)參數(shù)。最后給出了這次設(shè)計的心得體會，參考文獻和系統(tǒng)的電氣總圖。目錄設(shè)計任務(wù)及要求 I摘要 皿

2、第二章系統(tǒng)主電路原理分析 4第一節(jié) 晶閘管直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)原理 4第二節(jié)總體方案 5第三節(jié)三相橋式全控整流電路 7第三章系統(tǒng)參數(shù)計 8第一節(jié)整流變壓器參數(shù)計算 8第二節(jié)晶閘管參數(shù)計算 9第三節(jié)其他參數(shù)計算 101第四章保護電路 11第一節(jié)過電壓保護 11第二節(jié)過電流保護 14第五章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計 16第一節(jié) 信號檢測電路設(shè)計 16第二節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器 16第三節(jié)觸發(fā)電路 17后記 20參考文獻 21附錄：電氣原理總圖 222第二章 系統(tǒng)主電路原理分析第一節(jié) 晶閘管直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)原理晶閘管相控整流直流電動機調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖 3.1 所示：圖 3.1 晶閘管相控整流直流電動機

3、調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電 流，兩者之間實行串行連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再 用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā)電路。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電 流調(diào)節(jié)環(huán)是內(nèi)環(huán)，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計；速度調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)，按典型H型系 統(tǒng)設(shè)計。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采 用 PI 調(diào)節(jié)器，這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在給定突加（含啟動）的過程中表 現(xiàn)為一個恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)中又表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，可獲得良 好的動態(tài)及靜態(tài)品質(zhì)。第二節(jié) 總體方案 直流電動機由單獨的可調(diào)整流裝置供電。晶閘管相控整流電路有單相， 三相，

4、全控，半控等，調(diào)速系統(tǒng)一般采用三相橋式全控整流電路，不采用三 相半波的原因是其變壓器二次電流中含有直流分量。 本設(shè)計中直流電動機采 用三相橋式全控整流電路作為直流電動機的可調(diào)直流電源。 通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延 遲角a的大小來控制輸出電壓 U的大小，從而改變電動機 M的電源電壓。 三相橋式全控整流電路如圖 3.2 所示：圖 3.2 三相橋式全控整流電路原理圖三相橋式全控整流電路的特點是：每個時刻均需 2 個晶閘管同時導(dǎo)通， 形成向負載供電的回路， 其中一個晶閘管是共陰極組的， 一個是共陽極組的， 且不能為同一相的晶閘管。對觸發(fā)脈沖也有一定的要求，6 個晶閘管的脈沖按VTVT VT3 VT VT5VT6的

5、順序，相位依次差60,共陰極組的 VT、 V!；、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4，、VT6、VT也依次差120，同 一相的上下兩個橋臂脈沖相差 180。晶閘管變流設(shè)備一般都是通過變壓器與電網(wǎng)連接的, 因此其工作頻率為工頻，初級電壓即為交流電網(wǎng)電壓。經(jīng)過變壓器的耦合, 晶閘管主電路可以得到一個合適的輸入電壓 , 使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行。變流主電路 和電網(wǎng)之間用變壓器隔離 ,還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分 , 減小 電網(wǎng)污染。在變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓相差不多時 , 有時會采用自耦 變壓器; 當(dāng)變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓一致時 , 也可以不經(jīng)變壓器而直 接與電網(wǎng)連接

6、, 不過要在輸入端串聯(lián)進線電抗器以減少對電網(wǎng)的污染。此設(shè) 計中在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負載匹配的電壓，同時 把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離， 可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾的作用當(dāng)晶閘管的控制角a增大，會造成負載電流斷續(xù)，當(dāng)電流斷續(xù)時，電動機的理想空載轉(zhuǎn)速將抬高，機械特性變軟，負載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。負載電流要維持導(dǎo)通， 必須加平波電抗器來存儲較大的磁能第三節(jié) 三相橋式全控整流電路系統(tǒng)主電路采用三相橋式全控整流電路，系統(tǒng)主電路如圖 3.3 所示：圖 3.3 系統(tǒng)主電路在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成交流瞬態(tài)過電壓保護及濾波， 晶閘 管并聯(lián)電阻

7、和電容構(gòu)成關(guān)斷緩沖，快速熔斷器直接與晶閘管串聯(lián)，對晶閘管 起短路過電流保護作用。第三章 系統(tǒng)參數(shù)計算第一節(jié) 整流變壓器參數(shù)計算一、次級電壓 U2 的計算在進行變壓器計算之前 , 應(yīng)該確定負載要求的直流電壓和電流 , 確定變 流設(shè)備的主電路接線形式和電網(wǎng)電壓。先選擇其次級電壓有效值U2,U2 數(shù)值的選擇不可過高和過低，如果U2過高會使得設(shè)備運行中為保證輸出直流電壓 符合要求而導(dǎo)致控制角過大，使功率因數(shù)變小。如果U過低又會在運行中出 現(xiàn)當(dāng)a = a min時仍然得不到負載要求的直流電壓的現(xiàn)象。通常次級電壓，初級和次級電流根據(jù)設(shè)備的容量 , 主接線結(jié)構(gòu)和工作方式來定。由于有些主接 線形式次級電流中含

8、有直流成分 , 有的又不存在 , 所以變壓器容量的計算要 根據(jù)具體情況來定。影響U值的因素有：(1) U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大直流值Ud。2)晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用Ur表示。(3) 變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降。(4) 平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一 定的電壓降。(5) 電樞電阻的壓降。當(dāng)整流電路采用三相全控橋整流時，并采用以轉(zhuǎn)速反饋為主反饋的調(diào)速系統(tǒng)時且整流變壓器二次側(cè)采用 Y型聯(lián)結(jié)，一般情況下U2與UN有下述關(guān)系：不可逆系統(tǒng)：、3U=(0.951.0)U可逆系統(tǒng)：3U2=( 1.051.1)U3U2=( 0.9

9、51.0 ) UN= (0.951.0 ) X 220=209220V U2=120.67127.02V 取 U2=125V二、次級電流丨2及變壓器容量的計算I 2二K2 Id , K I2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平 均值之比。K2取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故12=0.816 X17.5=14.28AS=12 (S+S)二mU11二mU2l 2=3X 125X 14.28=5.36KVA第二節(jié)晶閘管參數(shù)計算一、晶閘管額定電壓UTn通常取晶閘管的udrmh uhri中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓，但是在選用時額定電壓要留有一定的裕量， 一般取額定電

10、壓為正常工作時晶閘管所能承受的峰值電壓的23倍因為采用三相全控橋所以 U=、6L2,所以晶閘管的額定電壓為:LTn=( 23)6L2=( 23)X、6 X 125= 612.4 918.6V取 UtN=800V二、晶閘管額定電流Itn按電流的有效值來計算電流額定值。I t(av)= (1.52)KfJmax ,Kb=Kf1.57Kb由整流電路形式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極 電路的支路數(shù)。當(dāng)a =00時，三相全控橋電路 Kfb=0.367 , I t(av) =(1.52) Kfblmax = (1.52) X 0.367 X (17.5 X 1.2)=11.56 15.41A

11、,取I tn=15Ad可選晶閘管型號：KP15-8第三節(jié) 其他參數(shù)計算一、電樞電感Lm的計算式中P-電動機磁極對數(shù)，K計算系數(shù)，對一般無補償電機：Kd=812P=2,K=10 則 Lm 二KdUn 1032Pn nIn10 220 1032 2 1500 17.5= 20.95(mH)、整流變壓器漏電感Lb的計算Lb二4100U2*Id(mH)U變壓器次級相電壓有效值,I d晶閘管裝置直流側(cè)的額定負載電流,Kb與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)Kb=3.9，Uk%=5 貝 yLb 二士=3.95125=0.11(mH )100 Id100220第四章保護電路第一節(jié)過電壓保護一、直流側(cè)過電壓保護當(dāng)直流側(cè)

12、快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷時會產(chǎn)生過電壓，用壓敏電阻抑 制過電壓或用單相VTS此次設(shè)計中米用壓敏電阻，壓敏電阻的額定電壓 UmA 的選取可按下式計算U1fmA - 1.82.2 Udo(V) , U為晶閘管控制角:=00時直流輸出電壓。保護措施如 圖4.1所示:圖4.1直流側(cè)過電壓保護U1mA _ 1.82.2 山。_ 1.82.2 2.34 125 =526.5 643.5(V)通常作為中小功率整流器操作過電壓保護時，壓敏電阻通流容量可選擇(35) KA二、關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路如圖4.2所示:圖4.2關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路即晶閘管換相保護電路。R、C值根據(jù)工程手冊選取，此設(shè)計晶閘管額定

13、電流為15A，故C可取0.3 lF ,R可取201。三、交流側(cè)過電壓保護交流側(cè)過電壓保護如圖4.3所示:圖4.3交流側(cè)過電壓保護在變壓器次級并聯(lián) RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并 把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場能而存儲起來， 串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中 可以消耗一部分能量并且抑制 LC回路可能產(chǎn)生的震蕩。采用三相全控橋整流電路，為得到零線變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次 側(cè)接成三角形，避免3次諧波電流流入電網(wǎng)。變壓器的繞組為 Y聯(lián)結(jié), 阻容保護裝置采用三角形接法，故可按下式計算阻容保護元件的參數(shù)： 電容C的耐壓電阻R的功率為:式中St變壓器每相平均計算容量（VA），U變壓器次級相電壓

14、有效值（V）, i。 勵磁電流百分比，當(dāng)StW幾百伏安時io%=1O,當(dāng)St 1000伏安時i%=35。U%變壓器的短路電壓百分比。Ic,UC 當(dāng)R正常工作時電流 電壓的有效值。UK%=5 i0%=5，Sf145.413=48.47KVA(1) 電容的計算,取4FUc1.5 x3 /2U1.56 125 459.2V,取 500V選擇C=4 F,耐壓500V的電容。(2) 電阻值的計算取 R=25RC支路電流Ic近似為：電阻 R的功率為 Pr_(34)庚=(34) 0.628 25= 29.539.4W第二節(jié)過電流保護常用的短路過電流保護器件為快速熔斷器。選擇快熔時應(yīng)考慮：(1) 電壓等級根據(jù)

15、熔斷后快熔實際承受的電壓確定。(2) 電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。(3) 快熔的l2t值應(yīng)小于被保護器件的允許l2t值。(4) 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間-電流特性。此次設(shè)計采用快熔作為短路過電流保護的裝置，如圖4.4所示：圖4.4過電流保護熔斷器的參數(shù)按照以下原則選取：額定電壓Urn :Kut 為可控硅元件的電壓計算系數(shù)，取Kut =2.45額定電流Irn :Ki電流裕度系數(shù)，取=1.11.5，Ka 環(huán)境溫度系數(shù)，取 = 11.2， I R 實際流過快熔的電流有效值。因 U2=125V,取 LRn=220V,Irn -KKIr =1.5 1.2

16、10.仁18.18A，取Irn =20A。根據(jù)算出的額定參數(shù)可 選擇Ir =丄4 =F7.5=10.1A相應(yīng)的快熔。J3V3第五章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計第一節(jié) 信號檢測電路設(shè)計 電流反饋環(huán)節(jié)由霍爾元件及運算放大器組成， 用以檢測可控硅直流側(cè) 的電流信號，以獲得與電流成正比的直流電壓信號和過流信號。速度反饋環(huán) 節(jié)把測速發(fā)電機輸出的電壓變換為適合控制系統(tǒng)的電壓信號。 電流檢測電路 如圖 5.1 所示：圖 5.1 電流檢測電路第二節(jié) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器與電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)相同，都是PI 調(diào)節(jié)器。含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI 型調(diào)節(jié)器的原理圖如圖 5.2 所示：Ro/2 Ro

17、/2-I1-l。調(diào)節(jié)器輸出-p Ct反饋信號。Ro/2 Ro/2圖5.2含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型調(diào)節(jié)器原理圖電流調(diào)節(jié)器的具體參數(shù)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的具體參數(shù)為第二節(jié)觸發(fā)電路向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不 是固定不變的，而是會在允許范圍內(nèi)有一定的波動。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證 工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖 與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，這就是觸發(fā)電路的 定相。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次 側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步 電壓決定的觸發(fā)脈沖頻

18、率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。接下來的 問題是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位 正確。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結(jié) 構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等。由于集成觸發(fā)電路不僅成本低、體積小，而且還有調(diào)試容易、使用方便 等優(yōu)點，故采用集成觸發(fā)電路，用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路雙脈沖，再由 六個晶體管進行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路。采用KJ041集成觸發(fā)電路的同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓180度。設(shè)計的主電路采用D, y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器采用 D, y-11，5聯(lián)結(jié)。同步電壓 選取的結(jié)果如表5.1所示：表5.1三相全控橋各晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb同步變壓器和整流變壓器的接法如圖5.3所示:圖5.3同步變壓器和整流變壓器