課程設計（論文）直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設計報告

1、直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設計 學校： 系部： 班級： 姓名： 學號： 2011年12月20日目錄1 直流調(diào)速系統(tǒng)31.1直流調(diào)速系統(tǒng)種類31.2調(diào)速系統(tǒng)選擇31.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)32主電路設計與分析42.1 整流電路設計42.2參數(shù)計算與器件選擇53觸發(fā)驅(qū)動電路6.觸發(fā)電路同步信號選擇5.2同步電源的選擇5.初始信號的確定54保護電路94.1保護電路必要性94.2過壓保護104.3過流保護125回轉(zhuǎn)窯主驅(qū)動裝置的選型與常見故障分析135.1裝置構(gòu)成及控制原理135.2選機型145.3回窯控制方案155.4直流驅(qū)動故障分析16整流主電路連接結(jié)構(gòu)問題1.bb才整流設備存在問題和原因1.同軸式結(jié)構(gòu).整流器件和快

2、速熔斷器心得體會附件1 直流調(diào)速系統(tǒng)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)種類變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：1） 旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)動機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。2） 靜止式可調(diào)整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。3） 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。1.2調(diào)速系統(tǒng)選擇直流斬波器最初用在簡單的單管控制，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，即脈寬調(diào)制變換器。如今常用的脈寬調(diào)制電路一般為橋式電路，由電力電子器件組

3、成，主電路線路簡單，開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，低速性能好，因為這一系列優(yōu)點，直流pwm調(diào)速系統(tǒng)應用日益廣泛。綜合以上內(nèi)容，本設計為不可逆調(diào)速系統(tǒng)，故采用靜止式可調(diào)整流器實現(xiàn)調(diào)速，整流電路采用三相半控橋式電路。1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)）。對調(diào)速指標要求不高的場合，常采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調(diào)速要求較高的地方則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。常見的反饋方式有轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋和電壓反饋等。單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。本直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)要求不高，故采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)框圖如下所示：圖1-1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2主電路設

4、計與分析2.1 整流電路設計在中等容量的整流裝置或要求不可逆調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)中，可采用比三相全控橋式整流電路更簡單、經(jīng)濟的三相橋式半控整流電路。它由共陰極接法的三相全波可控整流電路與共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成，因此這種電路兼有可控與不可控兩者的特性。共陽極組三個整流二極管總是自然換流點換流，使電流換到比陰極電位更低的一相中去，而共陰極組三個晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽極電位高的一相中去。整流輸出電壓波形ud是三組整流電壓波形之和，改變共陰極組觸發(fā)晶閘管的控制角，可以獲得的直流可調(diào)電壓。三相半控整流電路基本電路圖如下所示：圖2-1 三相半控橋式整流電路類似于三相橋式全控整流電路

5、，將共陽極的三支晶閘管替換為整流二極管就構(gòu)成了半控整流電路。因此按照順序vt1到vt3的順序?qū)?，共陽極組三個整流二極管總是自然換流點換流，使電流換到比陰極電位更低的一相中去。對應三相半控整流電路，60的觸發(fā)角是電流斷續(xù)和連續(xù)的分界點，在觸發(fā)角大于60以后，就會出現(xiàn)電流斷續(xù)，這樣對負載是電動機的系統(tǒng)，電動機的機械特性將會很軟。因此為了保證電動機的穩(wěn)定工作，需要保證觸發(fā)角在60以內(nèi)。這樣在ie。整流裝置所需的過流能力已從可控硅元件的選擇上做了保證。如：北京整流器廠的kgsf系列可控硅傳動裝置在設備說明書中對于起動性能的描述如下：在任意給定轉(zhuǎn)速下，均可滿負荷起動。 可控硅元件的額定電流：帶較大電感

6、性負載時，整流裝置輸出的電流波形連續(xù)，流過可控硅元件的平均電流為整流輸出平均電流的1/3，即：it=id/3。式中：it可控硅元件的平均電流;id直流調(diào)速裝置輸出的平均電流。 決定可控硅元件允許電流大小的是溫度，具體說是指管芯pn結(jié)的溫度。此指標主要與電流的有效值有關(guān)。但可控硅的額定電流是指在常溫和正常的冷卻條件下，帶電阻性負載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導通時結(jié)溫不超標所允許的最大平均電流。因此需要在電流有效值相等的原則下，將實際允許的平均電流與額定電流進行換算,考慮裕量,可控硅的額定電流： ita=(itdkf/1.57)kt 式中：ita可控硅實際允許的平均電流，實際計算中可選為電動

7、機最大過載倍數(shù)電流的1/3; kf整流波形系數(shù)（對于電感性負載,三相全控整流橋,其值取為1.73）; kt電流裕量系數(shù)，一般可取1.52倍。 整流裝置的額定輸出電流的大小應與可控硅元件相匹配。 直流調(diào)速器實際選型中應充分考慮回轉(zhuǎn)窯的起動特性，調(diào)速器的容量與電動機的過載能力應相一致，從而最大有效地發(fā)揮二者的能力。 直流調(diào)速裝置的選型實例： 某廠的1、2號窯為年產(chǎn)熟料35萬t的濕法窯?；剞D(zhuǎn)窯的主傳動采用雙傳動方式，2臺電動機的電樞相串聯(lián)。窯主電動機的主要參數(shù)如下：單機功率：220kw 電樞電壓:220v；電樞電流：960a 所選的直流調(diào)速裝置如下: 型號:ksf221000/440 額定輸入電壓:

8、380v額定輸出電壓:440v 額定輸入電流：816a額定輸出電流:1000a 生產(chǎn)廠商：西安電力整流器廠 從該設備的選型可見，基本滿足前面所述的選型要求，運行情況良好。 四川雙馬水泥集團的7號窯，為年產(chǎn)水泥50萬t的濕磨干燒窯，窯中主傳動電動機采用單傳動方式，窯主電動機參數(shù)如下： 型號：zsn4220kw 額定電樞電壓：440v；額定電樞電流：550a 電動機過載倍數(shù)：2.53 雙馬廠選用的直流調(diào)速器為西門子公司的全數(shù)字直流調(diào)速裝置6ra70系列1200ar產(chǎn)品。 由公式id3ie/k=3550/1.5=1100a可見,該選型是比較合理的。實際的運行情況也不錯。 5.3 回窯控制方案 直流調(diào)

9、速裝置一般是做雙閉環(huán)運行，即流調(diào)、速調(diào)，回轉(zhuǎn)窯在直流驅(qū)動系統(tǒng)正常時，運行非常平穩(wěn)。但在停窯時，由于回窯產(chǎn)生較高反電勢，會對系統(tǒng)造成一定的危害。故控制系統(tǒng)應有較為完善的解決方案?，F(xiàn)提出一些觀點，以供商榷： 1)本橋逆變：停窯時，電動機高速反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的反電勢較高，此時可使導通角90,即使整流電路進入有源逆變狀態(tài)工作，實現(xiàn)直流逆變交流，將電能回送電網(wǎng)。 2)減弱激磁：停窯時，分斷主接觸器，并在同時將激磁電流大幅減小以限制反電勢。 3)能耗制動：停窯時，整流裝置封鎖脈沖，主接觸器分斷，同時在電樞主回路中串入能耗制動電阻以消耗回窯反電勢能量，并可與第二種方案作互補控制，進一步減小回窯對直流驅(qū)動裝置的影響

10、。 實例：西門子的6ra70系列產(chǎn)品本身就具有方案1和方案2的功能，其中方案1為此套系統(tǒng)的標準功能，無需外加器件，即可完成:方案2也無需外加器件，只要通過對直流調(diào)速裝置內(nèi)部參數(shù)的設定來完成，從而達到主回路一掉電，勵磁電流成倍減少，從而成倍減少反電勢。2種方案可以同時運用，以達最佳效果在四川雙馬水泥廠的6號和7號線上均運用了此2種回窯控制方案，效果比較理想。 5.4 直流驅(qū)動裝置故障分析 1)電流波動，窯速不穩(wěn)。由直流調(diào)速理論可知，直流電動機轉(zhuǎn)速(窯速)電流與整流電壓、激磁磁通都有關(guān)系，二者發(fā)生故障對窯速和電流均有影響。 電動機內(nèi)部的激磁電源線有破損，在電動機運行中隨著電動機振動有瞬時碰殼現(xiàn)象，

11、電動機的轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)速降低，電動機轉(zhuǎn)動發(fā)生困難，現(xiàn)場表現(xiàn)為窯速波動。 實例：我廠4號窯窯速波動，時不時發(fā)生轉(zhuǎn)動困難。當時一度懷疑觸發(fā)裝置故障，但在現(xiàn)場檢測中，觸發(fā)脈沖完全正常，后拆開電動機發(fā)現(xiàn)是激磁線破損，處理完后開機正常。 由于調(diào)速裝置整流柜上的冷卻風機引起的振動，造成電路印制板上的相關(guān)元件焊點松了，或是相關(guān)的電子元件發(fā)生故障，脈沖時有時無，可控硅元件的觸發(fā)不可靠，用示波器觀察會發(fā)現(xiàn)電壓波形1個以上的波頭不穩(wěn)定、閃動的情況。 此故障在我廠的3、4號窯多次發(fā)生，尤其是在每年的夏季，天氣炎熱、潮濕，我廠收塵效果又不是太好，粉塵相對較大，對電氣元件的影響較大。 外部給定信號，由于電氣元件的接觸不可

12、靠，從而造成觸發(fā)脈沖不可靠，引起電流和窯速的波動。 2)窯速突然下降，但之后窯主機能穩(wěn)定運行 造成這種情況主要是以下2種原因：1)觸發(fā)脈沖丟失，比如觸發(fā)回路的相關(guān)器件脫焊，相應的可控硅回路無法導通，造成輸出整流電壓下降；2)可控整流橋橋臂上的可控硅元件故障，或是熔斷器熔斷，造成輸出電壓下降，常見故障的有一臂、兩臂及一相斷開，其對整流輸出電壓的影響如表2所示。注：ud：整流橋無故障輸出的直流電壓；同組是指同一陰極組或同一陽極組。 我廠的3、4號窯曾多次發(fā)生此類故障。主要是熔斷器熔斷引發(fā)故障。 3)窯主電動機無法起動 此種情況有以下原因：外部聯(lián)鎖控制設備故障，主電動機控制回路無法接通；多個整流元件

13、或是觸發(fā)回路故障，輸出電壓低，整流裝置提供的起動電流太小，起動力矩不夠，不能起動。由于檢修后觸發(fā)脈沖出線接線不慎，造成可控橋整流元件的觸發(fā)順序混亂，電壓波形異常。 實例1：我廠的4號窯主電動機直流傳動裝置柜的控制脈沖分配板上的觸發(fā)脈沖出線由于整流柜上的風機振動，多個接線松動，造成不能開機。后將出線插頭全部改成焊接，此類故障大大減少。 實例2：我廠的1號窯主電動機直流傳動裝置檢修完后，發(fā)現(xiàn)電動機不能起動，將裝置帶上電爐作負荷，觀察電壓波形，發(fā)現(xiàn)波形紊亂，另換上1塊脈沖分配板，故障依舊。測脈沖分配器所產(chǎn)生的脈沖，幅度及移相均正常，仔細檢查脈沖分配板的出線，發(fā)現(xiàn)6個脈沖的出線有順序接反的現(xiàn)象。將誤接

14、線糾正，重測波形正常。 6整流主電路連接結(jié)構(gòu)問題 6.1 bbc整流設備存在的問題和原因分析 中鋁青海分公司一電解，年產(chǎn)電解鋁100kt。整流電源設備是在1985年由當時的瑞士bbc提供，也是bbc自1958年生產(chǎn)電化學用硅整流設備以來，承接的第330份訂單。整個系列有260臺電解槽，系列電流160ka，系列電壓1150v，由四個電流為56ka，電壓1150v的整流機組并聯(lián)供電。這在當時稱得上是世界上功率最大，技術(shù)最先進的電化學用整流設備了。至今，經(jīng)過1617年的運行，就整流器本身而言，與后來國內(nèi)其他各廠從德國西門子，瑞典asea，法國西吉萊克，意大利安薩爾多以及日本富士電機等國際著名公司引進

15、的同類整流器相比，仍不遜色。 圖1和圖2分別是整流主電路連接原理圖與整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，整流裝置的結(jié)構(gòu)特點是將整流的正、負極分成兩個獨立單元，以避免整流裝置內(nèi)部發(fā)生直流側(cè)短路。不僅如此，其母線結(jié)構(gòu)的整體性和動態(tài)穩(wěn)定性也非常優(yōu)越。然而，經(jīng)過十多年的運行證明，該整流裝置的優(yōu)點是以增加整流變壓器的制造難度和縮短整流變壓器使用壽命為代價獲得的。其主要表現(xiàn)為： 1）變壓器噪聲過大，達到90db以上； 2）運行溫升偏高，最高可達到85； 3）絕緣過快老化，現(xiàn)在最嚴重的地方，表面已出現(xiàn)焦裂現(xiàn)象； 4）自飽和電抗器調(diào)壓范圍不夠，只有20v左右。圖1 整流主電路連接原理圖圖2 整流裝置結(jié)構(gòu)示意圖 由

16、于bbc當時是第一次制造這么大容量的整流變壓器，對于大電流交變磁場所產(chǎn)生的危害認識不足。由圖1可見，當強大的交流電流通過閥側(cè)交流母線時，所產(chǎn)生的交變磁場不能被相互抵消；而閥側(cè)母線的連接方式使得自飽和電抗器的引出線之間有過多的相互交叉，結(jié)構(gòu)非常復雜，因此，不得不過多地采用軟連接，使之沒有足夠的支撐；在大電流交變磁場的作用下，產(chǎn)生的振動，局部渦流發(fā)熱和對自飽和電抗性能的影響就很突出，以致于超出允許范圍，加速設備老化。 另外，或者是受運輸尺寸的限制，或者是為了節(jié)省材料，bbc將本應做成兩個器身的整流變壓器合二為一成一個。并且取消了中間的共軛鐵心，使變壓器結(jié)構(gòu)特別緊湊，變成了分裂式變壓器。分裂式變壓器

17、的電磁特性還與其穿越阻抗的大小有關(guān)，所產(chǎn)生的負面影響也不能被輕易忽視。 .2. 同軸式結(jié)構(gòu) 法國阿爾斯通和西吉萊克的做法是將整流裝置的各個整流臂做成同軸式結(jié)構(gòu)。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3和圖4所示。這種結(jié)構(gòu)是將交流母線穿過直流母線框窗口，再把器件和快熔以交流母線為軸線對稱分布安裝在交流母線上，然后經(jīng)連接母排匯接到后面的直流母線框上。圖3 同軸式三相橋式整流主電路連接原理圖圖4 同軸式整流臂電流流向示意圖 由圖4可見，在整流裝置這一部分，按電流流向和磁場分布規(guī)律，交變磁場的大部分能夠被抵消。但是，直流母線框后面去整流變壓器一段的交變磁場不能被抵消。 采用同軸結(jié)構(gòu)，整流變壓器的引

18、出線結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單。 在西吉萊克的整流裝置中，4英寸整流二極管采用單面水冷卻，將4英寸器件當3英寸器件使用。這樣，有利于減小整流裝置損耗，簡化水路結(jié)構(gòu)。但設備造價要相應地提高。.2. 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu) 同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式是日本富士電機及中國各主要整流器制造廠家普遍采用的結(jié)構(gòu)方式。整流主電路連接原理圖和整流臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖5和圖6所示。圖5 三相橋式同相逆并聯(lián)整流主電路連接原理圖圖6 同相逆并聯(lián)整流臂電流流向和磁場分布示意圖 同相逆并聯(lián)技術(shù)的應用始于上世紀70年代。是從根本上消除大電流交變磁場負面影響的一種治本的辦法。從整流變壓器繞組引出端開始，到整流裝置直流匯流點為止，除飽和電抗器一段（在

19、飽和電抗器以前）之外，所產(chǎn)生的交變磁場的大部分能夠被相互抵消掉。對消除渦流發(fā)熱，降低閥側(cè)母線電抗壓降和減小交變磁場對電流分配的影響都特別有效。采用同相逆并聯(lián)技術(shù)，必須處理好兩個同相逆并聯(lián)連接的整流臂之間絕緣問題，以防止發(fā)生短路故障。經(jīng)過不斷地研究和改進，現(xiàn)在這個問題已經(jīng)得到了解決，不再是影響同相逆并聯(lián)技術(shù)應用的障礙。如果不受快熔分斷能力的限制，采用同相逆并聯(lián)結(jié)構(gòu)繼續(xù)增加整流機組單機電流的空間最大。6.3 整流器件和快速熔斷器 整流器件和快速熔斷器都是整流裝置中的核心元器件，其技術(shù)水平和性能指標是保證整機技術(shù)水平的關(guān)鍵。二者之間選配得合理與否對于整個整流機組是至關(guān)重要的。3.1 整流器件參數(shù)名稱

20、 4英寸二極管 4英寸晶閘管 5英寸電觸發(fā)晶閘管 5英寸光觸發(fā)晶閘管 管芯直徑/mm 3.2 快速熔斷器及其選配 按照電解鋁供電電源的運行特點，快速熔斷器的主要作用是隔斷故障支路，保護完好的整流臂，防止事故擴大。表5列出了幾種在電化學用整流裝置中大量使用的大電流快熔的主要技術(shù)參數(shù)。 從保護方面而言，快速熔斷器的熔斷i2t和極限分斷能力是兩個非常重要的參數(shù)，選型時必須滿足以下幾點要求： 1）要求快速熔斷器的熔斷i2t必須小于器件管殼不破裂能承受的最大i2t。當整流臂的某支路整流器件因擊穿而發(fā)生閥側(cè)短路時，要求與該故障支路器件串聯(lián)的快熔必須在器件管殼可能爆裂之前就要熔斷，以防止器件管殼爆裂引起電弧

21、造成事故擴大。如表4所列，abb4英寸二極管管殼不破裂能承受的最大i2t=85ma2s，要求所選配的快熔的熔斷i2t必須小于這個值。 2）要求快速熔斷器的極限分斷電流必須大于故障（整流）臂能產(chǎn)生的最大預期短路電流。例如，一個額定直流輸出（372）ka1220v的整流機組，發(fā)生閥側(cè)短路時，最大預期短路電流約186ka。所以，要求快熔的極限分斷能力必須大于186ka。如果快熔分斷能力達不到這個要求，有可能發(fā)生管殼爆裂引起電弧造成事故擴大。 3）要求每個整流臂上各并聯(lián)整流器件的浪涌電流平方時間積（即每個器件的i2t）之和必須大于與器件串聯(lián)的快熔的i2t。按圖7所示電路，查表4和表5，3只abb器件（

22、4680a/5000v）的i2t之和26.63=79.8ma2s大于一個bussmann快熔（4500a/1100v）的i2t=67.5ma2s。因此，要求每個臂的并聯(lián)元件數(shù)不得少于3只。圖7 整流器件擊穿時短路電流流向示意圖表5 幾種快速熔斷器主要技術(shù)參數(shù)型號 額定電壓/v 額定電流/a 結(jié)構(gòu) 熔斷i2t/ma2s 極限分斷能力/ka 制造商 rs41100/3600 1100 3600 單體 22.8 230 西整二分廠 rs81250/5000 1250 5000 雙體 60.2 230 西整二分廠 rs81250/4500 1250 4500 單體 49.8 205 西整二分廠 5sb

23、kn/115 1100 5000 單體 93.0 197 bussmann 5sbkn/115 1100 4500 單體 67.5 197 bussmann 5sbkn/130 1300 3000 單體 27.5 197 bussmann 1250 4000 雙體 47.0 220 ferraz 4）按標準要求，當直流側(cè)發(fā)生故障短路時，要求整流柜里的整流器件和快速熔斷器在高壓開關(guān)跳閘之前不得損壞，能夠承受持續(xù)時間不小于2s的直流側(cè)短路沖擊。 按照器件供應商（abb和株洲所）提供的資料，二極管整流器件在時間不超過2s（即100個周波）以內(nèi)，允許通過約5倍的浪涌電流。bussmann快熔（4500a/1300v）在2s之內(nèi)，可通過7倍以上的電流。再考慮整流機組本身還有不小于3倍的安全裕量，至少有不小于10倍以上的抗短路過流能力。對于10kv以上的供電電網(wǎng)，調(diào)壓整流變壓器的總短路阻抗，一般不小于12.5，最大的直流短路電流在8倍以下。所以，當直流側(cè)發(fā)生故障短路時，器件和快熔在高壓開關(guān)跳閘之前（時間不超過2s）不會損壞。7心得體