雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、一、目的與任務(wù) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)技術(shù)課程 是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)專業(yè)課電力拖動(dòng)自 動(dòng)控制系統(tǒng)的后續(xù)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的必修課。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是為電氣工程及自動(dòng)化專業(yè) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程服務(wù) 的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生完成從專業(yè)理論到工程實(shí)踐的認(rèn)識(shí)過(guò)程。是培 養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 的有關(guān)理論和技術(shù)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題， 使學(xué)生在熟悉相應(yīng)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，掌握實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方案；熟悉電力電子 及電氣傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及調(diào)試方法；掌握正確的操作規(guī)程；掌握直流/ 交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試方法。從而加深學(xué)生對(duì)課堂講授的理論內(nèi)容的理解，提高學(xué)生分 析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。二、

2、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和基本要求(1) 了解直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理和發(fā)展概況；(2) 掌握閉環(huán)反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、 動(dòng)態(tài)分析； 積分、比例積分控制規(guī)律； 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)； 重點(diǎn)對(duì)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)分析。(3)(4) 特性。掌握電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的方案組成。(5) 器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。分析轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性；雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 掌握調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法； 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)(6) 掌握電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路布線、布局。(7) 掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)及反饋環(huán)節(jié)測(cè)定方法。(8) 掌握雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟，方法及參數(shù)的整定

3、。(9) 觀察，記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波形。( 10) 撰寫實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)報(bào)告。三、課程設(shè)計(jì)報(bào)告根據(jù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和基本要求，完成系統(tǒng)中的各個(gè)模塊的方案選 擇，說(shuō)明雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，組成及各主要單元部件 的原理。繪出各個(gè)環(huán)節(jié)的原理電路，說(shuō)明調(diào)試步驟，方法及參數(shù)的整 定 。 繪制開環(huán)機(jī)械特性及閉環(huán)靜特性，記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波形。雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)晶閘管的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)控制角a大小來(lái)調(diào)節(jié)電壓?；谠O(shè)計(jì)題目，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路。在設(shè)計(jì)中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來(lái)供電。本文首

4、先確定整個(gè)設(shè)計(jì)的方案和框圖。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其參數(shù)的計(jì)算，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算。接著驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)包括觸發(fā)電路和脈沖變壓器的設(shè)計(jì)。最后，即本文的重點(diǎn)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào) 速控制器電路， 本文采用轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電 流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)各元部件，并對(duì)其

5、參數(shù)的計(jì)算，包括給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測(cè)電路、觸發(fā)電路和穩(wěn)壓電路的參數(shù)計(jì)算然后最后采用MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，最后畫出了調(diào)速控制電路的電氣原理圖。關(guān)鍵詞 ： 雙閉環(huán)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器、八-5前言直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、 制動(dòng)性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高。針對(duì)直流電機(jī)調(diào)速 的方法也很多，目前國(guó)內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的直流電機(jī) 無(wú)級(jí)電子調(diào)速控制器采用國(guó)際先進(jìn)的IGBT大功率模塊器件和獨(dú)特自行設(shè)計(jì)的PWM微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反饋電

6、路和豐富的保護(hù)功能控制電路。適用于無(wú)軌機(jī)車、礦山井下窄軌機(jī)車、 磨床、木工機(jī)械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場(chǎng)所。該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠， 提高生產(chǎn)效率；直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制簡(jiǎn)便；可以與計(jì)算機(jī)連接控制等特點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵(lì)磁磁通和電樞回路電阻來(lái)調(diào) 速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào) 速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。直流調(diào)壓調(diào)速需要有專門的可控直流電源給直流電動(dòng)機(jī)，隨 著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶閘管的單向 導(dǎo)電性與相位控制原理相結(jié)合 ,構(gòu)成可控直流電源 ,以實(shí)現(xiàn)電樞端電

7、壓的平滑調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)的題目是雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能 實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有要求則采用反饋 控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難 以滿足需要。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用 PI 調(diào)節(jié)器可以獲得無(wú)靜差；構(gòu)成的滯后 校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡(jiǎn)單。所以雙閉 環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控 制電路，本課

8、題內(nèi)容重點(diǎn)包括調(diào)速控制器的原理，并且根據(jù)原理對(duì)控制器的兩個(gè)調(diào)節(jié)進(jìn)行了 詳細(xì)地設(shè)計(jì)。概括的整個(gè)電路的動(dòng)靜態(tài)性能，并各個(gè)部分的保護(hù)和晶閘管的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)， 最后將整個(gè)控制器的電路圖設(shè)計(jì)完成 ,并且進(jìn)行仿真。第 1章 緒 論1 1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶 閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了 一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù) 的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展， 走向成熟化、完善化、系列化、

9、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難 以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 , 以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī) 械特性上看 , 就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性, 從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn), 使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘 機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到 了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上 都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看

10、，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流 調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。1 2 研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的 延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流 內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋 回來(lái)，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比 單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各 方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而 初

11、學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校 正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過(guò)程就簡(jiǎn)便多了。這樣，就有了建立工程設(shè) 計(jì)方法的可能性。13 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1.3.1 設(shè)計(jì)要求1. 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（D 10）,系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。系統(tǒng)靜特性良好，無(wú)靜差（靜差率動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 8%，電流超調(diào)量10%，調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過(guò)

12、電壓、過(guò)電流保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。 主電路采用三項(xiàng)全控橋。2.3.n 84.5.6.S 2 ）。its 1s。5%，動(dòng)態(tài)最大轉(zhuǎn)速降1.3.2設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫 出系統(tǒng)組成的原理框圖。2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電 抗器與保護(hù)電路等）。3. 驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均可）4. 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器 的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。，并用Ore

13、ad，并研究參數(shù)變5. 繪制V M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖（要求用計(jì)算機(jī)繪圖）或Matlab軟件進(jìn)行拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖）化時(shí)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。1.3.3技術(shù)參數(shù)1. 晶閘管整流裝置：Rrec 0.15 , Ks=36。1500 r/ min ,2. 負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：PN=10kW , Un=220V , In=53.5A , HnRa 0.37,1.5。3.系統(tǒng)主電路 R 0.58, Tm 0.063s。第2章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中直接提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式

14、整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流 電動(dòng)機(jī)。如圖2.1設(shè)計(jì)的總框架。圖2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。 一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的 方法。根據(jù)選用的方法，分別計(jì)算保護(hù)電路的各個(gè)器件的參數(shù)。驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整 個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使是電力電子器件工作在較理想 的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要 的意義。驅(qū)動(dòng)電路

15、的基本任務(wù)，就是就將信息電子電路穿來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求， 轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的 是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半控型只需要提供開通控制信號(hào)。對(duì)與晶閘管的驅(qū)動(dòng) 電路叫作觸發(fā)電路。所以對(duì)晶閘管的觸發(fā)電路也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級(jí)控制的方式。轉(zhuǎn) 速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速 系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

16、好。本 課題設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)雙閉環(huán)的中兩個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算與檢測(cè)。最后是用MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。第3章系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成3. 1主電路的選擇與確定直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流器； 器或脈寬調(diào)制變換器。機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)還要儀態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多， 體積大，費(fèi)用高，效率低。1957年晶閘管問(wèn)世，已生產(chǎn)成套的晶閘管 整流裝置，即右圖 3.1晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng))的原理圖。通過(guò)調(diào)節(jié)

17、處罰裝置 GT的控制電壓U c來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不進(jìn)在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高， 而且在技術(shù)性能上也現(xiàn)實(shí)出較大的優(yōu)越性。GT直流斬波圖3.1 V M系統(tǒng)原理直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖示于圖3.2 ,其中VT用開關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 US加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí), 直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形U f(t)，如圖3.3所示，好像是電源電壓 US在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又

18、在(T- ton )時(shí)間內(nèi)被 斬?cái)?故稱“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為式中T-功率開關(guān)器件的開關(guān)周期;ton-開通時(shí)間;占空比,ton/T tonf，其中f為開關(guān)頻率。U圖3.3 波形圖因此，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求應(yīng)選擇第二個(gè)可控直流電源。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性， 可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制角a大小來(lái)調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技3.4所示三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流

19、電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩?其變壓器的二次側(cè)含有直流分量，故不采用，本設(shè)計(jì)采用了三相全控橋整流電路來(lái)供電，該 電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路 組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣， 術(shù)要求。主電路原理圖如圖TA圖3. 4主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3 VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6 VT2接成共陽(yáng)極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶 閘管，以及接在電路共陽(yáng)極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。晶閘管的控制角都是，在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次

20、，觸發(fā)順序依次為：VT1 VT2- VT3 VT4 VT5- VT6,晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60°，只有這樣才能使電路正常工作。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過(guò)其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過(guò)電壓、過(guò) 電流等保護(hù)裝置。3. 2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代在國(guó)外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。70年代以來(lái)，在我國(guó)的冶金、機(jī)械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來(lái)看，單環(huán)

21、系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求。但是，任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動(dòng)與停車的，從電機(jī)能承受的過(guò)載電流有一定限制來(lái)看，要求啟動(dòng)電流的峰值不要超過(guò)允許數(shù)值。為達(dá)到I dm，其啟動(dòng)時(shí)間為ti。這個(gè)目的，采用電流截止負(fù)反饋的系統(tǒng)，它能得到啟動(dòng)電流波形，見圖3.5中實(shí)線所示。波形 的峰值正好達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)所允許的最大沖擊電流圖3.5帶有截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)電流波形實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外，很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò) 程的要求，例如可逆軋鋼，龍門刨床都是經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的 ，為了提高生產(chǎn)率，要 求盡量縮短過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。從圖3.2啟動(dòng)電流變化的波形可以看到，電流只在很短的時(shí)間

22、內(nèi)就達(dá)到了最大允許值Idm，而其他時(shí)間的電流均小于此值，可見在啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的過(guò)載能力并沒(méi)有充分利用。如果能使啟動(dòng)電流按虛線的形狀變化，充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使電機(jī)一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)大大縮短，只要t2就夠了。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動(dòng)過(guò)程曲線，其特點(diǎn)是在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流很快加大到允許過(guò)載能力值Idm，并且保持不變，在這個(gè)條件下，轉(zhuǎn)速n得到線性增長(zhǎng)，當(dāng)開到需要的大小時(shí)，電機(jī)的 電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流I fz值，對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動(dòng)一開始時(shí)應(yīng)為IdmR，隨著轉(zhuǎn)速n的上升，U IdmRCen也上升，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，U IfzRCen。這就要求

23、在啟動(dòng)過(guò)程中把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量，使之維持在電機(jī)允許的最大值Idm,并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生的。如下圖3.6圖3.6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（注：ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器TG直流測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器UPE電力電子裝置Un* 轉(zhuǎn)速給定電壓Un 轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*電流給定電壓Ui電流反饋電壓）為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖3.6所示。這就是說(shuō)把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器

24、的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看， 電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI調(diào)節(jié)器。采用PI 型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。Idmax時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主PI調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于最大電流 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idmax要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。

25、這就是采用了兩個(gè) 分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。3. 3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型3.3.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.7所示。輸出量的變穩(wěn)態(tài)為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時(shí)，化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)輸出未達(dá)到飽和時(shí)， 的輸入偏差電壓總是為零。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。U圖3.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；一電流反饋系數(shù)分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般

26、存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值。即飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 不飽和一一輸出未達(dá)到限幅值。即 PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。n 業(yè) no，而得實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)， 只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都是零，因此到下圖3.5靜特性的CA段。(2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和：輸出達(dá)到限幅值Uim，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)U *Id 巴Idm，從而得到下圖3.8靜特性的A

27、B段。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大 器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都 N略有很小的靜差，見圖 3.8的虛線。noIdNIdmId圖3.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性Id I dmASR主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差I(lǐng)d IdmACR主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無(wú)靜差(過(guò)電流保護(hù))332動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下圖3.9表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)框圖，圖中Wasr(s)和Wacr(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，著重分析電機(jī) 的起動(dòng)過(guò)程及抗擾動(dòng)性能。在起動(dòng)過(guò)程中

28、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動(dòng)性能包括抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。在起動(dòng)過(guò)程有三個(gè)特點(diǎn)：隨著 ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí),由于ASR退出轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。這就是 飽和非線性控制的特征。準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允 許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過(guò)載能力，是起動(dòng)過(guò)程盡可能的最快。轉(zhuǎn)速超調(diào)： 采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀 態(tài)

29、。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使飽和。即采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。T 0nS+ 1 IASRS3Un U*iKsTl S+1ITss+1501 T0iS+1Ui uT0+*ACRbC1- IdLRT mSCeT0nS+圖3.9雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)在實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波 環(huán)節(jié)。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾 波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)

30、間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用， 為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾 波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐?合，從而帶來(lái)設(shè)計(jì)上的方便。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時(shí)間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。第4章主電路各器件的選擇和計(jì)算4. 1變流變壓器容量的計(jì)算和選擇Y聯(lián)接。在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此

31、外，為了 盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這 里選項(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)繞組采用聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用S為整流變壓器的總?cè)萘浚?S為變壓器一次側(cè)的容量， Ui為一次側(cè)電壓，Ii為一次側(cè)電流， S2為變壓器二次側(cè)的容量， U2為二次側(cè)電壓，12為二次側(cè)的電流， mi、m2為相數(shù)，以下 就是各量的推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程。U2。為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交 流側(cè)的電壓U2只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓 影響U 2值的因素有：(1) U 2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大電流值的

32、I dmax。(2) 晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用VT表示。(3) 變壓器漏抗的存在會(huì)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(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降。(5) 電樞電阻的壓降。 綜合以上因素得到的U 2精確表達(dá)式為：U2式中 Admax 1) nUTUn1ra (-LdB CU K % I d max 100 Id (4-1)A十表示當(dāng)控制角00時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比;乩表示控制角為U d 0時(shí)和00時(shí)整流電壓平均值之比;C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù);U K %為變壓器的短路電壓百分比， 千伏安的變壓器取U K %5

33、10 ；為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。通常取0.9取較小值；100千伏安以下的變壓器取U K %5 , 100- 10001.05 ,供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大的情況raInR-7表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻R 的標(biāo)么值，對(duì)容量為15 KW 的電動(dòng)機(jī)，通常ra0.040.08。nUT表示主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。 丨 d maxI dNId max-負(fù)載電流最大值；Id maxIdN所以表示允許過(guò)載倍數(shù)。,計(jì)算所得U 2應(yīng)有一定的裕量，根據(jù)經(jīng)對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn) 驗(yàn)所知，公式中的控制角應(yīng)取300為宜。0.9， A 2.34， B coscos30°2，C

34、叫5，（其中 A、B、整流電路單相雙半 波單相半控橋單相全控 橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗 器的雙反星 形A Ud0/U20.90.90.91.172.342.341.17B Ud /Ud0cos1 coscoscos1 coscoscos22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5K|2 l2/ld0.707110.5780.8160.8160.289變流變壓器的計(jì)算系數(shù)C可以查表4.1中三相全控橋）表4.1r InRraUn4熒 0.141220(4-2)以下為計(jì)算過(guò)程和結(jié)果:Un1ra(gU2Id1) nUTA BCU K %1 d max 100 Id

35、220 1 0.141 (1.5 1) 2 11368V2.34 (0.9 f 監(jiān) 1.5)(4-3)這里可以取U2140V。實(shí)際選取為標(biāo)準(zhǔn)變壓器時(shí)可以通過(guò)改變線圈匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表4.1查得K|2 b/ld0.816即得出二次側(cè)電流的l1 l2/(U1 /U2)，所以一次側(cè)容量 S2m2U2l2。一次相電壓有效值U1取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為S 1( S2)。K|2為各種接線形式時(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。對(duì)于本設(shè)計(jì)K|2取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故(4-4 )l2 K|2 I n 1.5 0.816 53.5

36、65.484A根據(jù)整流變壓器的特性，即m1U 111m2U 212 m 取 3,所以U 111 U 21 2，所以整流變壓器的容量為:S 2(s S2)1-(U1l1 訕212)m2U2l2(4-5 )SmiU 1113 140 65.48427.50KVA(4-6 )設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為30KV A整流變壓器。4. 2整流元件晶閘管的選型正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運(yùn)行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件 主要是選擇它的額定電壓U和額定電流It(AV)首先確定晶閘管額定電壓Utm，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Urm，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電

37、壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計(jì)算公式：U TM (2 3)U RM( 4-7)對(duì)于本設(shè)計(jì)采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)ǎ谧韪胸?fù)載中晶閘管承受的最大電壓 URMJ6U2 2.45U2 ,故計(jì)算的晶閘管額定電壓為(4-8 )Utm (23) 76U2(2 3) 2.45 140 686V 1029V取 800V 。再確定晶閘管額定電流It(av),額定電流有效值大于流過(guò)元件實(shí)際電流的最大有效值。般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。1 d maxl N 1.5 53.580.25A(4-9 )(4-10 )IvT J1/3ldmax 46.33A由此可求出晶閘管的額

38、定電流，其公式為:It(av) (1.5-2)出1.5744.27 - 59.02(4-11 )可以取額定電流為 50A。本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)為額定電壓：VDRM 800V門極觸發(fā)電壓：VGT 3.5 V4. 3電抗器設(shè)計(jì)直流側(cè)電抗器的選擇KP( 3CT) -50A額定電流： IT(AV) 50A門極觸發(fā)電流：IGT 300 mA直流側(cè)串接一個(gè)只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動(dòng)分量，維持電流連續(xù) 提高整流裝置對(duì)負(fù)載供電的性能及運(yùn)行的安全可靠性。直流側(cè)電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動(dòng)；輕載或空載時(shí)維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路 電流上升率。(1)用于限制

39、輸出電流的脈動(dòng)的臨界電感Lm (單位為mHLm fN 103(4-12 )式中S電流脈動(dòng)系數(shù)，取 5%20% ；Su電壓脈動(dòng)系數(shù)，三相全控橋Su 0.46 ；fd輸出電流的基波頻率，單位為H Z，對(duì)于三相全控橋 fd300Hz。即Lm2 fd S 1 N1030.46 1402 3.14 300 10%融1036.39mH(4-13)(2)用于保證輸出電流連續(xù)的臨界電感L (單位為mH式中，IminKiLl I i min(4-14)為要求的最小負(fù)載電流平均值，單位為A，本設(shè)計(jì)中1 min 5% 1 N ；為計(jì)算系數(shù),三相全控橋K I0.693。即 LiI d min36.27mH0.05 5

40、3.5(4-15)(3)直流電動(dòng)機(jī)的漏電感L (單位為mH(4-16)La KdUn 1032npn wIN式中，Kd-計(jì)算系數(shù)，對(duì)于一般無(wú)補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī)Kd=812,對(duì)于快速無(wú)補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī)Kd=68，對(duì)于有補(bǔ)償繞組電動(dòng)機(jī)Kd=56,其余系數(shù)均為電動(dòng)機(jī)額定值。n p 極對(duì)數(shù)，取n p =2。KdUna2np nwI N10310 220103 6.85mH2 2 1500 53.5(4-17 )(4)折合到交流側(cè)的漏電抗(單位為mH= KbU2Uk%B1001 N(4-18 )式中，Uk%-變壓器短路比,般取為5% ；Kb為計(jì)算系數(shù)，三相全控橋Kb 3.9。前,KbUqUk% 3.9 140

41、即 Lb 100T；100 53.50.005mH(4-19)(5)實(shí)際要接入的平波電抗器電感LkLk max(Lm,Li) La 2Lb26.27 6.85 2 0.00519.41mH(4-20)可取LK 20mH(6)電樞回路總電感L LK 2Lb L 20 2 0.005 6.8526.86mH(4-21)4. 4主電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)但承受過(guò)電流和過(guò)電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，弱的多，短時(shí)間的過(guò)電流和過(guò)電壓都會(huì)使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在 選擇元件的容量外，還必須有完善的保護(hù)裝置。4. 4. 1過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流

42、側(cè)過(guò)電壓保護(hù)，前常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過(guò)電壓保護(hù)。1.交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)壓敏電阻采用由金屬氧化物(如氧化鋅、氧化鉍)燒結(jié)制成的非線性壓敏元件作為過(guò)電壓 保護(hù)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時(shí)只有很 微弱的電流(1mA以下)通過(guò)元件，而一旦出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)電壓，壓敏電阻可通過(guò)高達(dá)數(shù)千安 的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對(duì)過(guò)電壓反映快等優(yōu)點(diǎn)。 因此，是一種較好的過(guò)電壓保護(hù)元件。本設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為4.1所示。Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的

43、保護(hù)回路，如下圖式中,圖4.1二次側(cè)過(guò)電壓壓敏電阻保護(hù)(1 )壓敏電阻的額定電壓 U1mA選擇可按下式：U1mA1.3巫2lU1mA-壓敏電阻的額定電壓，VYJ型壓敏電阻的額定電壓有:(4-22 )100V、200V、440、760V、1000V 等；U2l -變壓器二次側(cè)的線電壓有效值，對(duì)于星形接法的線電壓等于相電壓，U2l屈 2。(4-23 )U1mA 1.3372 麗 140 456.09V式中,(2)計(jì)算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時(shí)：3 KZ 02lKz -能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，Kz 0.3 0.5 ;I02l -三相變壓器空載線電流有效值，l02l5%l2l 5%I2 2.185A。

44、I Rm(4-24 )式中,'2二 Kz I 0213(3)計(jì)算壓敏電阻的最大電壓1 RmU Rm的公式為U Rm2.1851.128A(4-25 )Kr-壓敏元件特性系數(shù);壓敏元件非線性系數(shù)。a在2025之間，URm在取akZ20時(shí),因此，壓敏電阻額定電壓取丄RIRm去KrIKr1.4 456.09650V型壓敏電阻。(4-26 )1.4U 1mA。丄1.12820642.38V(4-27 )A、B之間產(chǎn)生過(guò)電壓，可 (擊穿后)，正常工作時(shí)漏 它對(duì)沖擊電壓反2 .直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會(huì)在 以用非線性元?dú)饧种七^(guò)電壓，本設(shè)計(jì)壓敏電阻設(shè)計(jì)來(lái)解

45、決過(guò)電壓時(shí) 電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過(guò)電壓能力強(qiáng)，除此之外, 應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。其電路圖如右圖4.2所示。壓敏電阻的額定電壓 U1mA的選取可按下式計(jì)算:U 1mA壓敏電阻承受的額定電壓峰值0.8 0.9式中U1mA為壓敏電阻的額定電壓;為電網(wǎng)電壓升高系數(shù),般取1.051.10。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時(shí)輸出電壓Ud 。圖4.2 壓敏電阻保護(hù)電路對(duì)于本設(shè)計(jì):U 1 mAUd76U2COS min2.34 140 逅 283.71/2(4-28)0.8 0.9Ud1.05(0.8 0.9)283.71331.94V - 371.65V(4

46、-29)因此，壓敏電阻額定電壓取350V型壓敏電阻。3.晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)晶閘管對(duì)過(guò)電壓很敏感，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加的反向電壓超過(guò)其反向重復(fù)峰值電壓Udrm 定值時(shí)，晶閘管將會(huì)立即損壞。因此，必須研究過(guò)電壓的產(chǎn)生原因及抑制過(guò)電壓的方法。過(guò)電壓產(chǎn)生的原因主要是供 給的電壓功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來(lái)不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來(lái)積聚 的電磁能量不能及時(shí)消散而造成的。本設(shè)計(jì)采用如右圖當(dāng)正向電壓超過(guò)其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時(shí)，就會(huì)誤導(dǎo)通,4.3阻容吸收回路來(lái)抑制過(guò)電壓。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式(24) It10 310 30Pr2CU圖4.3阻容吸收回路得:(2Er4)It 10 3CUm22(24

47、) 50丄 0.2 10 6 210 31402由于一個(gè)周期晶閘管充放電各一次，因此2Er2 1.9610 33.92 10 3J3.92 100.023-0.196W功率選擇留56倍裕量因此，電阻R選擇阻值為20電容C選擇容量為0.10.2 F1.96 10 3J(56) P (56) 0.1961W 1.2W，功率選擇1W的電阻。0.20 F的電容。4. 4. 2過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)(4-30)(4-31)(4-32)(4-33 )(4-34 )過(guò)電流保護(hù)措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。(1 )在交流進(jìn)線中串接電抗器或采用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電 流。(2)在

48、交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)裝置，利用過(guò)電壓信號(hào)去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)?脈沖進(jìn)行封鎖。(3)交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過(guò)電流繼電器或直流側(cè)接入過(guò)電流繼電器，可以在發(fā)生過(guò) 電流時(shí)動(dòng)作，斷開主電路。(4 )對(duì)于大容量和中等容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進(jìn)行過(guò)載 或短路保護(hù)。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇：快速開關(guān)的額定電流 快速開關(guān)的額定電壓 快速開關(guān)的分?jǐn)嗄芰l2d額定整流電流In。UKid額定整流電壓 Un。I fd2d直流側(cè)外部短路時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值I d20?？焖匍_關(guān)的動(dòng)作電流Ig2d按電動(dòng)機(jī)最大過(guò)載電流整定Ig2d KIn式中，K為電動(dòng)機(jī)最大過(guò)載倍數(shù)，一般不大于2

49、.7; In為直流電動(dòng)機(jī)的額定電流。(5)快速熔斷器它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。在選擇時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題: 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。溶體的額定電流Ikn可按下式計(jì)算 1.57lTa Ikn It三相交流電路的一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)1.在本設(shè)計(jì)中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進(jìn)行三相交流電路的一次側(cè)過(guò)電流保護(hù), 保護(hù)原理圖4.4如下：.Or.圖4.4一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)電路(1) 熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應(yīng)大于或等于線路的工作電壓。本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇(2) 熔斷器額定電

50、流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。400V。本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的電流l1l1叢皿竺16.1AU1Ifu 1.6I11.6 16.125.76A熔斷器額定電流380(4-35)(4-36)因此，如圖4.4在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個(gè)熔斷器，按本課題的設(shè) 計(jì)要求熔斷器的額定電壓可選400V,額定電流選25A。2.晶閘管過(guò)電流保護(hù)晶閘管不僅有過(guò)電壓保護(hù)，還需要過(guò)電流保護(hù)。 由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大 電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，否則將遭至徹 底損壞。當(dāng)晶閘管中流過(guò)的大于額定值的電流時(shí)，熱量來(lái)不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，

51、最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。晶閘 管過(guò)電流保護(hù)方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質(zhì)熔絲埋于石英砂內(nèi)，熔斷時(shí)間極短,管。如右圖4.5快速熔斷器保護(hù)可以用來(lái)保護(hù)晶閘根據(jù)快速熔斷器的要求圖4.5晶閘管過(guò)電流保護(hù)2.45U 22.45 140343V熔斷器的額定電壓U KN U RM因此，按本課題的設(shè)計(jì)要求，用于晶閘管過(guò)電流保護(hù)的快速熔斷器的額定電壓可選擇(4-37)350V。第5章驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)5 .1晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸保證晶閘管在學(xué)要的時(shí)刻由阻斷出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和

52、輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：(1)觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于 相隔60°的雙窄脈沖。60°或米用(2)觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā) 電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12A/ US。(3)所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安 特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。(4)應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。 在本設(shè)計(jì)中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖5.1。5.1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1 t2 -脈沖前沿上

53、升時(shí)間(1 S )1t1 t3 -強(qiáng)脈沖寬度t, t4 -脈沖寬度IM -強(qiáng)脈沖幅值（3IgtI -脈沖平頂幅值（1.5Igt 2Igt ） 5 1 GT ) 2I常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。陰極之間輸出出發(fā)脈沖。 VD和R3是為了 V、V2由導(dǎo)通變?yōu)橹苯貢r(shí)脈沖變壓器 能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它的電路環(huán)節(jié)。5.2。它由V、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附當(dāng)V、V2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門極和TM釋放其儲(chǔ)存的晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對(duì) 來(lái)說(shuō)電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)不 采用。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計(jì)采用 的是集成觸發(fā)器，選擇目前國(guó)內(nèi)常用的KJ、KC