某軋機(jī)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練報(bào)告題 目 某軋機(jī)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 控制工程基地一班 指導(dǎo)教師 學(xué) 院 電信工程學(xué)院 答辯日期 摘要直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性;盡管近年來不斷受到其他電動(dòng)機(jī)（如交流變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）的挑戰(zhàn)，但到目前為止，它仍然是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的優(yōu)先選擇。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有

2、調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，在理論和實(shí)踐方面都比較成熟的系統(tǒng)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型的電力電子功率原件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)入脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation,簡(jiǎn)稱PWM）控制方式已成為絕對(duì)主流。這種控制方式很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)，從而為直流電動(dòng)機(jī)控制數(shù)字化提供了契機(jī)。關(guān)鍵字：直流調(diào)速 雙閉環(huán)控制 PWM 三相橋式 IGBT 目錄 摘要第一章 緒論 1第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案確定 2 2.1系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)要求2 2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇2 2.3

3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性6第三章 主電路和勵(lì)磁回路的設(shè)計(jì)與分析7 3.1 PWM變換器介紹7 6.2勵(lì)磁回路的選擇 10第四章 主電路元部件及參數(shù)計(jì)算 11 4.1整流變壓器容量計(jì)算11 4.2 IGBT管的參數(shù)11 4.3三相不可控橋整流二極管選擇13 4.4濾波電容選擇14 4.5 交流側(cè)過電壓保護(hù)15 4.6直流側(cè)過電壓保護(hù)16 4.7過電流保護(hù)設(shè)計(jì)17 4.8勵(lì)磁回路變流變壓器容量的計(jì)算和選擇18 4.9整流元件晶閘管的選型22第五章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)22 5.1 PWM信號(hào)發(fā)生器 25 5.2勵(lì)磁回路晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇25第六章 雙閉環(huán)

4、調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 6.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)27 6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)29總結(jié) 35參考文獻(xiàn)36 第一章 緒 論直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起制動(dòng)性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在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。直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流調(diào)速的電樞和勵(lì)磁不是耦合的，是分開的

5、，對(duì)電樞電流和勵(lì)磁電流能夠做到精確控制；而交流調(diào)速，電樞電流和勵(lì)磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的。因此在軋機(jī)、造紙等對(duì)力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反

6、饋發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究有實(shí)際意義。在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)并且要求有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制性能，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但長(zhǎng)期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案確定2.1系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)要求 采用轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主回路采用三相

7、全控橋不可逆系統(tǒng)。勵(lì)磁回路采用三相橋式晶閘管變流裝置供電，構(gòu)成勵(lì)磁電流閉環(huán)系統(tǒng)控制。技術(shù)數(shù)據(jù)：（1） 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)型號(hào)：Z2-62, 220V，68.5A，1500rpm，允許過載倍數(shù)，電樞回路電阻，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（2） 要求達(dá)到的性能指標(biāo)：，電流超調(diào)量，轉(zhuǎn)速無靜差，且空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇 2.2.1直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.2.1.1工作原理圖2-1表示是一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分(定子)上，裝設(shè)了一對(duì)用直流勵(lì)磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝置了由A和X兩根導(dǎo)體連成

8、的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片,換向片之間互相絕緣。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，固定在轉(zhuǎn)軸上。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1 和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。圖2-1 最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型如果將直流電壓直接加到線圈AX上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。設(shè)導(dǎo)體中的電流為，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受到電磁力的作用，線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩則為 式中，Da為電樞的外徑。由于電流為恒定，一周中磁通密度的方向?yàn)橐徽回?fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩TXA將是交變的，無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷B1、B2和換

9、向器再加到線圈上，這樣情況就不同。因?yàn)殡娝1 和B2靜止不動(dòng)，電流總是從正極性電刷B1 流入，經(jīng)過處于N極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于S極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷B2流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于N極和S極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時(shí)改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。2.1.1.2運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異，下面主要對(duì)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。工作特性

10、是指電動(dòng)機(jī)的端電壓U=UN，勵(lì)磁電流If=IfN時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Te和效率與輸出功率的關(guān)系，即n，。由于實(shí)際運(yùn)行中較易測(cè)得，且隨的增大而增大，故也可把工作特性表示為n，。上述條件中，為額定勵(lì)磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的勵(lì)磁電流。先看轉(zhuǎn)速特性。從電動(dòng)勢(shì)公式和電壓方程可知 （2-1）上式通常稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。此式表示，在端電壓U、勵(lì)磁電流均為常值的條件下，影響并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個(gè)：一是電樞電阻壓降；二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，電樞電流增大，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時(shí)，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個(gè)因素的影響部分地互相抵消，使并勵(lì)電動(dòng)

11、機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)用上，為保證并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開。若勵(lì)磁繞組斷開，=0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。此時(shí)若負(fù)載為輕載，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，造成“飛車”；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到起動(dòng)電流，引起繞組過熱而將電機(jī)燒毀。這兩種情況都是危險(xiǎn)的。機(jī)械特性是指，勵(lì)磁回路電阻=常值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。2.2.1.3電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速(1) 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)接到電源以后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程。對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的基本要求

12、是： 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大； 起動(dòng)電流要??； 起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。直流電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速，電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電樞電阻又很小，因而起動(dòng)電流將達(dá)到很大的數(shù)值，常須加以限制。另一方面，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)電流將使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之減小。這是互相矛盾的。通常采用保證足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下盡量減小起動(dòng)電流的辦法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法有三種： 直接起動(dòng)； 接入變阻器起動(dòng)； 降壓起動(dòng)。(2) 直流電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)是用以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，常常希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。直流電動(dòng)機(jī)在這些方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間

13、的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為式中轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（）；電樞電流（）；電樞回路總電阻（）；勵(lì)磁磁通（b）；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： 調(diào)節(jié)電樞供電電壓； 減弱勵(lì)磁磁通； 改變電樞回路電阻。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主1。2.2.2調(diào)速方案選擇PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)微處理器輸出的一系列數(shù)字脈沖

14、寬度進(jìn)行調(diào)制，等效地獲得模擬電路所需的波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路控制的一種有效技術(shù)。采用PWM技術(shù)可以避免傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)模擬電路容易隨時(shí)間飄移、產(chǎn)生一些不必要的熱損耗、以及對(duì)噪聲敏感等缺點(diǎn)，且PWM調(diào)速系統(tǒng)低速特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)由此來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及速度的動(dòng)態(tài)顯示，并且大幅度提高了轉(zhuǎn)速顯示的精確性。2.2.3調(diào)速電路方案本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式, 與晶閘管調(diào)速相比, 技術(shù)先進(jìn), 可減少對(duì)電源的污染。為使整個(gè)系統(tǒng)能正常安全地運(yùn)行, 設(shè)計(jì)了過流、過載、過壓、欠壓保護(hù)電路, 另外還有過壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。2.2.4控制方案選擇速度與電流雙

15、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, 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)速的無靜差調(diào)節(jié)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來看, 單環(huán)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)能承受的過載電流有一定限制來看, 要求啟動(dòng)電流的峰值不要超過允許數(shù)值。為達(dá)到這個(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2.1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

16、電流, 其啟動(dòng)時(shí)間為。圖2.1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, 要求盡量縮短過渡過程的時(shí)間。從圖2.1啟動(dòng)流變化的波形可以看到, 電流只在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最大允許值, 而其他時(shí)間的電流均小于此值, 可見在啟動(dòng)過程中,電機(jī)的過載能力并沒有充分利用。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, 只要就夠了。上述設(shè)想提出一個(gè)理想的啟動(dòng)過程曲線, 其特點(diǎn)是在電機(jī)

17、啟動(dòng)時(shí), 啟動(dòng)電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個(gè)條件下, 轉(zhuǎn)速得到線性增長(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, 隨著轉(zhuǎn)速的上升, 也上升, 達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí), 。這就要求在啟動(dòng)過程中把電動(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, 并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié)器來完成這個(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2.2圖2.2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

18、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)器都采用調(diào)節(jié)器。采用型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能

19、提供多少，直到飽和為止。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 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，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 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實(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)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖所示。 （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和式中， 轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)關(guān)系式可得 從而得到上圖靜特性的CA段。靜特性的水平特性與此同時(shí)，由于ASR不飽

20、和，U*i U*im，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知: Id Idm。 這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id = 0 一直延續(xù)到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于額定電流 IdN 的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值U*im ，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)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) 式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。靜特性的垂直特性式（2-2）所描述的靜特性是上圖中的AB段，它是垂直的特性。 這樣的下垂特性只適合于

21、n n0 ，則Un U*n ，ASR將退出飽和狀態(tài)。 第三章 主電路和勵(lì)磁回路的設(shè)計(jì)與分析 3.1 PWM變換器介紹 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對(duì)各種形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。 不可逆PWM變換器分為無制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖3.1（a）所示為無制動(dòng)作用的簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在絕緣柵雙極晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋

22、放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。 圖3.1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器電路 （a）原理圖 （b）電壓和電流波型絕緣柵雙極晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時(shí)，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為 式中，PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間改變，改變即可改變直流電動(dòng)機(jī)電樞平均電壓，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。 圖3.1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流（負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 直流

23、電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。 由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即 在期間 在期間 式中，R，L電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。 這種簡(jiǎn)單不可逆PWM電路中電動(dòng)機(jī)的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動(dòng)作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能均差。 圖3.2（a）所示為具有制動(dòng)作用的不

24、可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個(gè)象限中運(yùn)行。 VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。 在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是VT1和續(xù)

25、流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，在一般電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其電壓、電流波型如圖3.2（b）所示，與圖3.1中沒有VT2的情況完全一樣。 如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)中起作用。在期間，VT2在正的和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通，由E產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT2截止，只

26、能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，電壓和電流波型圖3-2（c）。反向電流的制動(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。 圖3.2 具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖3.2（d）中的期間的時(shí)刻。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部

27、時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時(shí)衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向?yàn)檠鼗芈方?jīng)VT1流通。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個(gè)電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖3-2（d），為輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形。 綜上所述，具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 由具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)有兩種過兩種狀態(tài)下電流的方向相反，即在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)為。3.2 勵(lì)磁回路的選擇 本設(shè)計(jì)

28、勵(lì)磁電路采用三相橋式晶閘管變流裝置供電，構(gòu)成勵(lì)磁電流閉環(huán)控制。 圖2-4三相橋式晶閘管變流裝置 三相全控橋整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽(yáng)極組串聯(lián)電路。三相全控橋式整流電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組同時(shí)進(jìn)行控制，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，觸發(fā)順序依次為：。6個(gè)觸發(fā)脈沖相依次相差為了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)在共陽(yáng)極組，另一個(gè)在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格俺編號(hào)輪流導(dǎo)通，其中晶閘管與按A相，晶閘管與按B相，晶閘管與按C相，晶閘管接成共陽(yáng)極組和共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陽(yáng)極組中點(diǎn)位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖

29、的晶閘管，以及接在電路共陰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)成完整的回路。如圖2-4所示。 由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（）常常不一致，故在主電路前端需配置一個(gè)整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時(shí)把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可以起到降低或減少晶閘管變流裝置對(duì)電網(wǎng)和電其他設(shè)備的干擾。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓，過電流保護(hù)裝置。 第四章 主電路元部件及參數(shù)計(jì)算4.1整流變壓器容量計(jì)算 4.1.1變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算 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。此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾。要求

30、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。 為整流變壓器的總?cè)萘浚瑸樽儔浩饕淮蝹?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流, 為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流，為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計(jì)算過程。 考慮占空比為，則 取 考慮10%的裕量 一、二次電流計(jì)算 變比 考慮空載電流，取 變壓器容量計(jì)算 設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為整流變壓器。4.2 IGBT管的參數(shù) IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動(dòng)作的高耐壓、大電流容量的兩種特點(diǎn)。其

31、開關(guān)速度可達(dá)1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅(qū)動(dòng)，自身?yè)p耗小。其符號(hào)和波形圖如圖4.1所示。 圖4.1IGBT 信號(hào)及波形圖 設(shè) 考慮占空比為，則 因?yàn)椋”对Ａ?，選耐壓為以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用以上,額定電壓1600V左右的IGBT。設(shè)計(jì)中選的IGBT管的型號(hào)是GT40T101,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場(chǎng)效應(yīng)管極限電壓Vm：1500V極限電流Im：80A額定電壓U：220V 續(xù)流二極管的選擇 根據(jù) 得知 續(xù)流二極管應(yīng)選、額定電壓為的二極管整流元件晶閘管的選型正確選擇晶閘

32、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 和額定電流首先確定晶閘管額定電壓，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，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計(jì)算公式： （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)?，在阻感?fù)載中晶閘管承受的最大電壓， 故計(jì)算的晶閘管額定電壓為 （4-8）取。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 （4-9） （4-10）由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： （4-11）可以取額

33、定電流為50A。本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)為KP（3CT）-50A額定電壓： VDRM 800V 額定電流： IT(AV) 50A門極觸發(fā)電壓：VGT 3.5 V 門極觸發(fā)電流：IGT 300 mA4.3三相全控橋整流二極管選擇 二極管承受反向最大電壓 考慮3倍裕量，則取 該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，仍可按電感計(jì)算，只是電流裕量要可適當(dāng)取大些即可。 濾波電容C1的選擇 C1一般根據(jù)放電的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算，多取2000 uF以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故 取 ，耐壓 取 即選用電容器。4.4濾波電容選擇 斬波器的散熱設(shè)計(jì)：

34、 熱管散熱技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際較流行的散熱方式，國(guó)內(nèi)近年來發(fā)展較快，被人們稱之為熱的“超導(dǎo)體”，已廣泛用于車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)，熱管的主要特點(diǎn)：高效的導(dǎo)熱性，高度的等溫性，熱流密度變換能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)多樣靈活、重量輕。由于IGBT模塊的開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，特別是對(duì)大功率IGBT模塊，一般普通型材散熱器難以滿足要求。熱管散熱器特別適合于這種安裝底板絕緣的大功率IGBT模塊散熱。目前適合于大功率IGBT模塊的熱管散熱器的熱阻可以達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)以下。過電流保護(hù)電路： 過電流保護(hù)采用的是在主電路中串聯(lián)一個(gè)1的電阻，在其兩端并聯(lián)電磁繼電器的線圈。過流保護(hù)信號(hào)取自電阻兩端的電壓，當(dāng)主電路的電流高于一定數(shù)值時(shí)，電磁繼電器

35、的開關(guān)閉合，接通低電平，該過電流信號(hào)還送到SG3525的腳10。在SG3525內(nèi)部由于T3基極與A端線相連，A端線由低電壓上升為邏輯高電平，經(jīng)過SG3525A的13腳輸出為高電平，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失。在電路中，過流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)： 在斬波電路中對(duì)斬波器的保護(hù)，實(shí)際上就是對(duì)IGBT的保護(hù)。所以重要的是怎么設(shè)計(jì)好對(duì)開關(guān)管IGBT的保護(hù)方案。在設(shè)計(jì)對(duì)IGBT的保護(hù)系統(tǒng)中，主要是針對(duì)過電流保護(hù)和開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)。I

36、GBT的過電流保護(hù) IGBT的過流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)810倍）的短路保護(hù)。對(duì)于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5s，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15s，45V時(shí)可達(dá)30

37、s以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。 通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。 降柵壓旨在檢測(cè)到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一

38、延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。 IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護(hù) 關(guān)斷IGBT時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/s。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對(duì)

39、于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來加以控制。4.5交流側(cè)過電壓保護(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）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時(shí)電壓，壓敏電阻可通過高達(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)過電壓反映快等優(yōu)點(diǎn)。因此，是一種較

40、好的過電壓保護(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Y聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護(hù)回路，如下圖4.2所示。 圖4.2 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護(hù)（1）壓敏電阻的額定電壓選擇可按下式： 式中，-壓敏電阻的額定電壓， VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等；-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，。 （2）計(jì)算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時(shí)： （4-24） 式中，-能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，； -三相變壓器空載線電流有效值， （3）計(jì)算壓敏電阻的最大電壓的公式為 式中，-壓敏元件特性系數(shù)； -壓敏元件非線性系數(shù)。 一

41、般 在2025之間，在取時(shí)，。 因此，壓敏電阻額定電壓取650V型壓敏電阻。4.6直流側(cè)過電壓保護(hù)圖4.2 壓敏電阻保護(hù)電路整流器直流側(cè)在快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過電壓，可以用非線性元?dú)饧种七^電壓，本設(shè)計(jì)壓敏電阻設(shè)計(jì)來解決過電壓時(shí)(擊穿后)，正常工作時(shí)漏電流小、損耗低，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過電壓能力強(qiáng)，除此之外，它對(duì)沖擊電壓反應(yīng)快，體積又比較小，故應(yīng)用廣泛。其電路圖如右圖4.3所示 。 壓敏電阻的額定電壓的選取可按下式計(jì)算： 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 圖4.3直流側(cè)過電壓保護(hù)式中為壓敏電阻的額定電壓；為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取1.051.10。壓敏電阻承

42、受的額定電壓峰值就是 對(duì)于本設(shè)計(jì)： （4-29）因此，壓敏電阻額定電壓取300V 型壓敏電阻。 4.7過電流保護(hù)設(shè)計(jì) 過電流保護(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）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)裝置，利用過電壓信號(hào)去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進(jìn)行封鎖。（3）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時(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)的額定電流額定整流

43、電流。 快速開關(guān)的額定電壓額定整流電壓。 快速開關(guān)的分?jǐn)嗄芰χ绷鱾?cè)外部短路時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值?？焖匍_關(guān)的動(dòng)作電流按電動(dòng)機(jī)最大過載電流整定 式中，K為電動(dòng)機(jī)最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；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。 溶體的額定電流可按下式計(jì)算 1.三相交流電路的一次側(cè)過電流保護(hù) 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)過電流保護(hù)，保護(hù)原理圖4.4如下： 圖4.4 一次側(cè)過電流保護(hù)電

44、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400V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。 本課題設(shè)計(jì)中變壓器的一次側(cè)的電流 熔斷器額定電流 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，由于熔斷器的額定電壓要大于變壓器的一次側(cè)電壓380V，則熔斷器的額定電壓可選400V，由計(jì)算知額定電流選70A。4.8 勵(lì)磁回路變流變壓器容量的計(jì)算和選擇 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；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要

45、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Y聯(lián)接。為整流變壓器的總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流, 為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計(jì)算過程。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。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大電流值的。(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，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降。

46、(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精確表達(dá)式為： 表示當(dāng)控制角時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比；表示控制角為時(shí)和時(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)；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器??；為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。通常取,供電質(zhì)量較差，電壓波動(dòng)較大的情況應(yīng)取較小值； 表示電動(dòng)機(jī)電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對(duì)容量為的電動(dòng)機(jī)，通常。表示主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降。- 負(fù)載電流最大值；所以,表示允許過載倍數(shù)。對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在

47、額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),計(jì)算所得應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知,公式中的控制角應(yīng)取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控橋）表3.1 變流變壓器的計(jì)算系數(shù)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0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289 以下為計(jì)算過程和結(jié)果： （3-30）這里可以取。實(shí)際選取為標(biāo)準(zhǔn)變壓器時(shí)可以通過改變線圈匝數(shù)。 根據(jù)主電路的不同的接線方式，由表3.1查得即得出二次側(cè)電流的有效值,從而求的、出變壓器二

48、次側(cè)容量。而一次相電流有效值，所以一次側(cè)容量。一次相電壓有效值取決于電網(wǎng)電壓。所以變流變壓器的平均容量為。 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)取0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故 （3-31）根據(jù)整流變壓器的特性，即 取3，所以，所以整流變壓器的容量為： （3-32） （3-33）設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為整流變壓器。4.9 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 和額定電流首先確定晶閘管額定電壓，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，考慮到

49、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計(jì)算公式： (3-34) 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， 故計(jì)算的晶閘管額定電壓為 （3-34）取。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 （3-35） （3-36）由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： （3-37） 可以取額定電流為2A。本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號(hào)為KK-200-8額定電壓： VDRM 800V 額定電流： IT(AV) 200A門極觸發(fā)電壓：VGT 3.5 V 門極觸發(fā)電流：IG

50、T 300 mA 第五章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)5.1 PWM信號(hào)發(fā)生器PWM信號(hào)發(fā)生器以集成可調(diào)脈寬調(diào)制器SG3525為核心構(gòu)成，他把產(chǎn)生的電壓信號(hào)送給兩個(gè)IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比，而達(dá)到調(diào)速的目的。其控制電路如圖4-1所示. 圖4-1 PWM控制電路5.1.1 SG3525芯片的主要特點(diǎn) SG3525為美國(guó)Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，如圖4-2所示。 圖4-2 SG3525芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，其內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個(gè)幅度相等、頻率相等、相位相互錯(cuò)開180度、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號(hào)）。它適用于各開