原創(chuàng)】晶閘管直流電動(dòng)機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、摘要直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、 制動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)）,和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)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(jì)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(duì)晶閘管相控整流調(diào)速系統(tǒng)的主電路，保護(hù)電路，檢 測(cè)電路和觸發(fā)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且計(jì)算了相關(guān)參數(shù)。最后給出了這次設(shè)計(jì)的心得體會(huì)，參考文獻(xiàn)和系統(tǒng)的電氣總圖。目錄設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 I

2、摘要 皿第二章 系統(tǒng)主電路原理分析 4第一節(jié) 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)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(jì) 8第一節(jié) 整流變壓器參數(shù)計(jì)算 8第二節(jié) 晶閘管參數(shù)計(jì)算 9第三節(jié) 其他參數(shù)計(jì)算 10第四章 保護(hù)電路 11第一節(jié) 過電壓保護(hù) 11第二節(jié) 過電流保護(hù) 14第五章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 16第一節(jié) 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 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(xiàn) 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(dòng)機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)原理晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖 3.1 所示：圖

3、3.1 晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)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(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電 流，兩者之間實(shí)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(jì)；速度調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)，按典型H型系 統(tǒng)設(shè)計(jì)。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， 這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在給定突加 （含啟動(dòng)）的過程中表現(xiàn) 為一個(gè)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(dòng)態(tài)及靜態(tài)品質(zhì)。第二節(jié) 總體方案直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電。

4、晶閘管相控整流電路有單相， 三相，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(jì)中直流電動(dòng)機(jī)采 用三相橋式全控整流電路作為直流電動(dòng)機(jī)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Ud的大小，從而改變電動(dòng)機(jī) 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(diǎn)是：每個(gè)時(shí)刻均需 2 個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通， 形成向負(fù)載供電的回路， 其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的， 一個(gè)是共陽極組的， 且不能為同一相的晶閘管。對(duì)觸發(fā)脈沖也有一定的要求， 6 個(gè)晶閘管的脈沖 按V

5、TVT VT3VT4 VTVT6的順序，相位依次差 60,共陰極組的 VT、 VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT,、VT、VT也依次差120，同一 相的上下兩個(gè)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(jí)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(gè)合適的輸入電壓 ,使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)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(jìn)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(shí) , 有時(shí)會(huì)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

6、時(shí) ,也可以不經(jīng)變壓器而直接與電網(wǎng) 連接, 不過要在輸入端串聯(lián)進(jìn)線電抗器以減少對(duì)電網(wǎng)的污染。 此設(shè)計(jì)中在主電 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，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對(duì)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(huì)造成負(fù)載電流斷續(xù)，當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速將抬高，機(jī)械特性變軟，負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。負(fù)載電流要維持導(dǎo)通，必須加平波電抗器來存儲(chǔ)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

7、瞬態(tài)過電壓保護(hù)及濾波，晶閘 管并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成關(guān)斷緩沖，快速熔斷器直接與晶閘管串聯(lián)，對(duì)晶閘管 起短路過電流保護(hù)作用。第三章 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算第一節(jié) 整流變壓器參數(shù)計(jì)算一、次級(jí)電壓 U2 的計(jì)算在進(jìn)行變壓器計(jì)算之前 ,應(yīng)該確定負(fù)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(jí)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(huì)使得設(shè)備運(yùn)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 U2 過低又會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn) 當(dāng)a =a min時(shí)仍然得不到負(fù)載要求的直流電壓的現(xiàn)象。通常次級(jí)電壓，初級(jí)和次級(jí)電流根據(jù)設(shè)備的容量 , 主接線結(jié)

8、構(gòu)和工作方式來定。 由于有些主接線形 式次級(jí)電流中含有直流成分 , 有的又不存在 ,所以變壓器容量的計(jì)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(fù)載所需求的最大直流值Udo2)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Ur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。當(dāng)整流電路采用三相全控橋整流時(shí)，并采用以轉(zhuǎn)速反饋為主反饋的調(diào)速系統(tǒng)時(shí)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)：3U2=( 0.951.0)UN可逆

9、系統(tǒng)：3U2=( 1.051.1)U3U2=( 0.951.0 ) UN= (0.951.0 ) X 220=209220V U2=120.67127.02V 取 U2=125V二、次級(jí)電流丨2及變壓器容量的計(jì)算丨2二K2 Id , K I2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。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mUI 2=3X 125X 14.28=5.36KVA第二節(jié)晶閘管參數(shù)計(jì)算、晶閘管額定電壓UTn通常取晶閘管的Udri和UHrM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓，但是在

10、選 用時(shí)額定電壓要留有一定的裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所能 承受的峰值電壓的23倍。因?yàn)椴捎萌嗳貥蛩?U=.6L2,所以晶閘管的額定電壓為：LTn= （23）、6U2=（ 23）X .6 X 125= 612.4 918.6V取 LtN=800V二、晶閘管額定電流Itn按電流的有效值來計(jì)算電流額定值。I t（av）= （1.52） KfJ max ,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(shí)，三相全控橋電路Kb=0.367 ,It（av）= （1.52）心扁=（1.52） X 0.367 X （17.5 X 1

11、.2）=11.56 15.41A ,取 I tN=15A。可選晶閘管型號(hào)：KP15-8第三節(jié) 其他參數(shù)計(jì)算一、電樞電感Lm的計(jì)算式中P電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)，Kd計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無補(bǔ)償電機(jī)：K=81210 220 103rrKDLNX103P=2, Kd=10 貝y Lm 二 20.95(mH)2Pn n|n2漢2漢15007.5二、整流變壓器漏電感Lb的計(jì)算LKbU% 士(mH)100IdU2變壓器次級(jí)相電壓有效值，1 d 晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電 流,Kb與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)Q3.9，Uk%=5則“弘囂如爲(wèi)需冷“時(shí)）第四章保護(hù)電路第一節(jié)過電壓保護(hù)一、直流側(cè)過電壓保護(hù)當(dāng)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或

12、橋臂快熔熔斷時(shí)會(huì)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(jì)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(jì)算U1fmA - 1.82.2 Ud0（V） , Udo為晶閘管控制角:=00時(shí)直流輸出電壓。保護(hù)措施如圖4.1所示：Ud圖4.1直流側(cè)過電壓保護(hù)U1mA _ 1.82.2 山。_ 1.82.2 2.34 125 =526.5 643.5V)通常作為中小功率整流器操作過電壓保護(hù)時(shí)，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(hù)電路。R、C值根據(jù)工程手冊(cè)選取，此設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為15

13、A，故C可取0.3 lF ,R可取201。三、交流側(cè)過電壓保護(hù)交流側(cè)過電壓保護(hù)如圖4.3所示:圖4.3交流側(cè)過電壓保護(hù)在變壓器次級(jí)并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量， 并把 它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而存儲(chǔ)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(hù)裝置采用三角形接法，故可按下式計(jì)算阻容保護(hù)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(jì)算容量（VA），U變壓器次級(jí)相電壓有效值（V）,

14、 io% 勵(lì)磁電流百分比，當(dāng)SW幾百伏安時(shí)i%=10,當(dāng)St 1000伏 安時(shí)io% =35。U%變壓器的短路電壓百分比。I c,UC當(dāng)R正常工作時(shí)電流電 壓的有效值。UK%=5 i0%=5, St=145.413=48.47KVA(1)電容的計(jì)算,取4fUc1.5 ,3 2U1.5 .6 125 459.2V,取 500V選擇C=4 F,耐壓500V的電容。電阻值的計(jì)算取 R=25RC支路電流Ic近似為：電阻 R的功率為 P-(34)lC(34) 0.628 25= 29.539.4W第二節(jié)過電流保護(hù)常用的短路過電流保護(hù)器件為快速熔斷器。選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：(1) 電壓等級(jí)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承

15、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(hù)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(shí)間-電流特性。此次設(shè)計(jì)采用快熔作為短路過電流保護(hù)的裝置，如圖4.4所示：圖4.4過電流保護(hù)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(jì)算系數(shù)，取 Kut =2.45額定電流Irn :Ki電流裕度系數(shù)，取Ki=1.11.5，Ka 環(huán)境溫度系數(shù)，取 =11.2，I R 實(shí)際流過快熔的電流有效值。因 U2=125V,取 URn=220V,Irn -KKIr =1.5 1.2 10.仁18.

16、18A，取Irn =20A 根據(jù)算出的額定參數(shù)可選擇Id117.5 =10.1A相應(yīng)的快熔。第五章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)第一節(jié) 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流反饋環(huán)節(jié)由霍爾元件及運(yùn)算放大器組成， 用以檢測(cè)可控硅直流側(cè) 的電流信號(hào)，以獲得與電流成正比的直流電壓信號(hào)和過流信號(hào)。速度反饋環(huán) 節(jié)把測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的電壓變換為適合控制系統(tǒng)的電壓信號(hào)。電流檢測(cè)電路 如圖 5.1 所示：圖 5.1 電流檢測(cè)電路第二節(jié) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)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/2-I1-l。調(diào)節(jié)器輸出-p Ct

17、反饋信號(hào)。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(huì)在允許范圍內(nèi)有一定的波動(dòng)。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(gè)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(gè)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(hào)，這樣，由同步 電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的

18、。接下來的 問題是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號(hào)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(diǎn)，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(gè)晶體管進(jìn)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(jì) 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的接