帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)直流 調(diào)速系統(tǒng)前言電動機(jī)作為一種有利工具，在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。而直流電動機(jī)具 有很好的啟動， 制動性能，所以在一些可控電力拖動場所大部分都采用直流電動機(jī)。而在直流電動機(jī)中，帶電壓截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用也最為廣泛，其廣泛 應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動控制。他通常采用三 相全橋整流電路對電機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模 擬元件， 比如：晶閘管、各種線性運(yùn)算電路的等。 雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求， 但是元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜，通用性差，控制 效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致

2、使系統(tǒng)的運(yùn)行特征也隨著變化，所 以系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。直流調(diào)速系統(tǒng)是由功率晶閘 管、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電路、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路、積分電路、電流反饋電路、 以及缺相和過流保護(hù)電路。通常指人為的或自動的改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作 機(jī)械的要求。 機(jī)械特性上通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機(jī)的 機(jī)械特性，從而改變電動機(jī)的機(jī)械特性和工作特性的機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動機(jī)的 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化由于本人和能力有限，錯(cuò)誤或不當(dāng)之處再所難免，期望批評和指正第 1 章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成1.1 V M系統(tǒng)簡介晶閘管 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱 VM 系統(tǒng)），其簡單原理圖如

3、圖 1。圖中 VT 是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半 控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位， 即可改變 整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：1由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成 困難。2元件對過電壓、過電流以及過高的 du/dt 和 di/dt 都十分敏感，其中任一 指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還 應(yīng)有足夠的余量。圖 1.1 V M 系統(tǒng)1.2 主電路的確定雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的

4、一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用 最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機(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（將近 50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動機(jī) 連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求 。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 和共陽極組串聯(lián)電路，如圖六所示。三相全控橋整流電路可實(shí)現(xiàn)對共陰極組和 共陽極組同時(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： VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 ，6 個(gè)觸發(fā)脈沖 相位依次相差 60 o。為了構(gòu)成

5、一個(gè)完整的電流回路， 要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通， 其中一個(gè)在共陽極組，另外一個(gè)在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪 流導(dǎo)通。晶閘管 VT1與VT4 按 A相，晶閘管 VT3與VT6 按 B相，晶閘管 VT5與VT2 按 C相，晶閘管 VT1、 VT3、 VT5 接成共陽極組，晶閘管 VT4、 VT6、 VT2 接成共陰 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。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（ U2）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

6、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電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾 ?？紤]到控制角 增大，會使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動機(jī)時(shí)，由 于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導(dǎo)通角 減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機(jī)的損耗，故在直流側(cè) 串接一個(gè)平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù)。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。第二章 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制電壓 Uc 就可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生 產(chǎn)工藝對運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

7、都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi) 的無級調(diào)速，但是，對靜差率有較高要求時(shí)，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 這時(shí)就要采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用 PI 調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速無靜差。第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算3.1 整流變壓器容量計(jì)算3.1.1 次級電壓 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)算整流變壓器次級電壓 U2。影響 U2 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Ud（2）晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，

8、導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用UT 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(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 U2 精確表達(dá)式為：A= Ud 0/U2，表示當(dāng)控制角 =0時(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值 之比。B=Ud/Ud0，表示控制角為 時(shí)和 =00 時(shí)整流電壓平均值之比。UK % 變壓器的短路電壓百分比， 100千伏安以下的變壓器取 UK%=5 ，1001000 千伏安的變壓器取 UK%=58為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動 +5%-10% ，即 =1.050.9C 是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù) 的

9、電動機(jī)，通常 ra=0.080.04 nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降 對于本設(shè)計(jì)：為了保證電動機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn) ,計(jì)算所得的 U2 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raINRUN，表示電動機(jī)電樞電路總電阻 R 的標(biāo)么值，對容量為 15150KW3=0.9,A=2.34,B=coscos300= 3 ， C=0.5， UK %=52220 0.124400.06440 0.06 1.5 1 1 2 1262.35V2.34 0.9 3 0.5 5 1.52 100取 U2=270V3.1.2 次級電流 I2 和變壓器容量：I2=KI2

10、Id , KI2 為各種接線形式時(shí)變壓器次級電流有效值和負(fù)載電流平均 值之比。對于本設(shè)計(jì) KI2 取 0.816,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗，故I2=0.816220=179.52AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I 2=3270179.52=145.41KVA3.2 晶閘管的電流、電壓定額計(jì)算3.2.1 晶閘管額定電壓 UTN 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 Um ，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬 23 倍的安全系數(shù)，即按下式選UTN=（ 23） UM ，式中系數(shù) 23 的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對可靠性的 要求程度而定。對

11、于本設(shè)計(jì)， UM= 6 U2， 故計(jì)算的晶閘管額定電壓為 UTN=（23） 6 U2=（23） 6 270=13231984V, 取 1800V3.2.2 晶閘管額定電流 IT（AV）為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計(jì)算其電流額定 值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值?？?按下式計(jì)算：IT（AV）=（1.52）KfbI MAX，式中計(jì)算系數(shù) K f b=Kf/1.57Kb 由整流電路型式而定， 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) =00時(shí)，三相全控橋電路 K fb=0.368 故計(jì)算的晶閘管額定電流為 IT（AV）=（1.

12、52）KfbIMAX =（1.52） 0.368 （220 1.5）=182.16 242.88A ，取 200A3.3 平波電抗器電感量計(jì)算對于三相橋式整流電路L=0.693U2/Idmin平波電抗器 L2=L-La3.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算3.4.1 過電壓保護(hù) ：交流側(cè)過電壓的保護(hù)圖一采用 RC 過電壓抑制電路如圖一所示， 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。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)，阻容保護(hù)裝 置采用三

13、角形接法，故可按下式計(jì)算阻容保護(hù)元件的參數(shù)1STC6i 0% T2 （ F）3U 22電容 C 的耐壓 UC 1.5 3 2U 2（V）3 2.3U 2UK%(STi0% (電阻 R 的功率為2PR (3 4)IC 2R(W)1） 電容器的計(jì)算C 1 6i 0% ST2 23 U 2235 48.47 210 6.6( F) ,取 7 F 2702UC 1.5 3 2U 21.5 6 270 992(V),取 1200V選擇 C=7F，耐壓 1200V 的金屬化紙介電容6.9R 3 2.3U 2STUK% i0%（2） 電阻值的計(jì)算)取 R=20270 3 5 10.38(48.47 10 3

14、 5RC支路電流 I C近似為6IC 2 fCU C 10 6 23.14 50 6 6 270 10 61.246( A)電阻 R 的功率為 PR22(34)IC2R (3 4) 1.246222 103 136(W )直流側(cè)的過電壓保護(hù)整流器直流側(cè)開斷時(shí)，如直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會在 A 、B 之間產(chǎn)生 過電壓，如圖二所示本設(shè)計(jì)用非線性元?dú)饧种七^電壓，在 A 、B 之間接入的是壓敏電阻，這是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，擊穿前漏電流為微安數(shù)量級，損耗很小，過電壓時(shí) （擊穿后 ）則能通過達(dá)數(shù)千安的浪涌電流， 所以抑制電流能

15、力很強(qiáng)。壓敏電阻的額定電壓 U1mA 的選取可按下式計(jì)算U1mA 1.8 2.2 Ud0(V)Ud0 為晶閘管控制角 =00時(shí)直流輸出電壓圖二對于本設(shè)計(jì)： U1mA 1.8 2.2 Ud0 1.8 2.2 2.34 270 1138 1390(V )通常用于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晶閘管換相過電壓保護(hù)如右圖，在晶閘管元件兩端并聯(lián) RC 電路，起到晶閘管換相過 電壓的保護(hù)。串聯(lián)電阻 R的作用一是阻尼 LTC 回路的震蕩，二是限 制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率 di/dt 。R、C 值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，對于本設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為 220A， 故

16、C 可取 0.3 F ,R 可取 20 。3.4.2 過電流保護(hù) 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應(yīng)用最普遍的 過電流保護(hù)元件，其斷流時(shí)間一般小于 10ms，按圖四接法熔斷器與每一個(gè)晶閘 管元件相串聯(lián)，可靠的保護(hù)每一個(gè)晶閘管元件。熔斷器的額定電壓、電流可按下式計(jì)算額定電壓 URN：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流 ： I RN Ki KaIR (A)Ka 環(huán)境溫度系數(shù)，取 Ka =11.2I R 實(shí)際流過快熔的電流有效值Ki 電流裕度系數(shù)，取 K i =1.11.5對于本設(shè)計(jì)：因 U2=270V ，取 URN=550VIR1 I d1 220 127.17 A ，1

17、19( A)， 取 IRN =120A 。3 d 3第 4 章 驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(jì)KJ004 可控硅移相電路可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。器件輸出兩路相差 180 度的移相脈沖 ,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出 負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。一、電路工作原理： 電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電 路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6 、RW1, 流出的充電電流和積分電容 C1 的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權(quán)電阻 R1 、R2的比例 ,調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓 VP 。同時(shí)調(diào)整鋸齒波斜率電位器 RW1, 可以使不同的移相控制 電壓獲得整個(gè)移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加 ,導(dǎo)通角增大。 R7 和 C2 形成微分電路 , 改變 R7 和 C2 的值 , 可獲得不同的脈寬輸出。的同步電壓為任意值。二、封裝形式電路采用雙列直插 C 16 白瓷和黑瓷兩種外殼封裝 ,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體集成電路外形尺寸 SJll00 76功能輸 出空鋸齒波形 成-Vee(1k )空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸 出+Vcc引