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V-M双闭环不可逆直流调速系统设计.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.24M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第1章 主电路各器件的选择和计算
    1．1 变流变压器容量的计算和选择
    1．2 整流元件晶闸管的选型
    1．3 电抗器设计
    1．4 主电路保护电路设计
    1．4．1过电压保护设计
    1．4．2过电流保护设计
    第2章 驱动电路的设计
    2．1晶闸管的触发电路
    2．2脉冲变压器的设计
    第3章双闭环调速系统调节器的动态设计
    3．1 电流调节器的设计
    3．2 转速调节器的设计
    从计算得的退饱和超调量，可知满足动态指标要求，因
    设计小结
    [参考文献]
    附表
    摘 要 摘要： 本设计是一个双闭环不可逆直流调速系统，采用了晶闸管---直流调速装置来调节直流电 动机的转速。采用晶闸管的好处是能使该直流电动机进行连续平滑的调速，且具有较宽地转 速调速范围（D≥10）。此装置有可靠的过电压过电流保护措施，该调速装置在 5%负载以上 变化的运行范围内工作时，晶闸管的输出电流连续，并且具有良好的静特性与动态性能。 关键词： 双闭环 晶闸管 转速调节器 电流调节器 第 1 章 主电路各器件的选择和计算 1．1 变流变压器容量的计算和选择 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了 尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这 里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用 Y 联接。 S 为整流变压器的总容量，S 为变压器一次侧的容量， 1U 为一次侧电压, 1I 为一次侧电流, 2S 为变压器二次侧的容量， 2U 为二次侧电压， 2I 为二次侧的电流， 1m 、 2m 为相数，以 下就是各量的推导和计算过程。 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交 流侧的电压 2U 只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压 2U 。 影响 2U 值的因素有： 2U 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的 max (1) (2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用 TV 表示。 (3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。 dI 。 (4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。 (5)电枢电阻的压降。 综合以上因素得到的 2U 精确表达式为： I U N [1  r a (  1)]  nU T U 2  [ A B   max d I d CU K 100 % I  ] max d I d （4-1） 式 中 A  U d U 2 0 表示当控制角 00 时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比； 1
    B  U U d  0d 表示控制角为时和 00 时整流电压平均值之比； C 是与整流主电路形式有关的系数； %KU 为变压器的短路电压百分比，100 千伏安以下的变压器取 KU 5%  ，100～1000 千伏安的变压器取 % 5  KU  ； 10 为电网电压波动系数。通常取 0.9  1.05 ,供电质量较差，电压波动较大的情况应 取 较 小 值 ； r a   RI N U N 表示电动机电枢电路总电阻 R 的标么值，对容量为15 ~  KW 的 电动机，通常 ar  0.04  0.08 。 TnU 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。 dI -- 负载电流最大值； max I  所以 max max dN I I d ,表示允许过载倍数。 d I dN 对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得 2U 应有一定的裕量,根据 经验所知,公式中的控制角应取 300 为宜。 9.0 ， 34.2A ， B  cos   cos 30 O  3 2 ， 5.0C , KU 5%  ，（ 其 中 A、B 、 C 可 以 查 表 4.1 中 三 相 全 控 桥 ） 表 4.1 变流变压器的计算系数 整流电路 单相双半 波 单相半控桥 单相全控 桥 三相半波 三相半控桥 三相全控桥 A U U  / d 0 2 B U U  / d d 0 C I  2 / I d K I 2  0.9 0.9 cos 1 cos 2 0.707 0.707 0.707 1 1.17 0.9 2.34 cos cos 1 cos  2 0.707 0.5 0.816 0.866 0.578 1 2.34 cos 0.5 0.816 r a  I R N  U N  50 1.55  210  0.369 以下为计算过程和结果： 带平衡电抗 器的双反星 形 1.17 cos 0.5 0.289 （4-2） U 2  U [1  r a ( N [ A B   I max d I d CU K 100  1)]  nU T % I  ] max d I d    210 [1 0.369 (1.5 1)] 2 1 144.43 V 2.34 (0.9   1.5)       3 2  0.5 5  100 2
    （4-3） U 这里可以取 2  150 V 。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。 根据主电路的不同的接线方式，由表 4.1 查得 2 I K  I 2 I d  0.816 即得出二次侧电流 的有效值 I K  2  I 2  I d ,从而求的、出变压器二次侧容量 2 S m U I 2 2  2 。而一次相电流有效 值 I  1 UUI 2 /( / 1 ) 2 ，所以一次侧容量 S  2 IUm 22 2 。 一 次 相 电 压 有 效 值 1U 取决于电 网电压。所以变流变压器的平均容量为 级电流有效值和负载电流平均值之比。 S  1 ( 2 S 1  。 2IK 为各种接线形式时变压器次 S ) 2 对于本设计 2IK 取 0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故  根据整流变压器的特性，即 K   I I  N 2 2 I .05.1  816  50  2.61 A （4-4） IUm 11 1  IUm 22 2 S  m 取 3，所以 1 2 IUmS 11 S 1    S ( ) 1 2  11 IUIU 2 1 2 3  150  ( ，所以整流变压器的容量为： 2 mU I m U I 1 2 2 1 1  2 )  m U I 2 2 2 （ 4-5 ） 设 计 时 留 取 一 定 的 裕 量 ， 可 以 取 容 量 为 KV  A 整 流 变 压 器 。  54.27 KVA （4-6） 2.61 30 1．2 整流元件晶闸管的选型 正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件 主要是选择它的额定电压 TMU 和额定电流 TI ( AV ) 首先确定晶闸管额定电压 TMU ，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大 电压 RMU ，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽 2～3 倍的安全系数，则 计算公式： U TM )3~2( U RM （4-7） 对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按 1 至 6 的顺序导通，在阻感负载中晶 闸管承受的最大电压 6 U 故计算的晶闸管额定电压为 RMU   2.45 U ， 2 2 TMU  (2 3)   6 U 2  (2 3) 2.45 150 6735 V      1102 V 取800V 。 （4-8） 再确定晶闸管额定电流 TI ( AV ) ，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。 一般取按此原则所得计算结果的 1.5～2 倍。 3
    I d max I   N  5.1  50  75 A （4-9） I VT  3/1 I max  d 30.43 A （4-10） 由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： I T ( AV )  )2~5.1( I VT 57.1  16.55~37.41 （4-11） 可以取额定电流为 50A。 本设计选用晶闸管的型号为 KP（3CT）-50A 额定电压： 门极触发电压：VGT  3.5 V VDRM 800V 额定电流： IT(AV) 门极触发电流：IGT 50A  300 mA 1．3 电抗器设计 直流侧电抗器的选择 直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续, 提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。直流侧电抗器的主要作用为了限制直 流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路 电流上升率。 （1）用于限制输出电流的脉动的临界电感 mL （单位为 mH） S U 2 u 2 f S I i N L m  d 3  10 式中 iS -----电流脉动系数，取5% ~ 20% ； （4-12） uS -----电压脉动系数，三相全控桥 uS  0.46 ； df -----输出电流的基波频率，单位为 ZH ，对于三相全控桥 f d  300 H 。 Z 即 L m  S U 2 u 2 f S I i N d 3  10   0.46 150  2 3.14 300 10% 50    3  10  7.32 mH （4-13） （2）用于保证输出电流连续的临界电感 L （单位为 mH） L l  2 K U 1 I min （4-14） 式中， minI -----为要求的最小负载电流平均值，单位为 A ，本设计中 min I  5% N I ； 4
    IK -----为计算系数，三相全控桥 IK  0.693 。 即 （4-15） L l  （3）直流电动机的漏电感 L（单位为 mH） K U 1 I d min 2  0.693 150 0.05 50    41.58 mH L a  D K U N n n I p w N 2  310 （4-16） 式中，K D ---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机 K D =8～12，对于快速无补偿绕组电动 机 K D =6～8，对于有补偿绕组电动机 K D =5～6，其余系数均为电动机额定值。 n p ----极对数，取 n p =2。 即 L a  K U D N 2 n n I p w N 3  10  10 210  2 2 900 50    3  10  11.66 mH （4-17） （4）折合到交流侧的漏电抗 L B （单位为 mH） %2 UUK I B 100 K N L B = （4-18） 式中， kU %-----变压器短路比，一般取为5% ； BK ------为计算系数，三相全控桥 BK  。 3.9 即 （4-19） L B  2 % 3.9 150 5% 0.585 K U U B 100 I   100 50    K N mH （5）实际要接入的平波电抗器电感 KL L K  max( L L m l , )  L a  2 L B  41.58 11.66 2 0.585 28.75     mH 可取 KL  30 mH （4-20） （ 6 ） 电 枢 回 路 总 电 感 L   L K 2   L B  L   5 30 2 0.585 11.66     42.83 mH
    （4-21） 1．4 主电路保护电路设计 电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备 脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了 在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。 1．4．1 过电压保护设计 过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、 硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。 1．交流侧过电压保护 压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电 压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有 很微弱的电流（1mA 以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数 千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等 优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的 绕组为△—Y 联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图 4.1 所示。 （1）压敏电阻的额定电压 1mAU 选择可按下式： 图 4.1 二次侧过电压压敏电阻保护 （4-22） 式中， 1mAU ------压敏电阻的额定电压， VYJ 型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、 1 mA 2 l U  1.33 2 U 760V、1000V 等； 2lU ------ 变 压 器 二 次 侧 的 线 电 压 有 效 值 ， 对 于 星 形 接 法 的 线 电 压 等 于 相 电 压 ， lU 2 23 U 。 1.33 2 1  mAU （4-23）  3 150   487.22 V （2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时： I Rm  2 3 K I Z 02 l 式中， ZK ------能量转换系数， ZK  （4-24） 0.3 ~ 0.5 ； 6
    02lI I ------三相变压器空载线电流有效值， 02 l 2 3 （4-25） （3）计算压敏电阻的最大电压 RmU 的公式为 K I Z  Rm 02 l I  l 2 I    5% 0.816 50 5%  2 0.4 2.04 1.053 A  3    2.04 A 。 式中， RK ------压敏元件特性系数； （4-26） U Rm  K I R Rm 1 a a ------压敏元件非线性系数。 一般 a 在 20～25 之间，在取 20 U Rm a  时， 1 a K I  R Rm K R 1.4 U 1 mA 。  1.4 487.22 1.053   1 20  683.87 V 因此，压敏电阻额定电压取 760V 型压敏电阻。 （4-27） 2．直流侧过电压保护 整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在 A、B 之间产生过电压， 可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时(击穿后)，正常工作 时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电 压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图 4.2 所 示 。 压敏电阻的额定电压 mAU1 的选取可按下式计算： mAU 1   0.8 ~ 0.9  压敏电阻承受的额定电压峰值 式中 1mAU 为压敏电阻的额定电压；为电网电压升高系数，一般 取 1.05～1.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300 时输出电压 dU  。 dU   6 U 2 cos  min  2.45 150   3 2  318.26 V 图 4.2 压敏电阻保护电路 （4-28） 对于本设计： U 1 mA   0.8 ~ 0.9 U d   1.05 (0.8 ~ 0.9)  318.26  371.23 ~ 417.63 V V （4-29） 因此，压敏电阻额定电压取 350V 型压敏电阻。 3．晶闸管的过电压保护 晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通， 引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压 DRMU 一定值时，晶闸管将会立 即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是 7
    供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积 聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图 4.3 阻容吸收回路来抑制过电压。 通过经验公式 C  (2  4) I T  10  3 R    10 30 1 2 CU 2 m P R  图 4.3 阻容吸收回路 得： （4-30） C  (2  4) I T  3  10  (2  4) 50 10    3  0.1 0.2  F E R  1 2 2 CU m 1 0.2 10   2  （4-31） 6   150 2  2.25 10  3  J 由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此 2 RE   2 2.25 10   3  4.5 10   3 J （4-32） EP  T  3 4.5 10  0.02  0.225 W 功 率 选 择 留 5 ～ 6 倍 裕 量 P  (5 ~ 6) P  （4-34） 因此，电阻 R 选择 阻值为 20 ,功率选择 1W 的电阻。 电容 C 选择 容量为 F20.0 的电容。 1．4．2 过电流保护设计 (5 ~ 6) 0.225 1.125   W （4-33 ~ 1.35 W 过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。 （1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路 电流。 （2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或 对脉冲进行封锁。 （3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生 过电流时动作，断开主电路。 （4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过 载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： ① 快速开关的额定电流 2l dI 额定整流电流 NI 。 8
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