【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 任一條件即可 b) 基本伏安特性 可控硅的基本伏安特性如圖 所示： 圖 可控硅基本伏安特性 反向特性：當(dāng)控制極開(kāi)路，陽(yáng)極加上反向電壓時(shí)（如圖 所示）， J2 結(jié)正偏，但J J2 結(jié)反偏。此時(shí)只能流過(guò)很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接著 J3 結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖 的反向特性開(kāi)始彎曲，如特性中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 11 頁(yè) 共 45 頁(yè) OR 段所示，彎曲處的電壓 URO 叫 “反向轉(zhuǎn)折電壓 ”。此時(shí)，可控硅會(huì)發(fā)生永久性反向擊穿 [9]。 圖 陽(yáng)極加反向電壓 正向特性 ： 當(dāng)控制極開(kāi)路，陽(yáng)極上加上正向電壓時(shí)（如圖 所示）， J J3 結(jié)正偏，但 J2 結(jié)反偏，這與普通 PN 結(jié)的反向特性相似，也只能流過(guò)很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電 壓增加，圖 的特性發(fā)生了彎曲，如特性 OA 段所示，彎曲處的是 UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓。 圖 陽(yáng)極加正向電壓 由于電壓升高到 J2 結(jié)的雪崩擊穿 電壓后， J2 結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時(shí)入 N1 區(qū)，空穴時(shí)入 P2 區(qū)。進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與由 P1 區(qū)通過(guò)J1 結(jié)注入 N1 區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴與由 N2 區(qū)通過(guò) J3 結(jié)注入 P2 區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在 N1 區(qū)就有電子積累，在 P2 區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使 P2 區(qū)的電位升高， N1 區(qū)的電位下降， J2 結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見(jiàn)圖 的虛線 AB 段。這時(shí) J J J3 三個(gè)結(jié)均處于正偏，可控硅便進(jìn)入正 向?qū)щ姞顟B(tài) 通態(tài)，此時(shí)，它的特性與普通的 PN 結(jié)正向特性相似，見(jiàn)圖 中的 BC 段。 c) 觸發(fā)導(dǎo)通 在控制極 G 上加入正向電壓時(shí) ,如圖 所示，因 J3 正偏， P2 區(qū)的空穴時(shí)入 N2 區(qū)，N2 區(qū)的電子進(jìn)入 P2 區(qū)，形成觸發(fā)電流 IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔玫幕A(chǔ)上，加上 IGT 的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖 的伏安特性 OA 段左移， IGT 越大，特性左移越快。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 12 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 陽(yáng)極和控制極均加正向電壓 選擇可控硅元件的正向、反向峰值電壓： 2( 5 ~ 8 ) ( 5 ~ 8 ) 14 1 70 5 ~ 11 28U U V? ? ? ? 選擇可控硅元件的額定電 流： ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 8 ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 8 25 5 14 1 ~ 18 8TNI I A? ? ? ? ? ? 實(shí)選可控硅耐壓： 1200V，額定電流： 200A 平波電抗器計(jì)算 平波電抗器在回路中的作用： 1) 主回路電流連續(xù)； 2) 限制直流電流脈動(dòng)率； 3) 限制直流側(cè)短路電流的上升率 [10]。 三種電感所需電感不同，其中按主回路電流連續(xù)條件計(jì)算的電感量較其他兩種情況大，故按電流連續(xù)條件計(jì)算，同時(shí)也可以滿足其他兩種作用。其計(jì)算過(guò)程如下： 電動(dòng)機(jī)電樞電感計(jì)算： 3310 ( )222021 102 2 430 255NDDN N NuL K m HPnImH??? ? ?? ? ?? 式中 DK 系數(shù)，無(wú)補(bǔ)償繞組電機(jī) DK =10。 變壓器漏電感： 2% ()1005 14 13. 9 0. 52 410 0 25 5KBBNuUL K m HImH?? ? ? ? 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 13 頁(yè) 共 45 頁(yè) 式中 BK =， %Ku =5 平波電抗器電感： 2d m in PK D BUL A L LImH? ? ?? ? ? ?? 查表得三相全控橋整流電路 A =，取 dminI =5% NI 255 280PK NI I A? ? ? ? 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 14 頁(yè) 共 45 頁(yè) 4 交流側(cè)和直流側(cè)保護(hù) 過(guò)電流保護(hù) 三相異步電動(dòng)機(jī)繞組的燒毀 90 %以上是由于過(guò)載或過(guò)電流所造成的。 發(fā)生過(guò)電流的原因有：生產(chǎn)機(jī)械的過(guò)載、整流裝置的直流側(cè)短路、某一元件擊穿引起相鄰元件過(guò)流、不正確的啟動(dòng)和過(guò)大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 等 。 過(guò)電流 一般比短路電流小得多，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生過(guò)電流比發(fā)生短路的可能性更大，尤其是頻 繁的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時(shí)的開(kāi)啟、制動(dòng)的重復(fù)短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)中更是如此。在上述情況工作的三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)加入過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，才能保證電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全 [11]。 可控硅允許的過(guò)電流能力較差，如不及時(shí)切斷電路，就會(huì)損壞可控硅元件。因此必須采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。 自動(dòng)開(kāi)關(guān)保護(hù) 自動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用有二：交流側(cè)過(guò)電流保護(hù)和直流側(cè)電流的后備保護(hù)。當(dāng)可控硅整流裝置失去控制作用，其電流達(dá)到 NI 時(shí)，且多電流時(shí)間大于 ～ 1mS 時(shí)，自動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)交流電源 [12]。 快速熔斷器保護(hù) 靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的可控硅整流器的作用是將交流電源轉(zhuǎn)換為直流，為發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)繞組提供合適的勵(lì)磁能源。由于可控硅元件的熱容量小，在過(guò)流故障狀態(tài)下必須要有快速保護(hù)?？焖俦Ｗo(hù)的方式有兩種 :一種是在整流橋的交流側(cè)裝設(shè)空氣斷路器，利用空氣斷路器的過(guò)流脫扣功能，當(dāng)發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，斷路器跳閘將整流橋全部退出。由于此種保護(hù)方式會(huì)限制發(fā)電機(jī)的出力，很少采用。一般都將斷路器的過(guò)流脫扣器摘除，將斷路器作為帶電檢修整流橋時(shí)的隔離開(kāi)關(guān)。另一種是采用快速熔斷器保護(hù)， 這是通常采用的方式?？焖偃蹟嗥骶哂信c可控硅元件相類似的熱特性，是一種較為理想的保護(hù)器件。由于快速熔斷器保護(hù)分?jǐn)嗪笠话銉H有一個(gè)元件退出運(yùn)行，整流橋仍能在缺一波頭的情況下運(yùn)行，因此，比以前采用的空氣斷路器保護(hù)更有實(shí)用價(jià)值。 過(guò)電壓保護(hù) 在正常工作中，凡超過(guò)可控硅所能承受的峰值的電壓均被稱為過(guò)電壓。電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。內(nèi)因過(guò)電壓將在下面問(wèn)題中分析，本小結(jié)只討論外因過(guò)電壓及其保護(hù)措施。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 15 頁(yè) 共 45 頁(yè) 外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作等外部原因。包括： 1) 操作過(guò)電壓：由分閘、合 閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓、電網(wǎng)側(cè)的操作過(guò)電壓會(huì)由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過(guò)來(lái)。 保護(hù)措施：由于操作過(guò)電壓都是短時(shí)的尖峰電壓，所以通常在變壓器次級(jí)并聯(lián)電容，利用電容量短的電壓不能突變的原理，來(lái)吸收尖峰過(guò)電壓。由于只并聯(lián)電容會(huì)與變壓器漏感形成震蕩。這種保護(hù)電路稱為阻熔吸收電路，如圖 所示 [13]。 圖 阻容吸收電路 2) 雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓 保護(hù)措施： 發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入很大的浪涌電壓時(shí)，這種過(guò)電壓能量較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般的阻熔吸收電路只能把 操作過(guò)電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，而對(duì)雷擊過(guò)電壓不一定能完全抑制。我選用的非線性電阻（壓敏電阻）吸收電路。壓敏電阻又稱浪涌吸收器，具有很陡的穩(wěn)壓管特性。他對(duì)浪涌電壓反應(yīng)快，體積小，是一種理想的保護(hù)元件。這種電路接在整流變壓器次級(jí)它具有穩(wěn)壓特性，抑制過(guò)電壓，又能吸收較大的能量。保護(hù)電路連接方法（交流側(cè)）如圖 所示。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 16 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 壓敏電阻吸收電路 SCR 元件過(guò)電壓保護(hù) SCR 元件過(guò)電壓屬于內(nèi)因引起的過(guò)電壓，主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括兩類： 1） 換相電壓 由于 SCR 元件或者全控型器 件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換向結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過(guò)，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而在晶閘管陰陽(yáng)機(jī)之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。 保護(hù)措施：在晶閘管兩端并聯(lián) RC 吸收回路，如圖 所示。 2） 關(guān)斷過(guò)電壓： 全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線路電感在其間兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。而緩沖電路（ Shubber Circuit）又稱為吸收電路。常作為保護(hù)電路 。 保護(hù)措施：緩沖電路的作 用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)電壓、 du /dt 或者過(guò)電流和 di /dt ，減小器件開(kāi)關(guān)損耗。緩沖電路分為開(kāi)關(guān)關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路。本設(shè)計(jì)采用關(guān)斷緩沖電路，用于吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓；又能抑制換向過(guò)電壓，抑制 du /dt ，減小關(guān)斷損耗。開(kāi)通緩沖電路又為 di /dt 抑制電路，用于抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di /dt ，減小器件的開(kāi)通損耗。如圖 所示。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 17 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 SCR元件過(guò)電壓保護(hù) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 18 頁(yè) 共 45 頁(yè) 5 控制回路設(shè)計(jì) 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路主要由電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)，給定積分器、邏輯無(wú)環(huán)流環(huán)節(jié)、速度給定和靜止檢測(cè)器組成。 電流閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 ①②R9R3RfRfR0R0R0R0R7R6CfC?C A PCfC1R5R8R 1 0R 1 1R1R2B G 2B G 1D2D1D3D4R4W+ 1 5 VU s c 1 5 V 圖 電流調(diào)節(jié)器 由 8FC2 組件構(gòu)成的調(diào)節(jié)器的接線圖，如圖 所示。為了使運(yùn)算放大器工作穩(wěn)定，不開(kāi)環(huán)使用，接固定反饋電阻 R= 兆歐，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器皆為 PI 調(diào)節(jié)器。由于 8FC2 的輸入阻抗 ≥150 千歐，故選擇調(diào)節(jié)器的輸入電阻 20oRK? ，圖中 1D 、 2D 為輸入保護(hù)二極管。由 W 組成的分壓器為調(diào)零裝置，組件的 8 和 11， 9 和 10 端接入了RC 校正網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)值由實(shí)際 調(diào)整時(shí)確定，由電阻 5R 、 6R 、 7R 、 8R 、 9R 、 3D 、 4D 組成振幅環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器最大輸出限幅值為 10? 伏。為提高組件 的運(yùn)行可靠性，盡量減小它的輸出功率，由于電流調(diào)節(jié)器要帶六個(gè)觸發(fā)器，需要較大的功率，因此在電流調(diào)節(jié)器輸出端加一個(gè)放大級(jí)。速度調(diào)節(jié)器的負(fù)載是電流調(diào)節(jié)器，需要的功率較小，故輸出端不必加功率放大級(jí) [14]。 電流閉環(huán)工作原理 電流閉環(huán)是以電流調(diào)節(jié)器為核心的恒流控制系統(tǒng)。它的基本工作工程是：速度調(diào)節(jié)器輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào) Ugi ，從而電流互感器取自交流側(cè)的電流信號(hào)經(jīng)電流變換器 BI，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，與 Ugi 進(jìn)行相減得 到的偏差信號(hào)在電流調(diào)節(jié)器內(nèi)進(jìn)行積分中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 19 頁(yè) 共 45 頁(yè) 輸出信號(hào) UK ，觸發(fā)集成電路，形成脈沖，控制 SCR 元件通斷，為電動(dòng)機(jī)供電，使系統(tǒng)正常工作。直到偏差信號(hào)為零， UK 不再上升，電機(jī)電壓停止上升。此時(shí)，由于慣性作用，盡管加速停止，電機(jī)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)升高，電流反饋環(huán)節(jié)（ BI、交流互感器等組成）由于穩(wěn)壓管存在，控制 ufi 為定值，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速降為正常值電機(jī)工作在正常工作狀態(tài)。靜止時(shí)，由靜止檢測(cè)器來(lái)的鎖零信號(hào)使電流 調(diào)節(jié)器鎖零，防止零漂。電流閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖 所示 電流閉環(huán)組成結(jié)構(gòu)如圖所示，起作用是電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中電樞電流為最大允許值，以實(shí)現(xiàn)快速最優(yōu)控制。此外，電流閉環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有抗擾能力。 圖 電流閉環(huán)方框圖 速度閉環(huán) 速度閉環(huán)由速度調(diào)節(jié)器、電流內(nèi)環(huán)、電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)和電壓隔離器等等組成。在啟制動(dòng)過(guò)程中，速度調(diào)節(jié)器 ST 的輸出為最大限幅值，通過(guò)電流閉環(huán)維持電樞電流為最大允許值直到速度升到給定速度，使過(guò)渡過(guò)程最快。 由于速度調(diào)節(jié)器選 用 PI 調(diào)解器可以保證在正常工作情況下刨制速度恒定，而不受負(fù)載波動(dòng)的影響。改變速度給定值 gsu ，可以在 4 / minm 之間平滑無(wú)極調(diào)速，實(shí)現(xiàn)刨制工藝在刨制速度和速度調(diào)節(jié)精度方面的要求。速度調(diào)節(jié)器由 BG305 組件組成，接線與電流調(diào)節(jié)器相似。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 20 頁(yè) 共 45 頁(yè) 集成觸發(fā)電路 SCR 整流裝置對(duì)觸發(fā)器的要求： 1） 觸發(fā)脈沖要與 SCR 元件的交流電源電壓同步。 2） 觸發(fā)脈沖要有足夠的功率， 10V 左右的幅值， 3 至 5 倍的觸發(fā)電流，脈沖 前沿具有一定陡度。 3） 觸發(fā)脈沖要有足夠?qū)挾龋褂秒p脈沖時(shí)，脈沖寬度約為 7 度至 10 度。 4） 要能平滑移相，移相范圍要大于 150 度。 觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)及工作原理 觸發(fā)器接受電流調(diào)節(jié)器 LT 的輸入信號(hào) UK ，并根據(jù)它的極性、大小的