【文章內容簡介】 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：當控制極開路，陽極加上反向電壓時（如圖 所示）， J2 結正偏，但J J2 結反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當電壓進一步提高到 J1 結的雪崩擊穿電壓后，接著 J3 結也擊穿，電流迅速增加，圖 的反向特性開始彎曲，如特性中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 11 頁 共 45 頁 OR 段所示，彎曲處的電壓 URO 叫 “反向轉折電壓 ”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿 [9]。 圖 陽極加反向電壓 正向特性 ： 當控制極開路，陽極上加上正向電壓時（如圖 所示）， J J3 結正偏，但 J2 結反偏，這與普通 PN 結的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當電 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：正向轉折電壓。 圖 陽極加正向電壓 由于電壓升高到 J2 結的雪崩擊穿 電壓后， J2 結發(fā)生雪崩倍增效應，在結區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入 N1 區(qū)，空穴時入 P2 區(qū)。進入 N1 區(qū)的電子與由 P1 區(qū)通過J1 結注入 N1 區(qū)的空穴復合，同樣，進入 P2 區(qū)的空穴與由 N2 區(qū)通過 J3 結注入 P2 區(qū)的電子復合，雪崩擊穿，進入 N1 區(qū)的電子與進入 P2 區(qū)的空穴各自不能全部復合掉，這樣，在 N1 區(qū)就有電子積累，在 P2 區(qū)就有空穴積累，結果使 P2 區(qū)的電位升高， N1 區(qū)的電位下降， J2 結變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖 的虛線 AB 段。這時 J J J3 三個結均處于正偏，可控硅便進入正 向導電狀態(tài) 通態(tài)，此時，它的特性與普通的 PN 結正向特性相似，見圖 中的 BC 段。 c) 觸發(fā)導通 在控制極 G 上加入正向電壓時 ,如圖 所示，因 J3 正偏， P2 區(qū)的空穴時入 N2 區(qū)，N2 區(qū)的電子進入 P2 區(qū)，形成觸發(fā)電流 IGT。在可控硅的內部正反饋作用的基礎上，加上 IGT 的作用，使可控硅提前導通，導致圖 的伏安特性 OA 段左移， IGT 越大，特性左移越快。 中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 12 頁 共 45 頁 圖 陽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? ? ? ? ? ? 實選可控硅耐壓： 1200V，額定電流： 200A 平波電抗器計算 平波電抗器在回路中的作用： 1) 主回路電流連續(xù)； 2) 限制直流電流脈動率； 3) 限制直流側短路電流的上升率 [10]。 三種電感所需電感不同，其中按主回路電流連續(xù)條件計算的電感量較其他兩種情況大，故按電流連續(xù)條件計算，同時也可以滿足其他兩種作用。其計算過程如下： 電動機電樞電感計算： 3310 ( )222021 102 2 430 255NDDN N NuL K m HPnImH??? ? ?? ? ?? 式中 DK 系數(shù)，無補償繞組電機 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 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 13 頁 共 45 頁 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 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 14 頁 共 45 頁 4 交流側和直流側保護 過電流保護 三相異步電動機繞組的燒毀 90 %以上是由于過載或過電流所造成的。 發(fā)生過電流的原因有：生產(chǎn)機械的過載、整流裝置的直流側短路、某一元件擊穿引起相鄰元件過流、不正確的啟動和過大的負載轉矩 等 。 過電流 一般比短路電流小得多，電動機運行中產(chǎn)生過電流比發(fā)生短路的可能性更大，尤其是頻 繁的正轉、反轉時的開啟、制動的重復短時工作制電動機中更是如此。在上述情況工作的三相異步電動機應加入過電流保護環(huán)節(jié)，才能保證電動機的運行安全 [11]。 可控硅允許的過電流能力較差，如不及時切斷電路，就會損壞可控硅元件。因此必須采取恰當?shù)谋Ｗo措施。 自動開關保護 自動開關的作用有二：交流側過電流保護和直流側電流的后備保護。當可控硅整流裝置失去控制作用，其電流達到 NI 時，且多電流時間大于 ～ 1mS 時，自動開關自動斷開交流電源 [12]。 快速熔斷器保護 靜止勵磁系統(tǒng)的可控硅整流器的作用是將交流電源轉換為直流，為發(fā)電機的磁場繞組提供合適的勵磁能源。由于可控硅元件的熱容量小，在過流故障狀態(tài)下必須要有快速保護?？焖俦Ｗo的方式有兩種 :一種是在整流橋的交流側裝設空氣斷路器，利用空氣斷路器的過流脫扣功能，當發(fā)生過流故障時，斷路器跳閘將整流橋全部退出。由于此種保護方式會限制發(fā)電機的出力，很少采用。一般都將斷路器的過流脫扣器摘除，將斷路器作為帶電檢修整流橋時的隔離開關。另一種是采用快速熔斷器保護， 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器件。由于快速熔斷器保護分斷后一般僅有一個元件退出運行，整流橋仍能在缺一波頭的情況下運行，因此，比以前采用的空氣斷路器保護更有實用價值。 過電壓保護 在正常工作中，凡超過可控硅所能承受的峰值的電壓均被稱為過電壓。電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。內因過電壓將在下面問題中分析，本小結只討論外因過電壓及其保護措施。 中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 15 頁 共 45 頁 外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作等外部原因。包括： 1) 操作過電壓：由分閘、合 閘等開關操作引起的過電壓、電網(wǎng)側的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應耦合過來。 保護措施：由于操作過電壓都是短時的尖峰電壓，所以通常在變壓器次級并聯(lián)電容，利用電容量短的電壓不能突變的原理，來吸收尖峰過電壓。由于只并聯(lián)電容會與變壓器漏感形成震蕩。這種保護電路稱為阻熔吸收電路，如圖 所示 [13]。 圖 阻容吸收電路 2) 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓 保護措施： 發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入很大的浪涌電壓時，這種過電壓能量較大，持續(xù)時間較長，一般的阻熔吸收電路只能把 操作過電壓抑制在允許的范圍內，而對雷擊過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。他對浪涌電壓反應快，體積小，是一種理想的保護元件。這種電路接在整流變壓器次級它具有穩(wěn)壓特性，抑制過電壓，又能吸收較大的能量。保護電路連接方法（交流側）如圖 所示。 中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 16 頁 共 45 頁 圖 壓敏電阻吸收電路 SCR 元件過電壓保護 SCR 元件過電壓屬于內因引起的過電壓，主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，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)流二極管在換向結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，而當其恢復阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽機之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。 保護措施：在晶閘管兩端并聯(lián) RC 吸收回路，如圖 所示。 2） 關斷過電壓： 全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在其間兩端感應出的過電壓。而緩沖電路（ Shubber Circuit）又稱為吸收電路。常作為保護電路 。 保護措施：緩沖電路的作 用是抑制電力電子器件的內因過電壓、 du /dt 或者過電流和 di /dt ，減小器件開關損耗。緩沖電路分為開關關斷緩沖電路和開通緩沖電路。本設計采用關斷緩沖電路，用于吸收器件的關斷過電壓；又能抑制換向過電壓，抑制 du /dt ，減小關斷損耗。開通緩沖電路又為 di /dt 抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di /dt ，減小器件的開通損耗。如圖 所示。 中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 17 頁 共 45 頁 圖 SCR元件過電壓保護 中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 18 頁 共 45 頁 5 控制回路設計 直流調速系統(tǒng)的控制回路主要由電流內環(huán)、速度外環(huán)，給定積分器、邏輯無環(huán)流環(huán)節(jié)、速度給定和靜止檢測器組成。 電流閉環(huán) 電流調節(jié)器 ①②R9R3RfRfR0R0R0R0R7R6CfC?C A PCfC1R5R8R 1 0R 1 1R1R2B G 2B G 1D2D1D3D4R4W+ 1 5 VU s c 1 5 V 圖 電流調節(jié)器 由 8FC2 組件構成的調節(jié)器的接線圖，如圖 所示。為了使運算放大器工作穩(wěn)定，不開環(huán)使用，接固定反饋電阻 R= 兆歐，速度調節(jié)器和電流調節(jié)器皆為 PI 調節(jié)器。由于 8FC2 的輸入阻抗 ≥150 千歐，故選擇調節(jié)器的輸入電阻 20oRK? ，圖中 1D 、 2D 為輸入保護二極管。由 W 組成的分壓器為調零裝置，組件的 8 和 11， 9 和 10 端接入了RC 校正網(wǎng)絡，其數(shù)值由實際 調整時確定，由電阻 5R 、 6R 、 7R 、 8R 、 9R 、 3D 、 4D 組成振幅環(huán)節(jié)，調節(jié)器最大輸出限幅值為 10? 伏。為提高組件 的運行可靠性，盡量減小它的輸出功率，由于電流調節(jié)器要帶六個觸發(fā)器，需要較大的功率，因此在電流調節(jié)器輸出端加一個放大級。速度調節(jié)器的負載是電流調節(jié)器，需要的功率較小，故輸出端不必加功率放大級 [14]。 電流閉環(huán)工作原理 電流閉環(huán)是以電流調節(jié)器為核心的恒流控制系統(tǒng)。它的基本工作工程是：速度調節(jié)器輸出作為電流調節(jié)器的輸入信號 Ugi ，從而電流互感器取自交流側的電流信號經(jīng)電流變換器 BI，轉換成電壓信號，與 Ugi 進行相減得 到的偏差信號在電流調節(jié)器內進行積分中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 19 頁 共 45 頁 輸出信號 UK ，觸發(fā)集成電路，形成脈沖，控制 SCR 元件通斷，為電動機供電，使系統(tǒng)正常工作。直到偏差信號為零， UK 不再上升，電機電壓停止上升。此時，由于慣性作用，盡管加速停止，電機轉速仍繼續(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，直到電機轉速降為正常值電機工作在正常工作狀態(tài)。靜止時，由靜止檢測器來的鎖零信號使電流 調節(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)組成結構如圖所示，起作用是電動機在啟動、制動過程中電樞電流為最大允許值，以實現(xiàn)快速最優(yōu)控制。此外，電流閉環(huán)對電網(wǎng)電壓波動進行調節(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)由速度調節(jié)器、電流內環(huán)、電動機、測速發(fā)電機和電壓隔離器等等組成。在啟制動過程中，速度調節(jié)器 ST 的輸出為最大限幅值，通過電流閉環(huán)維持電樞電流為最大允許值直到速度升到給定速度，使過渡過程最快。 由于速度調節(jié)器選 用 PI 調解器可以保證在正常工作情況下刨制速度恒定，而不受負載波動的影響。改變速度給定值 gsu ，可以在 4 / minm 之間平滑無極調速，實現(xiàn)刨制工藝在刨制速度和速度調節(jié)精度方面的要求。速度調節(jié)器由 BG305 組件組成，接線與電流調節(jié)器相似。 中北大學 2021 屆畢業(yè) 設計說明書 第 20 頁 共 45 頁 集成觸發(fā)電路 SCR 整流裝置對觸發(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)脈沖要有足夠寬度，使用雙脈沖時，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)電路的結構及工作原理 觸發(fā)器接受電流調節(jié)器 LT 的輸入信號 UK ，并根據(jù)它的極性、大小的