【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)說明 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 （ 1） 供電方案 選擇 ： 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又 稱 VM系電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選 VM 系統(tǒng)。 在 VM系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓 dU 。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn) 。 并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上 ， 選 用 晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 （ 2） 總 體結(jié)構(gòu)選擇 電動(dòng)機(jī)額定電壓 為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低，為避免三次諧波對電源干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。 為使線路簡單、工作可靠、裝置體積小，宜選用 KC04 組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。 因調(diào)速精度要求高，為獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，故選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，且兩個(gè)調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，電流反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時(shí)由快速熔斷器切斷這電路電源。 該 雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)該保持恒定，勵(lì)磁繞組采用三相 15 不 控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入 。 整體電路原理圖見附錄 1。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如 圖 所示。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖 ASR— 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié) ACR— 電流環(huán)節(jié) TG— 測速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 GT— 觸發(fā)裝置 nU? / nU — 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 iU? / iU — 電流給定電壓和電流反饋電壓 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 主電路原理圖 直流調(diào)速系統(tǒng) 由晶閘管 — 直流電機(jī)組成的主電路部分包括以下幾部分：交流電源、晶閘管可控整流器、同步 6 脈沖觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)等。主電路原理圖如圖 。 電源接入主回路之前先要接一個(gè)空氣開關(guān)，以保護(hù)主回路。再經(jīng)過整流變壓器 T降壓，電源由 380V(AC)變?yōu)?220V(AC)，再經(jīng)過各相一個(gè)快速熔斷器接入晶閘管全橋整流電路。這三個(gè)熔斷器主要保護(hù)晶閘管，作為過電 流保護(hù)器件。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)過電壓保護(hù)均采用阻容吸收保護(hù)電路。 16 R7C7 C8 C9G5R6G3R5C5G1R4C4R2C6R13L1VG4 G6R7 R7G2d2d1k4k6 k2KMTQR1 R2 R3C1 C2 C3R10 R11 R12C10 C11 C12WVU+W1V1U1abUnC 18 C 19D5R 16D3R 15C 15D1R 12C 16D 1 D6R 17 R 17D2R 14C 14R 17C 17+W1V1U1baKMG1G2G3G4G5G6d1k2k4k6+15v15vU ctu sUu sVu sWu sUu sVu sWN圖 主電路原理圖 整流變壓器的設(shè)計(jì) 工業(yè)供電電壓為 AC 380V，而電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 220V，所以必須通過降壓變壓器使之達(dá)到系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)采用的是直流電機(jī)，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓 。 為避免三次諧波對電源的干擾， 整流變壓器采用 D/Y11 聯(lián)結(jié)的三相全控橋式接法，如圖 ： 17 V T 2V T 6V T 4V T 1V T 3 V T 5ianabcTd 1d 2G 1k 4 k 6 k 2G 3 G 5G 4G 6 G 2 圖 整流變壓器三相全控橋式連接圖 （ 1） 變壓器二次側(cè)電壓 U2的計(jì)算 2U 是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會(huì)造成延遲角 α 加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。 要比較精確地計(jì)算二次相電壓必須考慮以下因素： ① 最小控制角 min? 。在一般可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的 min? 取 30 35 的范圍。 ② 電網(wǎng)電壓波動(dòng)。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動(dòng) 5% 10%??，考慮在電網(wǎng)電壓最低時(shí)要求能保證最大整流輸出電壓，故通常取波動(dòng)系數(shù) ?? 。 ③ 變壓器漏抗產(chǎn)生的換相壓降： 2222L d s h dr em X I m U U IU I ????? ④ 晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航?1U??。 考慮了以上因素后，變壓器二次電壓的計(jì)算公式 為： ? ?m a x2 m i n 2 2c o s /d s h NU n UU A C U I I?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?????? ? 式中， maxdU — 整流電路輸出電壓最大值； U? — 為主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的正向壓降； A— 理想情況 0? ?? 時(shí)整流電壓 0dU 與二次電壓 2U 之比， 即 02dA U U? ，三相橋式整流 A為 ； C— 線路接線方式系數(shù)，三相橋式整流 C為 ； shU — 變壓器短路電壓比， 10 100KVA 取 ? ，容量越大， shU 也越大； 22NII — 變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比 ，應(yīng)取最大值 。 所以，根據(jù)設(shè)計(jì) 要求取 min 30? ? ， 1VU?? ， 2n? ， 221NII? ，m ax 22 0 VdNUU??, ? , ? , ? ,代入式 得： 18 ? ? ? ?m a x2 m i n 2 2 2 2 0 2 1 128Vc o s / 2 . 3 4 0 . 9 0 . 8 6 6 0 . 5 0 . 0 5 1d s h NU n UU A C U I I?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 電壓比 12380 2 .9 7128UK U? ? ?。 （ 2） 一次側(cè)電流 1I 和二次側(cè)相電流 2I 的計(jì)算 在可控硅整流電路中，交流側(cè)電流有效值 1I 與直流側(cè)整流電流 dI 之間，存在著固定的比例關(guān)系，即 1 IdI KI? ；其中比例系數(shù) IK 因整流電路而異，例如三相橋式整流電路帶大電感負(fù)載變壓器二次電流有效值 2I 為： 222 1 2 2 2( ) 0 . 8 1 62 3 3 3d d d dI I I I I??? ??? ? ? ? ? ? ????? ??????? 由 式 此可 得 ： 1 ? , 2 ? ； dI 取電動(dòng)機(jī)額定電流 ， 考慮變壓器勵(lì)磁電流 和變比 K ， 得： 22 0. 81 6 13 6 11 0. 98 AIdI K I? ? ? ? 11 1 . 0 5 1 . 0 5 0 . 8 1 6 1 3 6 3 9 . 2 3 A2 . 9 7IdKII K ??? ? ? （ 3） 變壓器容量的計(jì)算 一次側(cè)的容量為： 1 1 13S U I? ???????????????????? 二次側(cè)的容量為： 2 2 23S U I? ???????????????????? 變壓器平均容量：121 ()2S S S?????????????????? ???? 式中 ， 1 380VU ? ， 2 128VU ? ， 1 ? ， 2 ? ； 1 1 13 3 3 8 0 3 9 .2 3 2 5 .8 2 K V AS U I? ? ? ? ? 2 2 23 3 128 110 .98 24. 60 K V AS U I? ? ? ? ? 1211( ) ( 2 5 . 8 2 2 4 . 6 0 ) 2 5 . 2 1 K V A22S S S? ? ? ? ? 從上述數(shù)據(jù)可得變壓器參數(shù)如下表 所示： 表 變壓器參數(shù) 相數(shù) 接線 容量 一次側(cè)電壓 一次側(cè)電流 二次側(cè)電壓 二次側(cè)電流 3 D/Y11 380 V 128V 晶閘管元件選擇 （ 1） 晶閘管的額定電壓 晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓 TMU ，乘以 (2～ 3)倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓 19 等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓 TNU ，即 (2 3)TN TMUU?? ???????????????? 整流電路形式為三 相全控橋，而 222 3 6TMU U U??， 代入式 ,則 2( 2 3 ) ( 2 3 ) 6 ( 2 3 ) 6 12 8 62 6. 96 94 0. 43 VTN TMU U U? ? ? ? ? ? ? ? 取 1000VTNU ? （ 2） 晶閘管的額定電流 選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值 TNI 大于實(shí)際流過管子電流最大有效值 TI ，即 1. 57 ( )T N T TI I av I??[8]。 晶閘管電流有效值： 3 d dI I I???????????????? 考慮 (～ 2)倍的裕量 ，則晶閘管的額定電流： ? ?( 1 . 5 2 ) ( 1 . 5 2 ) 0 . 5 7 7 0 . 3 6 8 1 . 5 21 . 5 7 1 . 5 7TdT N dIIII? ? ?? ? ? ?????? 式中 ， dI 取電動(dòng)機(jī)額定電流 136A，代入式 得： ? ?( 1 . 5 2 ) ( 1 . 5 2 ) 0 . 5 7 7 0 . 3 6 8 1 . 5 21 . 5 7 1 . 5 7TdT N dII? ? ?? ? ? ? ? ?1. 5 2 0. 36 8 13 6 75 .0 7 10 0. 10 A? ? ? ? ? 取 100ATNI ? 。故選晶閘管的型號(hào)為 KP100— 10D。 此外，還需注意以下幾點(diǎn)： ① 當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過 +40C 時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。 ② 當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。 ③ 關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。 電抗器參數(shù)的計(jì)算 為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 dL ，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗 器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。 （ 1） 維持輸出電流連續(xù)的臨界電 感量 1L 121mindKUL I? ?????????????? 式中， K1— 與整流電路有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，三相全控橋式 K1=； 2U — 變壓器二次側(cè)相電壓， 2 128VU ? ； mindI — 電路所需 的最低電流，一般為 5% 10% dI ，在此取 5% 。 所以， 121 m i n 0 . 6 9 3 1 2 8 1 3 . 0 4 m H0 . 0 5 1 3 6dKUL I ?? ? ?? 20 （ 2） 限 制輸出電流脈動(dòng)的電感量 2L m ax 2 22 /2dd i dU U UL f S I???? ? ? ?????????? 式中， maxdU — 整流電路輸出電壓最大值； 2U — 變壓器二次側(cè)相電壓， 2 128VU ? ； df — 輸出最低頻率分量的頻率值，三相全控橋式電路 300Hzdf ? ； iS — 給定的允許電流脈動(dòng)系數(shù)，通常三相整流電路中 iS 取到 5% 10% 之間，此處取 5%iS? ； dI — 取電流有效值，即 136AdI ? 。 可得： m a x 2 22 / 2 2 0 1 2 8 1 2 8 1 7 . 1 7 m H2 2 3 . 1 4 3 0 0 0 . 0 5 1 3 6d d i dU U UL f S I?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 3） 電動(dòng)機(jī)電感量 DL 電動(dòng)機(jī)的電感 DL 可按下式計(jì)算： 3( 1