【正文】 ，必須在主回路電流降到零以后，才能進(jìn)行切換工作。 5) 根據(jù)邏輯裝置要完成的任務(wù)，它應(yīng)該由 4 個部分組成，即電平檢測，邏輯運算，延時電路和邏輯保護(hù)等。其切換順序可歸納如下： 1) 由于速度給定變化或負(fù)載變動，使電動機應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩極性反向，由速 度調(diào)節(jié)器輸出反映這一極性，并由邏輯裝置對該極性進(jìn)行判斷，然后發(fā)出切換開始的指令。由于沒有環(huán)流，省去了平衡電抗器，但與電樞串聯(lián)的平波電抗器是必需的。 3) 脈沖分配環(huán)節(jié) 由于應(yīng)用在邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)上，故應(yīng)有正反轉(zhuǎn)兩組觸發(fā)脈沖，這些觸發(fā)脈沖取自脈沖變壓器的次級輸出端，如圖 所示 [15]。如圖 2) KC41C六脈沖形成環(huán)節(jié) KC41C集成電路的功能是將 KC04輸出的單脈沖變成雙脈沖，還可以通過電子開關(guān)的通斷封鎖或開放雙脈沖的輸出。現(xiàn)將各單元電路原理介紹如下： 1) Kc04 為了滿足三相全控橋電路同一相中的兩臂的兩個晶閘管觸發(fā)的要求，必須有兩個輸出端 1 和 15，故需設(shè)有由 T8 和 T12 組成的脈沖分配環(huán)節(jié)。該組件采用三個KC04 移相集成觸發(fā)器和一個 KC41C 六相雙脈沖形成器以及外接元件組合而成，如圖 所示。本設(shè)計采用 KC 系列組合觸發(fā)組件。 4） 要能平滑移相，移相范圍要大于 150 度。 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。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。 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)載波動的影響。 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)、電動機、測速發(fā)電機和電壓隔離器等等組成。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。此時，由于慣性作用，盡管加速停止，電機轉(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，直到電機轉(zhuǎn)速降為正常值電機工作在正常工作狀態(tài)。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 Ugi ，從而電流互感器取自交流側(cè)的電流信號經(jīng)電流變換器 BI，轉(zhuǎn)換成電壓信號，與 Ugi 進(jìn)行相減得 到的偏差信號在電流調(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。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 [14]。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)值由實際 調(diào)整時確定，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(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器皆為 PI 調(diào)節(jié)器。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 17 頁 共 45 頁 圖 SCR元件過電壓保護(hù) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 18 頁 共 45 頁 5 控制回路設(shè)計 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、邏輯無環(huán)流環(huán)節(jié)、速度給定和靜止檢測器組成。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。緩沖電路分為開關(guān)關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。常作為保護(hù)電路 。 2） 關(guān)斷過電壓： 全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)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(yīng)出的過電壓。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)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(hù) SCR 元件過電壓屬于內(nèi)因引起的過電壓，主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)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(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，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)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。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。壓敏電阻又稱浪涌吸收器，具有很陡的穩(wěn)壓管特性。 圖 阻容吸收電路 2) 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓 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，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(nèi)，而對雷擊過電壓不一定能完全抑制。由于只并聯(lián)電容會與變壓器漏感形成震蕩。包括： 1) 操作過電壓：由分閘、合 閘等開關(guān)操作引起的過電壓、電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會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)耦合過來。內(nèi)因過電壓將在下面問題中分析，本小結(jié)只討論外因過電壓及其保護(hù)措施。 過電壓保護(hù) 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?？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。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(guān)?？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流脫扣功能，當(dāng)發(fā)生過流故障時，斷路器跳閘將整流橋全部退出。 快速熔斷器保護(hù) 靜止勵磁系統(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)電機的磁場繞組提供合適的勵磁能源。 自動開關(guān)保護(hù) 自動開關(guān)的作用有二：交流側(cè)過電流保護(hù)和直流側(cè)電流的后備保護(hù)。 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。 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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時的開啟、制動的重復(fù)短時工作制電動機中更是如此。 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(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 14 頁 共 45 頁 4 交流側(cè)和直流側(cè)保護(hù) 過電流保護(hù) 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。 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。在可控硅的內(nèi)部正反饋作用的基礎(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。這時 J J J3 三個結(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，它的特性與普通的 PN 結(jié)正向特性相似，見圖 中的 BC 段。 圖 陽極加正向電壓 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，電子時入 N1 區(qū)，空穴時入 P2 區(qū)。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿 [9]。由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表 表 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件 狀態(tài) 條件 說明 從關(guān)斷到導(dǎo)通 陽極電位高于是陰極電位 控制極有 足夠的正向電壓和電流 兩者缺一不可 維持導(dǎo)通 陽極電位高于陰極電位 陽極電流大于維持電流 兩者缺一不可 從導(dǎo)通到關(guān)斷 陽極電位低于陰極電位 陽極電流小于維持電流 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)控制極開路，陽極加上反向電壓時（如圖 所示）， J2 結(jié)正偏，但J J2 結(jié)反偏。這個電流又 流回到 BG2 的基極，表成正反饋，使 ib2 不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。因為 BG2 的集電極直接與 BG1 的基極相連，所以 ib1=ic2。 整流變壓器容量計算 由公式 223P I U? 得： P= 3 141 208 88 K VA? ? ? 由以上計算得出整流變壓器數(shù)據(jù)如下： 相 數(shù) 三相 接 線 △ / oY 11 容 量 88KVA 原級電壓 380V 副級電壓 141V（相） 副級電流 208A 可控硅元件的選擇 a) 可控硅元件的工作原 理 可控硅是 P1N1P2N2 四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個 PN 結(jié)，分析原理時，可以把看作由一個 PNP 管和一個 NPN 管所組成，其等效圖解如圖 所示： 圖 可控硅等效圖解圖 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 10 頁 共 45 頁 當(dāng)陽極 A 加上正向電壓時， BG1 和 BG2 管均處于放大狀態(tài)。； Tu =1 伏 查表得： A=； C=。因此變壓器的副級相電壓 2u 按下式計算： m a x2m a x[1 ( ) ]%[]100de d D P D TedkdedIU n uIu UIA B C I? ? ??? ? ? ???? 式中 edU —— 負(fù)載電動機額定電壓； ed DD edIRu? ? —— 電樞電路總電阻 DR 的標(biāo)幺值； ed PP edIRu? ? —— 除 DR 外，平波電抗器等的標(biāo)幺值； Tnu —— 主回路串聯(lián)可控硅元件的正向壓降； 2douA u? ； 2cosB ?? ； C—— 整流電路傾斜系數(shù)； 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 9 頁 共 45 頁 ? —— 電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。另外，電網(wǎng)波形的畸變對并接在電網(wǎng)的其它負(fù)載 也有很大影響 [7]。原級采用 △ 接線的目的是給電流中三的整數(shù)倍諧波提供通道，以保證磁通和電壓為正弦交化，避免在變壓器每相繞組中產(chǎn)生尖頂波電勢。并且減少了整流電路對其它用電設(shè)備的干擾。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 7 頁 共 45 頁 圖 主傳動可控硅整流電路 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 8 頁 共 45 頁 3 主回路參數(shù)的計算和元件選擇 主回路參數(shù)計算包括整流變壓器計算、可控硅元件計算、平波電抗器計算和各種保護(hù)裝置的計算和選擇。 三相橋式整流電路的工作原理是：三相電壓經(jīng)整流變壓器接到晶閘管，由觸發(fā)脈沖控制晶閘管導(dǎo)通，在同一時刻，兩組晶閘管只有一組被觸發(fā)導(dǎo)通。 所以從上面幾種整流電路來看，三相橋式整流電路從技術(shù)性能和 經(jīng)濟性能兩項指標(biāo)綜合考慮，再結(jié)合本軋機的容量等級，比其它的整流電路優(yōu)越?？偟耐顿Y比三相半波電路多。可控硅的反峰壓低，可控硅的價格低。 圖 三相橋式全控整流電路 原理圖及輸出電壓波形 三相橋式整流電路相當(dāng)于六相整流電路，它的電壓脈動比三相半波整流電路少一半。當(dāng)整流電壓相同時，硅元件的反峰壓比三相橋式整流電路高，可控硅的價格高 [5]。三相半波整流電路雖然對三相電網(wǎng)平衡運行沒有影響，但其脈動仍然較大。 三相半波整流電路 三相半波整流電路如圖 所示。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 5 頁 共 45 頁 圖 單相橋式半控整流電路及電壓輸出波形 由輸出電壓的波形圖可見，單相橋式半控整流電路電壓脈動大，脈動頻率低，波形如圖 所示。 圖 龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)方框圖 可控硅整流電路的選擇 可 控硅整流電路的型式比較多， 各種整流電路的技術(shù)性能和經(jīng)濟性能都不相同 。 由上述工作我們可以得出龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)框圖如圖 所示。在速度大閉環(huán)中，當(dāng)負(fù)載擾動引起速度變化時，可借助于速度調(diào)節(jié)器的比例積分特性對電機時間常數(shù) Tm進(jìn)行理想的補償，從而達(dá)到整個系統(tǒng)最佳化。 控制方案的確定 由上述分析，本 課題采用 雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)使這個問題得到了很好的解決，因