【正文】 設(shè)計 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 25 晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管過電流保圖 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 24 護(hù)方法中最常用的是快速熔斷器。由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，否則將遭至徹底損壞。 （ 2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。 ② 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。 （ 5） 快速熔斷器 它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。 ③ 快速開關(guān)的分?jǐn)嗄芰?2fddI 直流側(cè)外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值 20dI 。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇： ① 快速開關(guān)的額定電流 2ldI 額定整流電流 NI 。 （ 3）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。 （ 1）在交流進(jìn)線中串接電抗器或采用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。本設(shè)計采用如右圖 阻容吸收回路來抑制過電壓。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的方法。 壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角 ? =300時輸出電壓 dU? 。其電路圖如右圖 所示 。 （ 2）計算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時： 0223Rm Z lI K I? （ 311） 式中， ZK — 能量轉(zhuǎn)換系數(shù)， ~ ? 02lI — 三相變壓器空載線電流有效值 IRm= （ 3）計算壓敏電阻的最大電壓 的公式為 1aRm R RmU K I? （ 312） 式中， RK — 壓敏元件特性系數(shù)； a — 壓敏元件非線性系數(shù)； 一般 a 在 20～ 25 之間。 2lU — 變壓器二次側(cè)的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓， 223lUU? 。 本設(shè)計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為△ — Y 聯(lián)結(jié)，在變壓器交流側(cè)，采用壓敏電阻的保護(hù)回路，如下圖 所示。 1．交流側(cè)過電壓保護(hù) 壓敏電阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結(jié)制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護(hù)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有很微弱的電流（ 1mA 以下）通過元件，而一旦出現(xiàn)過電壓時電壓，壓敏電阻可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內(nèi)，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優(yōu)點(diǎn)。 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 19 保護(hù)電路的計算 過電壓保護(hù) 過電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護(hù)，前常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。 有 Lm =2mH。 有 LM= (2)整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感 LB按下式計算： )m(%100100 d2 HIUUKL KBB ??? (37) 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 18 式中， U2— 變壓器次級相電壓有效值 Id— 晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流 KB— 與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù) 對于本設(shè)計， KB=。 平波電抗器電感量計算 計算直流回路附加電抗器的電感量時 因為 電動機(jī)電樞和變壓器存在漏感，因而，要從所需電感量中，扣除上述兩種電感量。 晶閘管額定電流為： IN（ AV） =(～ 2)KfbIMAX (35) =(～ 2) (291 ) =～ ，本設(shè)計中取 300A。 當(dāng)α =0176。即 取一般通態(tài)平均電流為按此原則所得計算的～ 2 倍。因此有： 晶閘管 承受的最大反向電壓為 VU 3 6 71 5 0632 2 ??? 故晶閘管的額定電壓為 UTN=（ 2～ 3) 6 U2=（ 2～ 3） 367V=735～ 1102V,取 800V 故計算的晶閘管額定電壓為 800V。 所得數(shù)據(jù)為 ε=,A=, 2330c o sc o s ??? OB ? ， C=， UK=5 代入式（ 31）有 ? ? VU 1 2 521 0 0 3 02 ??????????）（）（， U2可取 150V 次級電流 I2和變壓器容量 S I2=KI2?Id （ 32） I2= 291= 式中； KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負(fù)載電流平均值之不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 16 比。 在 本設(shè)計 中 ： 對于 三相全控橋 應(yīng)有： A=Ud0/U2=, ?cos?B ， C=， KI2=I2/Id=， 為了保證電動機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn) ,計算所得的 U2 應(yīng)有一定的裕量 ,根據(jù)經(jīng)驗所知 ,公式中的控制角 α 應(yīng)取 30176。 nUT— 表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。 C 是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù) 。 ε為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。 B=Uda/Ud0，表示控制角為α =0176。 綜合以上因素得到的 U2精確表達(dá)式為： ?????? ???????????????????? ???dd m a xm a x2%10010011IICUBAnUIIrUKTddaNU? （ 31） 式中： A= Ud0/U2，表示當(dāng)控制角α =0176。 此外，為了 盡可能的避免 電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器 （ 一次側(cè)繞組采用△聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用 Y 聯(lián)接 ）。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 Id顯露出來，如圖 所示。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 Un*— 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un— 轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*— 電流給定電壓 Ui— 電流反饋電壓 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 12 2. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速給隨，希望電流調(diào)節(jié)起不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對于靜態(tài)性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)飽和與不飽和兩種狀況。如果負(fù)載的不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 11 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是，對靜差率有較高要求時，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 在圖 中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，他們是按照電力 電子變換器的控制電壓 Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。因為 PI 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 如圖 所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。 (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程 圖 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 10 下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 Idm 的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。這樣的理想起動過程波形如圖 （ b）所示，起動電流成矩波形，轉(zhuǎn)速按線性增長。為此，在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能充分按照理想要求控制電流的動態(tài)過程。 為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護(hù)裝置。 由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（ U2）常常不一致，故在主電路前端配置一個整流變壓器，以得到與負(fù)載相匹配的電壓，同時為了起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其 他用電設(shè)備的干擾而把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通。對觸發(fā)脈沖來說， 6 個觸發(fā)脈沖相位依次相差 60176。 圖 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）原理圖 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 8 如圖所示，三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進(jìn)行控制，控制角都是 α。所以把該電路應(yīng)用于本設(shè)計，能實現(xiàn)電動機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104 以上，門極電流可以直接用電子控制；響應(yīng)時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運(yùn)行損耗小，效率高；這些優(yōu)點(diǎn)使 VM 系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能 。 圖 繪出了晶閘管 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (簡稱 VM 系統(tǒng) )的原理圖。采用可控晶閘管組成整流器的是晶閘管整流器 電動機(jī)系統(tǒng)。 圖 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 7 主電路選型 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方法，直流調(diào)速系統(tǒng)常用的直流電源有三種①旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；②靜止式可控整流器；③直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角а的大小來控制輸出電壓 Ud 的大小，從而改變電動機(jī) M 的電源電壓。 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 6 第 2 章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng) 整體設(shè)計 本設(shè)計 如圖 設(shè)計的總框架 ，由 三相直流電 給 直流電機(jī)的供電，采用三相橋式整流電路變成三相直流電源 將 生活中的三相交流 380V 電源進(jìn)行整流，最后提供給直流電動機(jī)。 4 設(shè)計 ACR、 ASR 并滿足給定性能指標(biāo)。 2 根據(jù)給定電機(jī)參數(shù)，設(shè)計整流變壓器，并選擇變壓器容量；選擇晶閘管的參數(shù)并確定過流、過壓保護(hù)元件參數(shù)。 關(guān)鍵詞： VM； 直流調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán) 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 5 第 1 章 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù) 性能指標(biāo)要求： 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)無靜差 動態(tài)指標(biāo)： %5?i? ；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時 %10?n? 。采用可控晶閘管組成整流器的是晶閘管整流器 電動機(jī)系統(tǒng)。而直流調(diào)速系統(tǒng)因具有良好的啟動、制動性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在 電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 1 不可逆 VM 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 目錄 常用符號表 .................................................................................................................................. 3