带电流截止负反馈单闭环直流调速系统

1、带电流截止负反馈单闭环直流 调速系统前言电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具 有很好的启动， 制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都采用直流电动机。而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛 应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。他通常采用三 相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模 拟元件， 比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。 虽在一定程度上满足了生产要求， 但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制 效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致

2、使系统的运行特征也随着变化，所 以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸 管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、 以及缺相和过流保护电路。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作 机械的要求。 机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的 机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的 稳定运转速度发生变化由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正第 1 章 主电路选型和闭环系统的组成1.1 V M系统简介晶闸管 电动机调速系统（简称 VM 系统），其简单原理图如

3、图 1。图中 VT 是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半 控、全控等类型。优点：通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位， 即可改变 整流电压从而实现平滑调速。缺点：1由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成 困难。2元件对过电压、过电流以及过高的 du/dt 和 di/dt 都十分敏感，其中任一 指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还 应有足够的余量。图 1.1 V M 系统1.2 主电路的确定虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的

4、一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用 最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路 组成的调速装置调节范围广（将近 50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机 连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求 。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组 和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和 共阳极组同时进行控制，控制角都是 。在一个周期内 6 个晶闸管都要被触发 一次，触发顺序依次为： VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 ，6 个触发脉冲 相位依次相差 60 o。为了构成

5、一个完整的电流回路， 要求有两个晶闸管同时导通， 其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮 流导通。晶闸管 VT1与VT4 按 A相，晶闸管 VT3与VT6 按 B相，晶闸管 VT5与VT2 按 C相，晶闸管 VT1、 VT3、 VT5 接成共阳极组，晶闸管 VT4、 VT6、 VT2 接成共阴 极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉 冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管， 同时导通时，才构成完整的整流电路。由于电网电压与工作电压（ U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个 整流变压器，以得到与负载匹配

6、的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起 到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰 。考虑到控制角 增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由 于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角 减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧 串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加 入了过电压、过电流保护装置。第二章 闭环调速系统的组成开环直流调速系统调节控制电压 Uc 就可改变电动机的转速。如果负载的生 产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统

7、都能实现一定范围内 的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。 这时就要采用闭环调速系统。采用 PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现 转速无静差。第 3 章 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算3.1 整流变压器容量计算3.1.1 次级电压 U2：为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确 定之后，晶闸管交流侧的电压 U2 只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确 计算整流变压器次级电压 U2。影响 U2 值的因素有：（1）U2 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，

8、导通时有一定的管压降，用UT 表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压 降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的 U2 精确表达式为：A= Ud 0/U2，表示当控制角 =0时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值 之比。B=Ud/Ud0，表示控制角为 时和 =00 时整流电压平均值之比。UK % 变压器的短路电压百分比， 100千伏安以下的变压器取 UK%=5 ，1001000 千伏安的变压器取 UK%=58为电网电压波动系数。根据规定，允许波动 +5%-10% ，即 =1.050.9C 是与整流主电路形式有关的系数 的

9、电动机，通常 ra=0.080.04 nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降 对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转 ,计算所得的 U2 应有一定 的裕量 ,根据经验所知 ,公式中的控制角 应取 300为宜raINRUN，表示电动机电枢电路总电阻 R 的标么值，对容量为 15150KW3=0.9,A=2.34,B=coscos300= 3 ， C=0.5， UK %=52220 0.124400.06440 0.06 1.5 1 1 2 1262.35V2.34 0.9 3 0.5 5 1.52 100取 U2=270V3.1.2 次级电流 I2 和变压器容量：I2=KI2

10、Id , KI2 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均 值之比。对于本设计 KI2 取 0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816220=179.52AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I 2=3270179.52=145.41KVA3.2 晶闸管的电流、电压定额计算3.2.1 晶闸管额定电压 UTN 晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 Um ，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽 23 倍的安全系数，即按下式选UTN=（ 23） UM ，式中系数 23 的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的 要求程度而定。对

11、于本设计， UM= 6 U2， 故计算的晶闸管额定电压为 UTN=（23） 6 U2=（23） 6 270=13231984V, 取 1800V3.2.2 晶闸管额定电流 IT（AV）为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定 值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可 按下式计算：IT（AV）=（1.52）KfbI MAX，式中计算系数 K f b=Kf/1.57Kb 由整流电路型式而定， Kf 为波形系数， Kb 为 共阴极或共阳极电路的支路数。当 =00时，三相全控桥电路 K fb=0.368 故计算的晶闸管额定电流为 IT（AV）=（1.

12、52）KfbIMAX =（1.52） 0.368 （220 1.5）=182.16 242.88A ，取 200A3.3 平波电抗器电感量计算对于三相桥式整流电路L=0.693U2/Idmin平波电抗器 L2=L-La3.3保护电路的设计计算3.4.1 过电压保护 ：交流侧过电压的保护图一采用 RC 过电压抑制电路如图一所示， 在变压器次级并联 RC 电路，以吸收 变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串 联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制 LC 回路可能产 生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路， 变压器的绕组为 Y 联结，阻容保护装 置采用三

13、角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数1STC6i 0% T2 （ F）3U 22电容 C 的耐压 UC 1.5 3 2U 2（V）3 2.3U 2UK%(STi0% (电阻 R 的功率为2PR (3 4)IC 2R(W)1） 电容器的计算C 1 6i 0% ST2 23 U 2235 48.47 210 6.6( F) ,取 7 F 2702UC 1.5 3 2U 21.5 6 270 992(V),取 1200V选择 C=7F，耐压 1200V 的金属化纸介电容6.9R 3 2.3U 2STUK% i0%（2） 电阻值的计算)取 R=20270 3 5 10.38(48.47 10 3

14、 5RC支路电流 I C近似为6IC 2 fCU C 10 6 23.14 50 6 6 270 10 61.246( A)电阻 R 的功率为 PR22(34)IC2R (3 4) 1.246222 103 136(W )直流侧的过电压保护整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在 A 、B 之间产生 过电压，如图二所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在 A 、B 之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时 （击穿后 ）则能通过达数千安的浪涌电流， 所以抑制电流能

15、力很强。压敏电阻的额定电压 U1mA 的选取可按下式计算U1mA 1.8 2.2 Ud0(V)Ud0 为晶闸管控制角 =00时直流输出电压图二对于本设计： U1mA 1.8 2.2 Ud0 1.8 2.2 2.34 270 1138 1390(V )通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（35）KA晶闸管换相过电压保护如右图，在晶闸管元件两端并联 RC 电路，起到晶闸管换相过 电压的保护。串联电阻 R的作用一是阻尼 LTC 回路的震荡，二是限 制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率 di/dt 。R、C 值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为 220A， 故

16、C 可取 0.3 F ,R 可取 20 。3.4.2 过电流保护 在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的 过电流保护元件，其断流时间一般小于 10ms，按图四接法熔断器与每一个晶闸 管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。熔断器的额定电压、电流可按下式计算额定电压 URN：不小于线路正常工作电压的方均根值额定电流 ： I RN Ki KaIR (A)Ka 环境温度系数，取 Ka =11.2I R 实际流过快熔的电流有效值Ki 电流裕度系数，取 K i =1.11.5对于本设计：因 U2=270V ，取 URN=550VIR1 I d1 220 127.17 A ，1

17、19( A)， 取 IRN =120A 。3 d 3第 4 章 驱动控制电路的选型设计KJ004 可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差 180 度的移相脉冲 ,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出 负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。一、电路工作原理： 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电 路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6 、RW1, 流出的充电电流和积分电容 C1 的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻 R1 、R2的比例 ,调节相应的偏移电压 VP 。同时调整锯齿波斜率电位器 RW1, 可以使不同的移相控制 电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加 ,导通角增大。 R7 和 C2 形成微分电路 , 改变 R7 和 C2 的值 , 可获得不同的脉宽输出。的同步电压为任意值。二、封装形式电路采用双列直插 C 16 白瓷和黑瓷两种外壳封装 ,外形尺寸按电子工业部部颁标准。半导体集成电路外形尺寸 SJll00 76功能输 出空锯齿波形 成-Vee(1k )空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输 出+Vcc引