VM双闭环不可逆直流调速系统设计

1、四川师范大学本科毕业设计V-M双闭环不可逆直流调速系统设计学生姓名院系名称工学院专业名称电气工程及其自动化班级学号指导教师完成时间2012年5 月4 日V-M双闭环不可逆直流调速系统设计内容摘要在现有的G-M,V-M,P-M直流调速系统中，V-M （晶闸管-电动机调速系统）是 应用最广，发展最成熟，性能最好的系统。根据晶闸管的特性，可以通过调节控 制角a的大小来改变电压。本题中，采用电流，转速双闭环的控制电路实现直流 电动机的不可逆调速。本文首先确定整个系统框图和方案。然后设计主电路的结构形式和各部件参 数，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。在调速系统中的 主电路采用三相全控

2、整流电路供电。 接着进行驱动电路的设计。最后设计控制电 路，即电流，转速双闭环调速控制器。系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即引入转速负反馈和电流负 反馈，实行串级控制。电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。形 成转速、电流双闭环调速系统。按照多环控制系统的一般原则：从内环开始，逐 步向外扩展。即先从电流环开始。然后分析结构形式和设计各元部件，计算参数, 包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参 数，最后采用MATLAB/SIMULIN对整个调速系统进行仿真分析，从而得到较为理 想的系统框图。根据系统框图，使用 POWER SYST模块进行直流双

3、闭环系统的 仿真。关键词：双闭环；转速调节器ASR 电流调节器ACRDouble closed loop DC reversible speed control system designAbstractAmong the existi ng D.C speed con trolled system of G-M, V-M, P-M, V-M is the most widely used , most mature development and the best performanee system. Based on the characteristic of thyristor, it

4、 adjusts voltage by regulati ng the trigger an gle“a” of SCR. In papdorDpemrioc on trolleris using of curre nt and speed double closed-loop speed con trol circuit.Firstly, determines the entire design the plan and the diagram. Secondly, make sure the structure of power circuit and the design of elem

5、ents , and calculate the element parameter, including rectifier transformer, thyristor, reactor and protection circuit. The energy of power circuit is supplied of three-phase full-bridge con trolled rectifier. Fin ally, actuates the electric circuit the design including to trigger the electric circu

6、it and the pulse. The paper mainly focuses on the desig n of con troller circuit.Establish two regulators in the system, adjusts the rotati onal speed and the electric current separately, namely introduces the rotational speed negative feedback and the electric curre nt n egative feedback separately

7、, betwee n the two impleme nts the n esti ng joi nt .The prin ciples of multiloop con trol system : start from the inner loop as current loop to the outside. Make sure the structure of the circuit and design the elements firstly, then, calculate the element parameter, including the settling voltage,

8、 speed regulator, current regulator etc. Secon dly,the paper simulate the speed con trol system with SIMULINK to get the ideal chart. At last draw the electric diagram of the speed con trol circuit and use POWER SYSTEM for system simulatio n.key words : two closed-loop; ASR ; ACR目录前言 01绪论 11.1直流调速系统

9、的概述 11.2研究课题的目的和意义 11.3设计内容和要求 21.3.1设计要求 21.3.2设计内容 21.3.3技术参数 22双闭环直流调速系统设计框图 33系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 53.1主电路的选择 53.2双闭环调速系统的组成 73.3稳态结构框图和动态数学模型 83.3.1稳态结构框图 83.3.2动态数学模型 104主电路各器件的选择和计算 134.1变流变压器容量的计算和选择 134.2整流元件晶闸管的选型 154.3电抗器的选择 154.4主电路保护电路设计 174.4.1过电压保护设计 174.4.2过电流保护设计 195驱动电路的设计 225.1晶闸管

10、的触发电路 225.2脉冲变压器的设计 246双闭环调速系统调节器的动态设计 266.1电流调节器的设计 266.2转速调节器的设计 287基于MATLAB/SIMULIN的调速系统的仿真 337.1基于MATLAB/SIMULIN的动态系统的仿真 337.2使用POWER SYSTEMS的双闭环系统仿真 36致谢 40参考文献 41附表 42附图 44V-M双闭环不可逆直流调速系统设计、八、刖言直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子、控制理论和计算机技术的结合促进了 高效、高性能的动力。尽管现在交流调速迅速发展，技术越趋成熟，交

11、流电机的 经济性和易维护性使其广受欢迎。但是直流电机调速系统以其良好的起、制动性 能和调速性能仍有广阔的市场，它易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很 高。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简 便；可以实现数字控制。同时，建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是 交流调速控制的基础。直流电动机的转速和其它参量的关系可用式 1表示n 二（U - IR）/Ke ：（ 1）式中n表示转速，U表示电枢电压，I表示电枢电流，R表示电枢回路总电 阻，表示励磁磁通，Ke是由电机结构决定的电动势常数。由此可知，有三种 方法调节转速，改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻。对

12、于要求在一定 范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好。改变电阻只能有 级调速；减弱磁通虽然能平滑调速，但是调速范围不大，往往只能配合调压方案， 在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速 系统往往以变压调速为主。调节电枢供电电压需要专门的可控直流电源。 常见的 有旋转变流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。 静止可控整 流器能克服旋转变流机组设备多、体积大、费用高、效率低、噪声等缺点。可以 是单相、三相或更多相数，半波，全波和桥式等类型，通过调节出发装置GT的控制来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，实现平滑调速。以毫秒级的快 速性提

13、高了系统的动态性能。在V-M系统中，仅用触发装置 GT的控制电压来调节电动机转速，是开环控 制的调速系统，如果对静差率要求不高的话，在一定范围内也能实现无极调速。 但是要求一定的静差率时，需要引入反馈，闭环控制。从而得到更硬的机械特性。 在增设检测和反馈装置和电压放大器的条件下可以保证静差率要求并且提高调 速范围。转速闭环调速系统具有三个基本特征：被调量有静差，抵抗扰动与服从给定， 系统精度依赖于给定和反馈检测精度。1绪论1.1直流调速系统的概述近几十年，直流电机调速控制日新月异。首先实现了整流器的更新换代，以 晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流 电气传动完成

14、了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高 可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高， 应用 范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化， 在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地 或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是 通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电 动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷 扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削

15、机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控 电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流调速系统在生产生活中有着举足轻重 的作用。1.2研究课题的目的和意义采用转速负反馈和PI调节的单闭环直流调速可以保证系统稳定的前提下实 现转速无静差。但是如果对系统要求较高，比如要求快速起制动，突加负载动态 速降小等，单闭环无法满足。原因是单闭环不能随意控制电流和转矩的动态过程， 在单闭环中，电流截止负反馈是专门用来控制电流的， 但是只能在超临界电流值 Ider后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流动态波 形。因此，在双闭环系统中，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得 一段使电流保持为最大

16、值Idm的恒流过程。采用某个物理量的负反馈就可以保持 该量基本不变，采用电流反馈应该近似恒流。利用转速，电流调节器，为了获得更好的静动态性能，两个调节器都采用 PI调节。是从而可以实现：在起动过程中，只有电流反馈，无转速反馈。在稳态时，只有转速反馈，无电流反馈。1.3设计内容和要求1.3.1设计要求1该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的 转速调速范围（DZ10），系统在工作范围内能稳定工作。2. 系统静特性良好，无静差（静差率 SE2 ）。3. 动态性能指标：转速超调量 山：8%，电流超调量、：5%，动态最大转速降5 <810%，调速系统的过渡过程时间（调节时间

17、）ts1s。4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5. 调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。1.3.2设计内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系 统的组成，画出系统组成的原理框图。2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子 器件、平波电抗器与保护电路等）。3. 驱动控制电路选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路）。4动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR与ACR调节器结构形式进行参数计算，使调速系统工作稳定，满足动态性能指标的要求。5.绘制V M双闭环直流不可逆调速系统电器原

18、理图（要求用计算机绘图）， 并用Oread或Matlab软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。（建立传递函数 方框图），并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。1.3.3技术参数1. 晶闸管整流装置：Rrec = 0.15%i |，Ks=30。2. 负载电机额定数据：Un =22CM，|n=17A,nN= 2500r/min，R 0.991，=1.5。3. 系统主电路：R=1.8，Tm 二 0.176s。2双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要直流电，在生活中直接提供的三相交流 380V电源，因 此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源， 最后达到要 求把电源提供给

19、直流电动机。如图1设计的总框架。图1双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电 压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和 保护的不同要求采用不同的方法。 根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器 件的参数。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力 电子器件工作在较理想的开关状态， 缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运 行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 驱动电路的基本任务，就是就将信息 电子电路穿来的信号按照其控制

20、目标的要求， 转换为加在电力电子器件控制端和 公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器 件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。对与晶闸管的驱动电路叫作触 发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、 电流双闭环系统，采用串级控制 的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为 内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。本课题设计主要是设计双闭环的中两 个调节器参数

21、计算与检测。最后是用MATLAB/SIMULIN对整个调速系统进行了仿真分析。3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成3.1主电路的选择直流调速系统常用的直流电源有三种旋转变流机组；静止式可控整流 器；直流斩波器或脉宽调制变换器。机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统 需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励 磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即图 2晶闸管-电动机 调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节处罚装置GT的控制电压Uc来移动 触发脉冲的相位，即可改变平均

22、整流电压 Ud，从而实现平滑调速。和旋转 变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都 很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。图2 V M系统原理图直流斩波器-电动机系统的原理图示于图3,其中VT用开关符号表示任何一 种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到 电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD续流，两端电 压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形u二f(t)，如图4所示,好像是电源 电压US在ton时间内被接上,又在(T- ton)时间内被斩断,故称“斩波”。这样，电 动机得到的平均电压为ton小

23、UdUs 二-Us(2)式中T-功率开关器件的开关周期；ton- 开通时间；' 占空比，T二如二tonf，其中 为开关频率。TL图3直流斩波器-电动机系统原理图图4波形图因此，根据本设计的要求应选择第二个可控直流电源。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说， 以调节电枢供电电压的方 式为最好，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性， 可以通过调节控制角a大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较 小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相 半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分 量，故不采用，本

24、设计采用了三相全控桥整流电路来供电， 该电路是目前应用最 广泛的整流电路，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，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。主电路原理图如图 5所示图5主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管 VT1、VT3 VT5接成共阴极组，晶闸管VT4 VT6 VT2接成共阳极组，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。晶闸管的控制角都是:， 在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序

25、依次为： VT1 VT2- VT3- VT4- VT5- VT6,晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉 冲相位依次相差60°，只有这样才能使电路正常工作。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、过电流等保护装置。3.2双闭环调速系统的组成速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调 速系统。70年代以来，在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日 益广泛的应用。双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用 了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看，单环

26、系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是，任何 调速系统总是需要启动与停车的，从电机能承受的过载电流有一定限制来看， 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。 为达到这个目的，采用电流截止负反馈 的系统，它能得到启动电流波形，见图6中实线所示。波形的峰值正好达到直流 电动机所允许的最大冲击电流Idm,其启动时间为tl。图6带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统，除要求对转速进行调整外，很多生产机械还提出了加快 启动和制动过程的要求，例如可逆轧钢，龙门刨床都是经常处于正反转工作状 态的，为了提高生产率，要求尽量缩短过渡过程的时间。从图6启动电流变化的 波形可以看到，电流只在很短的时间内就达

27、到了最大允许值Idm,而其他时间的电流均小于此值，可见在启动过程中，电机的过载能力并没有充分利用。如果能 使启动电流按虚线的形状变化，充分利用电动机的过载能力，使电机一直在较 大的加速转矩下启动，启动时间就会大大缩短，只要t2就够了。上述设想提出一 个理想的启动过程曲线，其特点是在电机启动时，启动电流很快加大到允许过 载能力值Idm,并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当开到需 要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流Ifz值，对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为IdmRU,随着转速n的上升,U也上升， U = IdmRi Cen ,达到稳定转速时，U二Ifz

28、RI Cen。这就要求在启动过程中把 电动机的电流当作被调节量，使之维持在电机允许的最大值Idm,并保持不变。 这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭 环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图 7图7转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注：ASR 转速调节器 UPE 电力电子装置 Un* 转速给定电压Un 转速反馈电压 Ui* 电流给定电压 Ui 电流反馈电压）为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器， 分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图7所示。这就是说把转速调 节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸

29、管整流器 的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边， 叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节 的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直 到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流 |d max时表现为转速无 静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Id max后，转速调节 器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自 动保护。这就是采用了两

30、个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。3.3稳态结构框图和动态数学模型331稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性， 必须先绘出它的稳态结构框图，如下图 8所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出 饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流 调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。Id分析静特性的关键是掌握这样的 PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系

31、， 相 当于使该调节环开环。不饱和 一一输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏 差电压U在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静 特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此*n二丄二no，而得到下图9静特性的CA段。a（2） 转速调节器饱和：输出达到限幅值Um，转速外环呈开环状态，转速 的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节*系统。稳态时ld =Ujm = |dm ，从而得到下图9静特性的AB段。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而

32、，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图9的虚线。|d ： dm ASR主导，表现为转速无静差Id =|dmACR主导，表现为电流无静差(过电流保护)332动态数学模型如下图10表示双闭环直流调速系统的动态框图， Wasr(S)和Wacr(S)分别表示 转速调节器和电流调节器的传递函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能 时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。在起动过程中转速调节器 ASR经历 了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电压扰 动的性能。在起动过程有三个特点：

33、随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不 同的两种状态。当ASR®和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环 系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流 内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特征。准时间最优控制 即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机 的过载能力，是起动过程尽可能的最快。转速超调：由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后， 必须使转速调节器退出饱和状态。 按 照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR 退出饱和。即采用PI调节器的双闭环

34、调速系统的转速动态响应必然有超调。图10双闭环调速系统的动态结构框图Toi 电流反馈滤波时间常数Ton 转速反馈滤波时间常数在实际动态系统中，常增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定 信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量， 为了不使它影响到调节 器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示， 其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准然而，在抑制交流分 量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用， 为了平衡这个延迟作用，在给定 信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是， 让给定信号和反馈信号经过相同的延时， 使二

35、者在时间上得到恰当的配合，从而 带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上加入时间常数 为Ton的给定滤波环节。4主电路各器件的选择和计算4.1变流变压器容量的计算和选择在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用丫联接。S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压，I1为 一次侧电流，S2为变压器二次侧的容量，

36、U 2为二次侧电压，| 2为二次侧的电流， m1、m2为相数，以下就是各量的推导和计算过程。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电流值的Idmax。(2) 晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用Vt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U 2精确表达式为

37、：U2| d maxUn1 ra(-1) nUTIdA B -CUk%100I d max(3)Id式中A二竺 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U2值之比；B =9土表示控制角为:时和-=0时整流电压平均值之比；Ud0C是与整流主电路形式有关的系数；Uk%为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%=510 ；为电网电压波动系数。通常取 0.91.05,供电质量较差，电压波动较大的 情况；应取较小值；ra=! 表示电动机电枢电路总电阻 R的标么值Unn Ut表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。d m

38、ax|d max-负载电流最大值；|dmax = |dN所以-二-,'表示允许过载倍数。 IdN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U 2应有一定的 裕量,根据经验所知,公式中的控制角:应取30°为宜。；=0.09， A=2.34， B 二cos:二cos30 = 32，C=0.5,Uk%=5 ,（其中 A、Un 220B、C可以查表1中三相全控桥） 表1变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控 桥单相全 控桥三相半 波三相半控桥三相全控 桥带平衡电 抗器的双 反星形A=Udo/U20.90.90.91.172.342.341.17B =U垃川d0

39、COSa1 + cosotcos «cos a1 +cosacosCOS。22c0.7070.7070.7070.8660.50.50.5K|2=l2/ld0.707110.5780.8160.8160.289InR 17 1.8= 0.139(4)以下为计算过程和结果:U2Un1 ra(怦-1) nUTI dA BCUk% Idmax100 Id220 10.139 (1.5-1)2 1 _136.8V2.34 (0.93 一於 5 1.5)2 100(5)这里可以取U2 =140V。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。根据主电路的不同的接线方式，由表1查得K12=t

40、 =0.816即得出二次侧电Id流的有效值I KI2 Id,从而求的、出变压器二次侧容量S2=m2U2|2。而一次相电流有效值|1 = |2/（U1/U2），所以一次侧容量 S2二m2U2|2。一次相电压有效1值U1取决于电网电压。所以变流变压器的平均容量为S = -（SS2）。KI2为各2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 K|2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故|2Z；Ki2 In =1.5 0.816 17 = 20.8A（6）根据整流变压器的特性，即ml 1| 1二m2U2| 2 m取3，所以U 1| 1二U2I2，所以整流变压器的

41、容量为:(14)11S(S1 S2)(mrUH1 m2U2l2) =m2U2l222S = mnU1|1=3 140 65.484 = 27.5KVA设计时留取一定的裕量，可以取容量为30KVA整流变压器。(8)4.2整流元件晶闸管的选型正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。 晶闸管元件主要是选择它的额定电压 UTM和额定电流It(AV)。首先确定晶闸管额定电压Utm，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Urm，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，则计算公式：U tm = (2 3)Urm(9)对于本设计采用的是三相桥式整流

42、电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压 Urm二.6U2 =2.45U2,故计算的晶闸管额定电压为选择Utm=(23). 6U2 = (2 3) 2.45 140 = 686 1029V(10)取 800V。再确定晶闸管额定电流lT(AV)，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的|dmax=，|N=1.5 17 = 25.5A1.52倍。(11)I VT =1I d max = 15A3(由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：(13)IvtIt(AV)4.3 19.1 A.57可以取额定电流为15A。本设计选用晶闸管的型号为 KP

43、(3CT -15A 4.3电抗器的选择直流侧电抗器的选择直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续，提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。直流侧电抗 器的主要作用为了限制直流电流脉动； 轻载或空载时维持电流连续；在有环流可 逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。(1) 用于限制输出电流的脉动的临界电感 Lm (单位为mH103,SuU2Lm =2 兀 fdSlN式中Si -电流脉动系数，取5% 20% ;Su-电压脉动系数，三相全控桥 S二0.46 ；fd -输出电流的基波频率，单位为 Hz，对于三相全控桥fd= 300Hz。即LmSuU22

44、二 fdSIN1000 二0.46x1402 3.14 300 10% 53.51000 =6.39mH(15)(2) 用于保证输出电流连续的临界电感 L (单位为mH(16), K1U2L1 =I m in式中，Imin为要求的最小负载电流平均值，单位为A，本设计中|min = 5%|n ；(17)(18)La1000 =6.85mH2n pnw|N(19)Ki -为计算系数，三相全控桥Ki =0.693。即K 1U 2Li18.13mH| d min(3) 直流电动机的漏电感La (单位为mHKdUn3La102npn w|n式中，Kd -计算系数，对于一般无补偿绕组电动机Kd =812,

45、对于快速无补偿绕组电动机Kd =68，对于有补偿绕组电动机 Kd =56，其余系数均 为电动机额定值。np-极对数，取np=2。即(4) 折合到交流侧的漏电抗Lb (单位为mHKbU 2Uk%100IN(20)式中，Uk%-变压器短路比，一般取为5%Kb -为计算系数，三相全控桥 Kb =3.9。即KbU2Uk%100IN-0.005mH(21)(22)(23)(5) 实际要接入的平波电抗器电感LkLk 二 max( Lm, Li) - La -2Lb 二 19.41mH可取 Lk =20mH(6) 电枢回路总电感L3 = Lk 2 Lb L: =20 2 0.005 6.85 = 26.86

46、mH4.4主电路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一 般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏， 从而导致变流 装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。4.4.1过电压保护设计过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护， 前常采用的保护措施有阻容 吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻 的过电压保护。1. 交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物(如氧化锌、氧化铋)烧结制成的非线性压敏元 件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特 性，在正常工作时只有很微

47、弱的电流(1mA以下)通过元件，而一旦出现过电 压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内， 并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保 护元件。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为 丫联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图 11所示。图11二次侧过电压压敏电阻保护(1) 压敏电阻的额定电压U1mA选择可按下式：U1mA _ 1.33、2U 21(24)式中，U1mA压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V 等；U 21 -变压器二次侧的线电压有效值，对于星

48、形接法的线电压等于相电 压，U21 = 3U2。U1mA1.33 2 . 3 140 =465.09V(25)(2) 计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时：|Rm = .；Kz|02l( 26)式中，Kz -能量转换系数，Kz=0.30.5 ;I021三相变压器空载线电流有效值，Io2i=5%l2i =5%l2 = 2.185A。|Rm =2 Kzl 02= 2 0.4 2.185 T.128A(27)33(3) 计算压敏电阻的最大电压URm的公式为URm = KRIRm1/a( 28)式中，Kr压敏元件特性系数；a 压敏元件非线性系数。一般 a在2025之间，在取a =20时，KR=1.

49、4UimA。1 /a1/ 20, 、URm = KRIRm = 1.4 x 456.09 ".128= 642.38V(29)因此，压敏电阻额定电压取 650V型压敏电阻。2. 直流侧过电压保护整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压 时(击穿后)，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电 压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电 路图如图12所示。图12压敏电阻保护电路压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算：U1mAUd 压敏电阻承受

50、的额定电压峰值0.8 0.9式中U1mA为压敏电阻的额定电压；为电网电压升高系数，一般；取1.051.10。 压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角:=300时输出电压Ud。Ud ：二6U 2 cos ： min 二 2.34 1 4 03/2 =28 37V( 30)对于本设计：s1.05U1mAUd287.31 = 331.94 371.65V(31)0.8 0.90.8 0.9因此，压敏电阻额定电压取 350V型压敏电阻。3. 晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压 Udrm

51、 定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压 的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变 化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成 的。本设计采用如图13阻容吸收回路来抑制过电压。图13阻容吸收回路通过经验公式C =(2 4)It 10R=2030"1 2P.CUm2得：C=(24)|t 1O=(24) 50 10 " = 0.1 0.21 21623Er CUm 0.2 10140 =1.96 10 J2 2由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此2ER =2 1.96 103.92 10-

52、JP旦竺4T 0.02= 0.196W功率选择留56倍裕量P =(56)P =(56) 0.196 =11.2W因此，电阻R选择 阻值为201 ,功率选择1W的电阻。 电容C选择 容量为0.20平 的电容。(32)(33)(34)(35)(36)442过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种(1) 在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限 制短路短路电流。(2) 在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲 快速后移或对脉冲进行圭寸锁。(3) 交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器， 可以在发生过电流时动作，

53、断开主电路。(4) 对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速 开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： 快速开关的额定电流l|2d额定整流电流In。 快速开关的额定电压U«d额定整流电压Un。 快速开关的分断能力If2d直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均 值ld20。快速开关的动作电流lg2d按电动机最大过载电流整定lg2d KI N 式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7 ; In为直流电动机的额定电流(5) 快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注 意以下问题： 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压

54、的有效值。 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 溶体的额定电流Ikn可按下式计算1.57lTa乞Ikn空It1.三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧 过电流保护，保护原理图14如下：0C 0图14 一次侧过电流保护电路(1)熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。 本课题设计中变压器的一次侧的线电压为 380V,熔断器额定电压可选择400V。(2)熔断器额疋电流选择：其额疋电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流.U2I214043.7一、丨12 216.1A(37)U1380熔断器额定电

55、流Ifu 乞 1.611 =1.6 16.1 =25.76A(38)因此，如图14在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按 本课题的设计要求熔断器的额定电压可选 400V,额定电流选25A。2晶闸管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热 容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控 制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最 常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内， 熔断时间极短，可 以用来保护晶闸管。如右图15快速熔断器保护。根据快速熔断器的要求 熔断器的额定电压Ukn -Urm =2.456 =2.45 140 = 343V(39)因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电 压可选择350V。5驱动电路的设计5.1晶闸管的触发电路晶闸管