KW直流双闭环VM系统设计

1、目录摘要I1概述12主电路方案设计22.1 调速系统方案要求22.2 主电路方案设计22.3 触发电路方案设计32.4 直流调速系统方框图43 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算43.1 电枢回路串电阻调速43.2 整流变压器容量计算43.3 晶闸管的电流、电压定额计算53.4 平波电抗器电感量计算.64 触发电路设计75 保护电路的设计85.1 过电压保护85.2 过电流保护11附录12结束语.14参考文献15本科生课程设计成绩评定表16摘要电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据实际工艺要求调节其转速。目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小

2、、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。在不可逆调速电路中电流不能反向，因而电动机没有反向运行能力，只能作单向运行。晶闸管-电动机调速系统又称V-M系统，晶闸管整流装置具有良好的可靠性和经济效益，控制作用为毫秒级，动态性能很好。对于本次设计的任务可采用应用极为广泛的三相桥式整流电路来带动直流电机，合理选择各元器件参数，再加上相应的驱动电路和保护电路即可。关键字：直流电机 不可逆调速 三相桥式整流55KW直流电动机不可逆调速系统主电路设计1 概述作为电气自动化在电力电子技术应用上的基础器件晶闸管，它的应用已成为十分普及的实用技术。随着电力

3、电子技术的发展，晶闸管直流调速系统已在各工业部门得到广泛应用对节能起到很大促进作用。正确掌握直流调速系统的测试技术和设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大作用。电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统。与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有很大

4、提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。直流电机调速系统中的核心部分整流电路特别是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中应用极为广泛，如交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等。对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义，不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。三相全控桥整流电路输出电压波动小，适合直流电动机的负载。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。本设计报告首先根据设计要求确定调速

5、方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流等的参数计算。2 主电路方案设计2.1 调速系统方案要求对晶闸管电气控制系统的技术要求：（1）输出一定的直流电压和电流。（2）输出电压的脉动指标在允许范围内。 （3）具有自动稳压功能和一定的稳压精度。（4） 对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标。2.2 主电路方案设计 一般说来，在整流器功率很小时（4kW以下），用单相整流；功率较大时，用三相整流电路，故选用三相整流电路。在三相整流电路中，三相桥式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少、触发器少，

6、对需要220V电压的用电设备直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输也电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变电器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大，往往需要从车间变压器单独敷设零线。而三相桥式整流电路，在输出整流电压相同时，电源相电压可较三相零整流电路小一半，困此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求，变压器二次绕组电流中没有直流分量、利用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可小一些。三相桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，全控桥需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380V电网直接供电，而

7、要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合，故在要求较高的场合应选择三项全控桥式整流电路。 对于本次设计而言，直流电动机额定功率为55KW，属于中型容量。由于电机的容量较大，要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器,同时为避三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用/Y接法。2.3 触发电路方案设计 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大

8、、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。集成触发器可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。 3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可组成完整的三相全控桥触发电路。本此设计要求的触发电路选用集成元件。2.4 直流调速系统方框图 为了使器件可靠运行，除了合理选择晶闸管外，还必须针对过电压和过电流采取恰当的保护措施。系统具体的方框

9、图如图1所示： 图1 直流调速系统方框图3 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算3.1 电枢回路串电阻调速 由电机学知识可知，直流电动机有3种调速方法：电枢串电阻、降电压和弱磁调速。根据任务书要求电动机启动、制动需平稳，且达到10：1的调速范围。本次设计采用电枢回路串电阻的方法来实现这一目标。我国目前设计的直流电动机额定电枢电动势满足： （式1） 一般中等容量电动机取0.95左右，则有： （式2） 电动机电枢内阻Ra： （式3） 电动机CeN： （式4）理想空载转速： (式5）调速范围D： 则 (式6） (式7） 由式7可知Rmax=0.66，即为了满足电动机平稳启停以及合适的调速范围，可在

10、电枢回路串入一个0.66 的电阻。3.2 整流变压器容量计算变压器一次侧相电压为=380V，而二次侧的线电压在树枝上等于输出的负载上的直流电压，即为直流电机的额定电压UN为220V，所以=220V。变压器二次侧相电压的计算： (式8） 变压器的变比选择： (式9） 由于电机的额定电流IN为287A，且电流过载倍数为1.5，二次侧额定电流I2N满足： (式10）则变压器的额定电流也应该限制在430.50A。综上所述：整流变压器的选择参数为，变比K=2.99，一次侧额定电压U1N=380V，二次侧额定线电压U2N=220V，额定电流I2N=430.5A。求变压器一次及二次的相电流： (式11） (

11、式12） K为变压器变压比，三相桥式整流电路中三相变压器：，Id=287A，所以有：I1=78.3A，I2=234.2A 三相变压器容量： 一次侧的容量： （式13) 二次侧的容量： （式14)由式6和式7可得变压器容量为： （式15)考虑到变压器存在损耗，故可选用变压器容量S为90KVA。3.3 晶闸管的电流、电压定额计算 （1）额定电压UTN的计算断态重复峰值电压UDRM 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压UFRM 反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UTM 晶闸管通以

12、某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。对于三相桥式全控电路，晶闸管承受的最大反向电压为： （式16)最大正向电压为： (式 17)所以晶闸管的额定电压为： (式 18) （2）额定电流IT（AV）的计算由图3可以看出，晶闸管电流的平均值和有效值分别为： (式 19) (式 20) 晶闸管的电流定额按有效值相等的原则来选取，并应留一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。 晶闸管额定电流计算公式： （式21) 故可选用额定电压为800V、额定电流为200A的晶闸管作为本次设计之用。3.4 平波电

13、抗器电感量计算为了减少电流脉动和增长晶闸管导通时间可以在直流输出端串联一个平波电抗器，这样可以使电压输出的波形跟接近一条直线，保持电流连续。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载其平波电抗器电感量的计算如下： （式22) 式中一般取电动机额定电流的5%10%，则由式22可知： L=3.1mH6.2mH，对于本次设计而言可选用5mH电感。4 触发电路设计 集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调式容易、使用方便等优点，本设计所要求的也是采用KJ041集成触发电路。    KJ041为6路双脉冲形成器，它是三相全空桥式电路的触发器，它具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能

14、。KJ041实用电路详见附录，移相触发器输出脉冲加到该器件的16端，器件内的输入二极管完成“或”功能，形成补脉冲，该脉冲经放大后分6路输出。当控制端7接逻辑“0”电平时，器件内的电子开关断开，各路输出触发脉冲。采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。本设计主电路整流变压器采用D，y-11联结，同步变压器采用D，y-11，5联结。这时，同步电压选取的结果如表1所示：                 

15、60;                              表1  各晶闸管的同步电压    晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步电压-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb为防止电网电压波形畸变对触

16、发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，以R-C滤波器滞后角为60度为例，同步电压选取结果如表2所示： 表2 三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波滞后60度）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步电压+Usb-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc5 保护电路的设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是非常必要的。晶闸管的保护电路一般可在适当的地方安装保护器件，如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。5.1过电压保护其作用是把操作过电压抑

17、制在元件额定电压UTN下；把浪涌过电压抑制在元件的断态和反向不重复峰值电压UDSM和URSM以下。以过电压保护部位来分，有交流侧过电压保护，直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。(1)交流侧过电压保护 a阻容保护：即在变压器二次侧并联电阻R电容C进行保护，接线方式如图2所示： 图2 阻容保护的接法 b压敏电阻保护：压敏电阻是其电阻值与外施电压有关的一种非线形半导体器件。当压敏电阻两端的外施电压低于某一定值（压敏电阻值）时，通过压敏电阻的电流几乎近于零；而当外施电压超过该值后，电流将突然增大。因此，压敏电阻对于外施电压有限幅的作用。压敏电阻主要是抑制浪涌电压和电流，保护电器中的电磁线圈和触

18、头，保护半导体元器件，用作接地保护以及稳定电压等。压敏电阻的主要参数有：标称电压U1mA：指漏电流为1mA时压敏电阻上的电压。通流量：在规定冲击电流波形（前沿8s，波形宽20s）下，允许通过的浪涌峰值电流。残压：压敏电阻通过浪涌电流时在其两端的电压降。压敏电阻的接线如图3所示：图3 压敏电阻保护的接法 压敏电阻的选择为标称电压U1mA： (式23）式23中U压敏电阻两端正常工作电压有效值（V）。通流量：应大于实际可能产生的浪涌电流值，一般取5kA以上。残压：由被保护元件的耐压决定，对于晶闸管，应使得在通过浪涌电流时，残压抑制在晶闸管额定电压以下，并留有一定裕量。 由此可得： (2-24)可取4

19、40V，通流量取5kA。(2) 直流侧过电压保护 直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护，如图4所示：图4 直流侧压敏电阻保护电路的接法 压敏电阻的标称电压U1mA，一般用下面公式计算，即 (2-25)式中UDC正常工作时加在压敏电阻两端的直流电压（V）。通流量和残压的选择同交流侧。由此可得： (2-26) (3)晶闸管两端的过电压保护 抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，如图5所示:图5 晶闸管两端阻容保护电路接法 阻容保护

20、的数值一般根据经验选定，见表3。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um的1.11.5倍。表3 与晶闸管并联的阻容经验数据晶闸管额定电流（A）1020501002005001000电容（F）0.10.150.20.250.512电阻（）100840201052 电阻功率PR(W): (式27） 式28中 f电源频率（Hz） C与电阻串连电容值（F）。 Um晶闸管工作电压峰值（V）由表3查得：C2=0.25F，R2=20 电容耐压 (式28) 可选用电容量0.22F，耐压800V的电容。 (式29)5.1过电流保护本系统采用与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。a快速熔断器的选择 熔断器是当

21、通过它的电路超过规定值达到一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化，从而分断电路的电器。在使用中，熔断器是同它保护的电路串联的，当该电路中发生过载或短路故障时，如果通过熔体的电流达到或超过某一定值，则熔体上产生的热量就会使其温度上升到熔体金属的熔点。于是，熔体自行熔断，并以此切断故障电流，对电路实行保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧直接与晶闸管串联。其中与元件串联的接法对于保护晶闸管最为有效。接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT：，故选用的熔断器，熔体电流为165.7A。 附录1、 触发电路图2、 同步变压器和整流变压器连接图3、系统主电路图结束语在本次设计过程中，我查阅了大量的专业书刊，涉及到电力电子技术、电机原理及拖动、电力拖动自动控制系统等几门学科。这个题目的综合性挺强，开始时我还不太了解题目的要求，在查阅相关