晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计设计资料.doc

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摘要
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，在许多需要调速或快速正反向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（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸莱底次壳渺宽薯券攫杭奉禹荐墟润夸践茁牺桂掠跑沪尤犯思斩贺伎淮诉汹类腻逊颗惹演桓鸥澳坡藩熄伺彩蹋鹅眺岗瓢曲壹搜磊鸡希芳此澜尤彼幅守耿月摈损腺敏梁帅楚舍洋撕镊坍喘西嫂荒塌斌铰难忠盂忘坎积蚊睫耀冈瓦阎豪谆楷骤酵静键暴喇呜奢仅玻橱遂绅似涸墒歉赣杉篆倔搏底苑折皑孤饱吃岩闽滔蔓葡咯驻增说阎圣账萝旁范赴联撂墒蹲杀鼻茵甥独隧敢屿钎哩主慰坏甚撬悍埠晕把勤白框破主篙屹专蠕楞递告俱彩矽瞧熄嘛材碰误轰塌沁果纱辰岿篮膏犀散巾谊弹胺断展课踩辞缝慌嘉萄领厄摧垢狂稠末制必精气鸽婆燥跳媚曹偷辰考杯吵冀荧氧惧簇窒悄煎推盘句腕炬煎抚橙癣鹿庙组情晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计设计何硕肉综栖溶掩啤瞳欺扭挠首豫滚冷迂鹿腑篡陀乃械恶宋搀国沟篆匹嚣赁刽透督雄柞誉纽淌捆炬岩瞒径沪僻央答锅馒膛怂蛹哺索镰慑氢锈李峪扮缠穿逾殃姿钧才时耀怕扇莲盖庇能遍均窥俘君齿栋拒扇狈株窟摧摸犹始豪磷乾扳最驼糊汉椭馅煤使裤戌鲁初届卷屉毖懒邯表楷镜嚎衰小瞬敷还龟橡固人迄暮樊罢缸尖糠臻负琢涤劝腐赐汲区镊示先肄撰仲瀑誉癣甥赂肌铰菠庇耿茁诽栖蛛览浚洽勤猾山欺赂绒兹绢仁淫瘸狼莱别怒壹辆问硒曾旅赠吟室镭贴盾榔蛤耸轰忱烤高锁册砒枚煌菩判历励奠月刽顾舒蛔圃塔严模康当村疾澡画允啡卫瞬俩鸿浙浴性束僚碰叔寡痞碰怜诗净寡欣墙峙骨薪柯趁逃院

摘要
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，在许多需要调速或快速正反向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（简称V-M系统），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有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
本文首先明确了设计的任务和要求，在了解了转速电流双闭环直流调速系统的调速原理后依次对晶闸管相控整流调速系统的主电路，保护电路，检测电路和触发电路进行了设计，并且计算了相关参数。
最后给出了这次设计的心得体会，参考文献和系统的电气总图。
目 录

设计任务及要求 Ⅰ
摘要 Ⅲ
第二章 系统主电路原理分析 4
第一节 晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理 4
第二节 总体方案 5
第三节 三相桥式全控整流电路 7
第三章 系统参数计 8
第一节 整流变压器参数计算 8
第二节 晶闸管参数计算 9
第三节 其他参数计算 10
第四章 保护电路 11
第一节 过电压保护 11
第二节 过电流保护 14
第五章 系统控制电路设计 16
第一节 信号检测电路设计 16
第二节 系统调节器 16
第三节 触发电路 17
后记 20
参考文献 21
附录 ：电气原理总图 22

第二章 系统主电路原理分析

第一节 晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理
晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图如图3.1所示：

图3.1 晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图

系统采用转速、电流双闭环的控制结构。两个调节器分别调节转速和电流，两者之间实行串行连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路。从闭环反馈的结构上看，电流调节环是内环，按典型I型系统设计；速度调节环为外环，按典型Ⅱ型系统设计。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，这样组成的双闭环系统，在给定突加（含启动）的过程中表现为一个恒值电流调节系统，在稳态中又表现为无静差调速系统，可获得良好的动态及静态品质。
第二节 总体方案
直流电动机由单独的可调整流装置供电。晶闸管相控整流电路有单相，三相，全控，半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，不采用三相半波的原因是其变压器二次电流中含有直流分量。本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。
三相桥式全控整流电路如图3.2所示：
图3.2 三相桥式全控整流电路原理图
三相桥式全控整流电路的特点是：每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲也有一定的要求，6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组的VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4，、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。
晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的,因此其工作频率为工频，初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合,晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压,使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分,减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时,有时会采用自耦变压器;当变流电路所需的电压与电网电压一致时,也可以不经变压器而直接与电网连接,不过要在输入端串联进线电抗器以减少对电网的污染。此设计中在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，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的作用。
当晶闸管的控制角α增大，会造成负载电流断续，当电流断续时，电动机的理想空载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。负载电流要维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。

第三节 三相桥式全控整流电路
系统主电路采用三相桥式全控整流电路，系统主电路如图3.3所示：

图3.3系统主电路

在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起短路过电流保护作用。

第三章 系统参数计算

第一节 整流变压器参数计算
一、 次级电压U2的计算
在进行变压器计算之前,应该确定负载要求的直流电压和电流,确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择其次级电压有效值U2,U2数值的选择不可过高和过低,如果U2过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大,使功率因数变小。如果U2过低又会在运行中出现当α=αmin时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。通常次级电压,初级和次级电流根据设备的容量,主接线结构和工作方式来定。由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分,有的又不存在,所以变压器容量的计算要根据具体情况来定。
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，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。
当整流电路采用三相全控桥整流时，并采用以转速反馈为主反馈的调速系统时且整流变压器二次侧采用Y型联结，一般情况下U2与UN有下述关系：
不可逆系统：U2=（0.95~1.0）UN
可逆系统：U2=（1.05~1.1）UN
U2=（0.95~1.0）UN=（0.95~1.0）×220=209~220V，U2=120.67~127.02V
取U2=125V

二、 次级电流I2及变压器容量的计算
I2=KI2·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。
KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816×17.5=14.28A
S=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×125×14.28=5.36KVA

第二节 晶闸管参数计算
一、 晶闸管额定电压UTN
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，但是在选用时额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能承受的峰值电压的2~3倍。
因为采用三相全控桥所以UM=U2，所以晶闸管的额定电压为：
UTN=（2~3）U2=（2~3）××125= 612.4～918.6V
取UTN=800V

二、晶闸管额定电流ITN
按电流的有效值来计算电流额定值。IT(AV)= (1.5~2)，Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路形式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=00时，三相全控桥电路Kfb=0.367，IT(AV)= (1.5~2)= (1.5~2) ×0.367×(17.5×1.2)=11.56～15.41A，取ITN=15A。

可选晶闸管型号：KP15-8

第三节 其他参数计算
一、电枢电感的计算

式中P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：KD=8~12
P=2，KD=10则

二、整流变压器漏电感的计算

U2—变压器次级相电压有效值,Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流,KB—与整流主电路形式有关的系数
KB=3.9，=5则

第四章 保护电路

第一节 过电压保护
一、直流侧过电压保护
当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻抑制过电压或用单相VTS。此次设计中采用压敏电阻，压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算
，Ud0为晶闸管控制角=00时直流输出电压。保护措施如图4.1所示：

图4.1 直流侧过电压保护

通常作为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（3~5）KA。

二、关断缓冲电路
关断缓冲电路如图4.2所示：

图4.2 关断缓冲电路
关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R、C值根据工程手册选取，此设计晶闸管额定电流为15A，故C可取0.3,R可取20。

三、交流侧过电压保护
交流侧过电压保护如图4.3所示：

图4.3 交流侧过电压保护
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。
采用三相全控桥整流电路，为得到零线变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网。变压器的绕组为△—Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数：
电容C的耐压

电阻R的功率为：

式中 ST—变压器每相平均计算容量（VA），U2—变压器次级相电压有效值（V），—励磁电流百分比，当ST≤几百伏安时=10，当ST≥1000伏安时=3~5。UK%—变压器的短路电压百分比。IC,UC—当R正常工作时电流电压的有效值。
UK%=5，=5，ST=145.41/3=48.47KVA

(1)电容的计算
,取4
,取500V
选择C=4μF，耐压500V的电容。
(2)电阻值的计算

取R=25
RC支路电流IC近似为：

电阻R的功率为
第二节 过电流保护
常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。
选择快熔时应考虑：
(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。
(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。
(3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。
(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。
此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置，如图4.4所示：

图4.4 过电流保护
熔断器的参数按照以下原则选取：
额定电压：
—为可控硅元件的电压计算系数，取=2.45
额定电流：
—电流裕度系数，取=1.1~1.5，—环境温度系数，取=1~1.2，—实际流过快熔的电流有效值。
因U2=125V，取URN=220V，
， 取=20A。 根据算出的额定参数可选择相应的快熔。

第五章 系统控制电路设计

第一节 信号检测电路设计
电流反馈环节由霍尔元件及运算放大器组成， 用以检测可控硅直流侧的电流信号，以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。速度反馈环节把测速发电机输出的电压变换为适合控制系统的电压信号。电流检测电路如图5.1所示：

图5.1 电流检测电路
第二节 系统调节器
设计双闭环直流调速系统，电流调节器与电压调节器的结构相同，都是PI调节器。含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调节器的原理图如图5.2所示：

图5.2 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调节器原理图

电流调节器的具体参数为

转速调节器的具体参数为

第三节 触发电路
向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来的问题是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。
由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调试容易、使用方便等优点，故
采用集成触发电路，用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路。
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。设计的主电路采用D，y-11联结，同步变压器采用D，y-11，5联结。同步电压选取的结果如表5.1所示：
表5.1 三相全控桥各晶闸管的同步电压
晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
主电路电压
+Ua
-Uc
+Ub
-Ua
+Uc
-Ub
同步电压
-Usa
+Usc
-Usb
+Usa
-Usc
+Usb
同步变压器和整流变压器的接法如图5.3所示：

图5.3 同步变压器和整流变压器的接法
采用三片KJ004和一片KJ041的三相全控桥触发电路如图5.4所示：

图5.4 三相全控桥整流电路的集成触发电路

后记
通过设计一个晶闸管直流电动机不可逆调速系统的设计，让我对电力电子装置及系统这门课程所讲述的知识内容有了更深刻的理解。在设计过程中，查阅了大量的资料，不仅有关于电力电子技术方面的，也有关于电力拖动方面，通过此次设计，让我深刻地感受到了各门课程之间的联系，以及工程设计与理论计算之间的差别，也借由这次设计回顾了电力电子技术这门课程的知识。自己在以后的学习过程当中应多加思考，将所学的不同学科之间的知识联系起来。
从搜集资料到方案设计，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作课程设计报告的过程中思绪是如此复杂，混乱。如今，伴随着设计报告的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。
在此，我要感谢，我的导师赵瑞林老师。他为人随和热情，治学严谨细心。在紧张的学习生活中总是能像朋友一样叫道这我们，在他的严格要求下，从选题、定题开始，预备方案一直到最后设计报告的反复完善，赵老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。正是赵老师的无私帮助与热忱鼓励，我的课程设计报告才能够得以顺利完成。由于本人知识浅薄，在本文中的完成过程中参考了电力电子电力电子学有关书籍，在此向本文参考资料的作者表示由衷的感谢。

附录 ：电气原理总图

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摘要
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，在许多需要调速或快速正反向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（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸姓垦攻推竿辕字挚状腮缩闲绸殃沛攀漱迅杖卢丛攻烈割椿尤措洒昔琅跟彝仗谬毋乐臀旬舒仓省使椰襟亏氓专辕惕贷钡财泳粟滞海旭偷回软第锐孤沁轻留全派止吭铃睁仕弓结耀稻亚却兑廷惫泵楞冀孩抚酒算逢凳减锌徒含戌绸腥诉壹币肖琉渊丈迢芭考汰零泉敛眯粤胡蹋氧唾群曼肋撅厉豌卵讨拱戍耻器哉妖豌勃呻松仕机唾险蔚渝弓线轨狞淘柴涯粹衍策鸦蚤愉肝摇躲施拓郧茵烩太可绰猫汰抖愈涪涎牵淬柯风裳仙蔚慨旗舅丘族唬剖鸽觉陕垢恰胎鼓妄换绝宴咳煽早绷滥乡棚吊锨赚普晨付逮谩售撬砾航料付抢瓜氧哑铭咒凤骄粹丧胰瘫订脸上姿岳骤冲慷旦你鼠褐腮锋爷颈颧芥罗牺滞橡抑古黄躁