晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计.docx
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晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计
课程设计任务书
一、课题
晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计
二、设计意义及目的
通过课程设计，一方面是学生对本课程所学内容加深理解，另一方面让学生熟悉工程设计的过程、规范和方法，能正确查阅技术资料、技术手册和标准，培养学生工程设计能力。
三、设计技术数据及要求
1.直流电动机额定数据：
Pn=3KWUN=220V,In=17.5A，nN=1500r/min。
2.主电路中，晶闸管要有过电压、过电流及抑制其正向电压上升率、正向电流上升率的保护电路。
3.选择合适的晶闸管触发电路。
四、设计内容
1.系统调速方案的确定。
2.主电路的选择与计算：
a.整流变压器次级电压的计算，整流变压器次级电流及变压器容量的计算；
b.电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算，以及晶闸管型号的确定。
C.电枢电感Lm的计算，整流变压器漏电感Lb的计算。
3.主电路中各种保护电路的选用及元件参数计算。
五、设计任务
1、设计任务书2、摘要
3、目录4、整流装备方案的选择
5、系统设备（元件）的选择与效验
6、参考文献
7、后记（收获和体会）
六、主要参考资料
《电力电子技术》黄家善机械工业出版社《电力拖动自动控制系统》陈伯时机械工业出版社
七、时间：
二周
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，组成晶闸管一电动机调速系统（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。
I
皿第一章晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述第一节双闭环直流调速系统的组
成.1
第二节双闭环直流调速系统的静特性3
第二章系统主电路原理分析4
4
第二节总体方案5
第三节三相桥式全控整流电路7
8
第一节整流变压器参数计算89
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
21
附录：
电气原理总图22
第一章晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述直流调速系统通过调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。
当负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，采用开环系统就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在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：
要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。
第一节双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。
二者之间实行嵌套（串联）联接。
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电力电子变换器UPE从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR勺输出限幅*
电压Um决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压UCm限制了电力电子电换器的最大输出电压Um。
转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图如图2.1所示：
图2.1转速、电流双闭环直流调速系统原理框图
ASF—转速调节器，ACF—电流调节器，TG-测速发电机，TA-电流互感器，
UPE-电力
电子变换器，u/—转速给定电压，un—转速反馈电压，u*—电流给定电压，u—电流反馈电压。
第二节双闭环直流调速系统的静特性
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm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Idm时，对应于转速调节气的饱和输出uim*，这时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。
双闭环直流调速系统的静特性如图2.2所示：
图2.2双闭环直流调速系统的静特性
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H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a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VT—VT—VT3—VT4—VT5—VT的顺序，相位依次差60°,共阴极组的VTVT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT,、VT、VT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a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U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U过低又会在运行中出现当a=amin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U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Udo
（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：
、.3U2二（0.95~1.0）Un
可逆系统：
3U2=（1.05~1.1）UN
3U2=（0.95~1.0）UN=（0.95~1.0）X220=209~220VU2=120.67~127.02V取U2=125V
二、次级电流丨2及变压器容量的计算
丨2二K2•Id,Kl2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。
K2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故12=0.816X
17.5=14.28A
S=1/2（S+S）二mU11二mUI2=3X125X14.28=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UbRM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U=2U2,所以晶闸管的额定电压为：
UTn=（2~3）6U2二（2~3）X6X125=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）Kfblmax,
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a=00时，三相全控桥电路6=0.367,
It（av）=（1.5~2）Kfbimax=（1.5〜2）X0.367X（17.5X1.2）=11.56〜15.41A，取ltn=15Ad
可选晶闸管型号：
KP15-8
第三节其他参数计算
一、电枢电感Lm的计算
式中P—电动机磁极对数，Ko—计算系数，对一般无补偿电机：
K=8~12
33
P=2,Kd=10则LmKdUn10102201020.95（mH）
2PnNlN22150017.5
二、整流变压器漏电感Lb的计算
U2—变压器次级相电压有效值,ld—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,Uk%=5则LbKbUK%?
U^3.951250.11（mH）
100Id100220
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此次设计中米用压敏电阻，压敏电阻的额定电压UmA的选取可按下式计算
UimA1.8~2.2Ud0（V）,Udo为晶闸管控制角=0°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:
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可取血
Xf耳可取20
三、交流侧过电压保护
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：
乐（3~4）lc2R（W）
式中s—变压器每相平均计算容量（va,u—变压器次级相电压有效值（V）,i。
％—励磁电流百分比，当StW几百伏安时io%=1O,当St>1000伏安时io%=3~5。
U%—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
io%=5,St=145.41/3=48.47KVA
3
u5.3610
512523.43（F）,取4F
1.56125459.2V,取500V
（1）电容的计算
1St
C6i0%-2
3U-
Uc1.5>3J-U2
选择C=4^F,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PR（3~4）lCR（3~4）0.6282529.58-39.44V
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Urn:
URN号尹2
Kut—为可控硅元件的电压计算系数，取Kut=2.45
额定电流Irn:
IrnKKJr（A）
Ki—电流裕度系数，取心=1.1~1.5，Ka—环境温度系数，取Ka=1~1.2，
IR—实际流过快熔的电流有效值。
因U2=125V,取URn=220V
IrnKiKalR1.51.210.118.18A，取Irn=20A根据算出的额定参数可选
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Ki严，iRiCi,T°i1R0C0
Ro4
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:
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。
参考文献
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机械工业出版社，2007
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：
机械工业出版社,2008
[3]杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京:
清华大学出版社，
2006
[4]朱仁初，万伯任.电力拖动控制系统设计手册.北京：
机械工业出版社，1994
[5]机械工程手册，电机工程手册编辑委员会.电机工程手册第九卷自动控制
系统.北京:
机械工业出版社，1982
附录：
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