雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計.doc

一、 變流變壓器容量的計算和選擇在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項(xiàng)用的變壓器的一次側(cè)繞組采用聯(lián)接，二次側(cè)繞組采用Y聯(lián)接。為整流變壓器的總?cè)萘?，為變壓器一次?cè)的容量，為一次側(cè)電壓, 為一次側(cè)電流, 為變壓器二次側(cè)的容量，為二次側(cè)電壓，為二次側(cè)的電流，、為相數(shù)，以下就是各量的推導(dǎo)和計算過程。為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降。(5)電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的精確表達(dá)式為：式中 變流變壓器的計算系數(shù)整流電路單相雙半波單相半控橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289 綜上：選擇變壓器二次側(cè)輸出電壓為：360VSCB10140KVA380V360VS的意思表示此變壓器為三相變壓器，如果換成則表示此變壓器為單相。C的意思表示此變壓器的繞組為樹脂澆注成形固體。B的意思是箔式繞組，如果是則表示為纏繞式繞組，如果是則表示為鋁繞組，如果是則表示為有載調(diào)壓（銅不標(biāo)）。10的意示是設(shè)計序號，也叫技術(shù)序號。140KVA則表示此臺變壓器的額定容量（140千伏安）。380V的意思是一次額定電壓，360V意思是二次額定電壓。二、整流元件晶閘管的選型正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運(yùn)行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流首先確定晶閘管額定電壓，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計算公式：對于本設(shè)計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)?，在阻感?fù)載中晶閘管承受的最大電壓:故計算的晶閘管額定電壓為1764 V2646 V取2000V。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結(jié)果的1.52倍。 由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為：可以取額定電流為100A。本設(shè)計選用晶閘管的型號為KP100A/2000V額定電壓： VDRM 2000V 額定電流： IT(AV) 100A門極觸發(fā)電壓：VGT 3.5 V 門極觸發(fā)電流：IGT 300 mA三、直流側(cè)電抗器設(shè)計直流側(cè)電抗器的選擇直流側(cè)電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續(xù)；在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流；限制直流側(cè)短路電流上升率。(一) 限制輸出電流脈動的電感量（單位為mH）式中-電流脈動系數(shù)，取10%；-輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋。即 （二）輸出電流保持連續(xù)的臨界電感量（單位為mH）式中，-為要求連續(xù)的最小負(fù)載電流平均值，單位為，本設(shè)計中； -為計算系數(shù)，三相全控橋。 即 取 四、主電路保護(hù)電路設(shè)計電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，但承受過電流和過電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆弱的多，短時間的過電流和過電壓都會使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護(hù)裝置。（一）過電壓保護(hù)設(shè)計過電壓保護(hù)可分為交流側(cè)和直流側(cè)過電壓保護(hù)，前常采用的保護(hù)措施有阻容吸收裝置、硒堆吸收裝置、金屬氧化物壓敏電阻。這里采用金屬氧化物壓敏電阻的過電壓保護(hù)。1 交流側(cè)過電壓保護(hù)阻容吸收裝置接在變壓器二次側(cè)（1） 單相電路電阻電容串聯(lián)后并聯(lián)在繞組兩端，其參數(shù)估算可以用下列公式電阻R的額定功率應(yīng)選擇計算值的2倍。式中，為系數(shù)，單相200VA以下的電路取700，單相200VA以下的電路取400；為整流變壓器容量；為晶閘管的額定電壓；為等效負(fù)載電阻；為; 為電源頻率；為變壓器二次側(cè)電壓；為容抗， 電容器應(yīng)采用紙質(zhì)金屬膜電容器。（2） 單相電路常見的阻容吸收裝置有；兩種接法，即三角形和星形聯(lián)接，其參數(shù) 為系數(shù),見下表；電容器采用應(yīng)采用紙質(zhì)金屬膜電容器，電阻值計算同單相。不同聯(lián)接時的值變壓器的聯(lián)接型式電容器三角形聯(lián)接值電容器星形聯(lián)接值Y/Y，初級中點(diǎn)不接地150450Y/，初級中點(diǎn)不接地300900所有其他接法9002700二次側(cè)過電壓保護(hù)：=2700電容取，電阻取/。晶閘管電壓保護(hù)：為晶閘管的額定電壓為變壓器的漏抗電容取，電阻取/。（二）過電流保護(hù)設(shè)計過電流保護(hù)措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。（1）在交流進(jìn)線中串接電抗器或采用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。（2）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進(jìn)行封鎖。（3）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進(jìn)行過載或短路保護(hù)。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇： 快速開關(guān)的額定電流額定整流電流。 快速開關(guān)的額定電壓額定整流電壓。 快速開關(guān)的分?jǐn)嗄芰χ绷鱾?cè)外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值。快速開關(guān)的動作電流按電動機(jī)最大過載電流整定 式中，K為電動機(jī)最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；為直流電動機(jī)的額定電流。（5） 快速熔斷器它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。在選擇時應(yīng)注意以下問題： 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計算 1、一次側(cè)過電流保護(hù)設(shè)計取熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選220A2、晶閘管過電流保護(hù)設(shè)計?。ㄈ好綦娮璧脑O(shè)計因此，壓敏電阻額定電壓取550V型壓敏電阻。五、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計本章主要設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇和參數(shù)設(shè)計。通過軟件來實(shí)現(xiàn)模擬電路的功能。先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設(shè)計過程的時候要注意設(shè)計完要校驗(yàn)。在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時候，校核轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，如果不滿足設(shè)計要求時候，重新按照ASR退飽和的情況設(shè)計超調(diào)量。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時間常數(shù)的確定。由前述已求出電樞回路總電感。 則電磁時間常數(shù) 2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：,參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。3. 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流開環(huán)增益：要求時，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為式中 電流反饋系數(shù)；晶閘管專制放大系數(shù)。4. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：（1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。（2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。（3） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖6.1，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為, 取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計要求。含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，則（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K可得ASR的比例系數(shù)為式中 電動勢常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿足近似條件。5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖6.2 所示，取，則，取,取，取 圖5.2 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，不能滿足設(shè)計要求。實(shí)際上，由于附表6.3是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。計算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)，已知，。當(dāng)時，由查得，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 式中 電機(jī)中總電阻；調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 ；為基準(zhǔn)值，對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（6-24）計算得滿足設(shè)計要求。六、驅(qū)動電路的設(shè)計晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進(jìn)行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60或采用相隔60的雙窄脈沖。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12Aus。（3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。（4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。在本設(shè)計中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖5.1。圖5.1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強(qiáng)脈沖寬度 -強(qiáng)脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖5.2。它由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出出發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)橹苯貢r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它的電路環(huán)節(jié)。圖5.2 觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對來說電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機(jī)上來實(shí)現(xiàn)，需要通過編程來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計不采用。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60。本設(shè)計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個相位互差180的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配單元形成補(bǔ)脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖5.3。圖5.3 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路脈沖變壓器的設(shè)計本方案的雙脈沖電路是采用性能價格比優(yōu)越的、每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個相隔60的脈沖的電路。如圖5.4中兩個晶閘管構(gòu)成一個“或”門。當(dāng)V5 、V6都導(dǎo)通時，uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個截止就使得變?yōu)檎妷?，使得V7 、V8導(dǎo)通就有脈沖輸出。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂频腣5或V6截止（前后間隔60），就可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖了。其中VD4和R17的作用，主要是防止雙窄脈沖信號相互干擾。此觸發(fā)脈沖環(huán)節(jié)的接線方式為：以VT1器件的觸發(fā)單元而言，圖5.4電路中的Y端應(yīng)該接VT2器件觸發(fā)單元的X端，因?yàn)閂T2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60。所以當(dāng)VT2觸發(fā)單元的V4由截止變導(dǎo)通時，本身輸出一個脈沖，同時使VT1器件觸發(fā)單元V6的管截止，給VT1器件補(bǔ)送一個脈沖。同理，VT1器件觸發(fā)單元的X端應(yīng)接VT6器件觸發(fā)單元的Y端。依次類推，可以確定六個器件相應(yīng)觸發(fā)單元電路的雙脈沖環(huán)節(jié)間的相互接線。圖5.4 同步型號為鋸齒波的觸發(fā)電路圖5.4中脈沖變壓器TP主要用于完成觸發(fā)脈沖信號的電流放大，解決觸發(fā)電路與晶閘管控制極電路之間的阻抗匹配，并實(shí)現(xiàn)弱電回路（觸發(fā)回路）和強(qiáng)電回路（晶閘管主電路）之間的電隔離。如圖可以得出TP脈沖變壓器的一次側(cè)電壓U1 強(qiáng)觸發(fā)電壓50V弱觸發(fā)電壓15V。取變壓器的變比K=5，脈沖寬度，脈沖變壓器的磁鐵材料選擇DR320。查閱資料可得鐵心材料的飽和磁密， 飽和磁場強(qiáng)度 ，剩磁磁密 設(shè)計計算步驟為：（1）確定變壓器的二次側(cè)的強(qiáng)電壓 確定變壓器的二次側(cè)的強(qiáng)電壓 （2）確定空載勵磁電流 式中，為一般取晶閘管最大觸發(fā)電流的兩倍。（3）計算脈沖磁導(dǎo)率，選定鐵心材料。無偏移繞組時 式中，B的單位為T，,H的單位，由此得出的單位為。4）確定鐵心體積V無偏移繞組時 式中，為脈沖電壓寬度，與電角度間的換算關(guān)系為 器件要求變壓器SCB10140KVA380V360V晶閘管KP100A/2000V電抗器70mH一次側(cè)電流保護(hù)（熔斷器）額定電壓400V，額定電流220A二次側(cè)電壓保護(hù)（阻容）電容取，電阻取/晶閘管電壓保護(hù)（阻容）電容取，電阻取/晶閘管過電流（熔斷器）壓敏電阻額定電壓 550V電流調(diào)節(jié)器ACR比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參考文獻(xiàn)1 朱仁初，萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計手冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.2 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.3 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)M,第三版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007年6月4 孔凡才晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)M北京:北京科技出版社，19855 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設(shè)計M.四川：重慶大學(xué)出版社,1989.10.6 天津電氣傳動設(shè)計研究