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=3KW，UN=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ML的计算，整流变压器漏电感BL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—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第一章晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述...........1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.................................22-1-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的输出限幅电压Uim＊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Udm。转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图如图2.1所示：-2-图2.1转速、电流双闭环直流调速系统原理框图ASR—转速调节器，ACR—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，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。-3-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-4-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-5-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-6-三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。-7-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。-8-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：3U2=（0.95~1.0）UN-9-可逆系统：3U2=（1.05~1.1）UN3U2=（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=14.28AS=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=6U2，所以晶闸管的额定电压为：UTN=（2~3）6U2=（2~3）×6×125=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)maxfbKI，-10-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)maxfbKI=(1.5~2)×0.367×(17.5×1.2)=11.56～15.41A，取ITN=15A。可选晶闸管型号：KP