1、唐山学院毕业设计 1 第 1 章 引 言 1 1 直流调速系统的概述 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速 ,以满足 工作机械的要求。从机械特性上看 ,就是通过改变电动机的参数或外加
2、工电压等方法来改变电动机的机械特性 ,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点 ,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统 在生产生活中有着举足轻重的作用。 1 2 研究课题的目的和意义 直流电动机因具有良好的起、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
3、正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。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）。采用速度、电流双闭环直流调速系统 ,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，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，动态和静态性能 均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。 尽当今功
4、率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中 V-M 系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。 唐山学院毕业设计 2 1.3 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的发展趋势 双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数 字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。 目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完
5、全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。 而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几 十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。 1 4 本设计的基本要求： 1.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（ D 10），系统在工作范围内能稳定工作 2.系统静特性良好，无静差（静差率 s 2） 3.动态性能指标：转速超调量 n 8%，电流超调量 i 5%，动态速降 n8-1
6、0%， 4.调速系统的过渡过程时间（调节时间） ts 1s 5.系 统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施 第 2 章 主电路选型和闭环系统的组成 2 1 晶闸管结构型式的确定 2.1.1 设计思路 本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，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。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式 唐山学院毕业设计 3 n=( Ud/Ce )-(RO+Ra)T/ CeCT 2 Ud 整流电 压 RO 整流装置内阻 可知，
7、改变 Ud，即可改变转速 n。 2.1.2 主电路的确定 虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近 50）。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。 三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图 2 1 所示 。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是 。在一个周期内 6 个晶闸管都要被触发一
8、次，触发顺序依次为： 654321 VTVTVTVTVTVT ， 6 个触发脉冲相位依次相差 o60 。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管1VT 与 4VT 按 A 相，晶闸管 3VT 与 6VT 按 B 相，晶闸管 5VT 与 2VT 按 C 相，晶闸管531 VTVTVT 、 接成共阳极组，晶闸管 264 VTVTVT 、 接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触 发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完
9、整的整流电路。 由于电网电压与工作电压（ U2）常常不一致，故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。 考虑到控制角增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。 为了使元件免 受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了晶闸管保护装置。晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当
10、的地方安装保护器件，例如， 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。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 唐山学院毕业设计 4 （ 1）晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类 :一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电 路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，
11、可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。 2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 （ 2）晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压 保护的第一种方法是并接 R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。 2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。 V T 5V T 3V T 1V T 4 V T 6 V T 2ABCab 负载c图 2 1 三相全控桥整流电路 2 2 闭环调速系统的
12、组成 开环直流调速系统调节控制电压 Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都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保证系统稳定的前提下实现转唐山学院毕业设计 5 速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单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。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
13、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。 系统组成的系统原理框图如下： 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， U
14、n 转速反馈电压， Ui* 电流给定电压， Ui 电流反馈电压 图 2 2 双闭环调速系统的动态结构框图 图 2 3 双闭环调速系统的原理框 图 唐山学院毕业设计 6 第 3 章 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 3.1 变压器参数计算 3.1.1 变压器二次侧电压 U2 的计算 由于整流输出电压 du 的波形在一周期内脉动 6 次的波形相同，因此在 计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压 c o s34.2 2UU d （ 60 ） （ 3-1） 显然 dd uU =440V，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压 2/334.2 4402 U=217
15、.1V (通常取导通角 为 30 ) 取 2U =220V 变压比 12U 38 0K 1.73U 220 3.1.2 一次、二次侧相电流 I1、 I2 的计算 由表查得 KI1=0.816， KI2=0.816 原边输出有效电流 11 1 . 0 5 1 . 0 5 0 . 8 1 6 2 2 0 1 0 8 . 9 61 . 7 3IdKIIAK 副边输出有效电流 22 0 . 8 1 6 2 2 0 1 7 9 . 5 2IdI K I A 3.1.3 变压器容量 S 的计算 1 1 1 1S mUI （ 3-2） 1 1 1 1S mUI （ 3-3） 1212S S S（ 3-4）
16、式中 m1、 m2 一次、二次侧绕组的相数；所以 1 1 13 3 3 8 0 1 0 8 . 9 6 1 2 4 . 2 1S U I K V A 唐山学院毕业设计 7 2 2 23 3 2 2 0 1 7 5 . 9 2 1 1 6 . 1 1S U I K V A 121 1 / 2 1 2 4 . 2 1 1 1 6 . 1 1 1 2 0 . 1 62S S S K V A 考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为 150KVA。 3.2 平波电抗器参数计算 在 V-M 系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，
17、对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流inmI (以 A为单位通常取电动机额定电流的 5%-10%)，再利用它计算所需的总电感量（以 mH 为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。 3.2.1电流连续的临界电感量 L1 的计算 平波电抗器的临界电感量 L1（单位 mH）可由下式计算 121dminKUL I （ 3-5） 式中 K1 为与整流 电路形式有关的系数，可由表查得 K1=0.693，由技术要求知Idmin=5%Id，所以 1 0 . 6 9 3 2 2 01 3 . 8 6
18、m5 % 2 2 0LH3.2.2限制输出电流脉动的临界电感量 L2的计算 由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常伏在需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧传入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量 L2（单位 mH）可由下式计算 222 idKUL SI（ 3-6） 式中 K2 为与整流电路形式有关的系数， Si 为电流最大允许脉动系数，通常三相电路 i 510 %S 。 唐山学院毕业设计 8 根据本电路形式查表可得
19、 K2=1.045，所以 2 1 .0 4 5 2 2 0 1 0 .4 5 m H1 0 % 2 2 0L 3.2.3电动机电感量 LD 的计算 电 动机电感量 LD（单位 mH） 可按下式计算 3102DdD dKUL pnI（ 3-7） 式中 Ud 、 Ld、 n 直流电动机额定电压、额定电流和额定转速； P 电动机磁极对数 ； DK 计算系数，对一般无补偿电机 取 DK =812。所以 31 0 4 4 0 1 0 2 . 7 82 2 1 8 0 0 2 2 0DL m H （取 P=2, DK =10） 3.2.4实际串入平波电抗器的电感量 L 的计算 由于变压器的漏电感很小，可以
20、忽略不计，那么串入平波电抗器的电感量 12m a x , 1 3 . 8 6 2 . 7 8 1 1 . 0 8DL L L L m H 取其电感值为 12mH 根据电感量大小取其电阻为 0.2 3.3 可控晶闸管参数计算 3.3.1晶闸管的额定电压计算 通常取晶闸管的断态重复峰值电压 DRMU 和反向重复峰值电压 RRMU 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的 2-3 倍。本设计中峰值电压 26UUTM 538.9V 故晶闸管电压定额 2 3 2 3 5 3 8 . 9 1 0 7 7 . 8 1 6 1 6
21、. 7T N T MU U V 取其电压定额 TNU =1500V。 3.3.2晶闸管的额定电流计算 晶闸管的电流定额主要由其通态 平均电流 TI 来标称，规定为晶闸管在环境为C40 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所唐山学院毕业设计 9 造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的 1.5-2 倍。可按下式计算： ( ) f b dm= 1. 5 2 K IT A VI （ 3-8） 式中计算系数 fbK = fK
22、/1.57 bK 由整流电路型式而定， fK 为波形系数， bK 为共阴极或共阳极电路的支路数。当 0 时，三相全控桥电路 fbK =0.368 故晶闸管额定电流 取 其电 流定额为 200A。 3.4 整流电路及晶闸管保护电路设计 晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和 du/dt限制，过电流保护和 di/dt 限制。 图 3-1 整流电路及晶闸管保护电路 (
23、) d m( 1 . 5 2 ) 1 . 5 2 0 . 3 6 8 2 2 0 1 . 5 1 8 2 . 1 6 2 4 2 . 8 8 AT A V fbI K I V T 5V T 3V T 1V T 4 V T 6 V T 2ABCabcF1F2F3C1C2C3C4C5C6R1R2R3R4R5R6+-Ud唐山学院毕业设计 10 3.4.1 过电压保护和 du/dt 限制 凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容
24、吸收电路。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量 ，并且抑制 LC回路的振荡。 3.4.2 过电流保护和 di/dt 限制 由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN 结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当
25、过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种： （ 1）快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时 间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。 （ 2）硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。 本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护，整流电 路及晶闸管保护电路如图 3-1所示。 3.5 电流调节器的设计 在图 3-2画线结构框图中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即
