1、武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書目錄摘要 .21 理論設(shè)計(jì) .32 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .33 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) .53.1變壓器參數(shù)計(jì)算 .83.2電流連續(xù)的臨界電感量 L1 的計(jì)算 .93.3輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量L 的計(jì)算 .923.4電動(dòng)機(jī)電感量 LD的計(jì)算 .103.5實(shí)際串入平波電抗器的電感量 L 的計(jì)算 .103.6可控晶閘管參數(shù)計(jì)算 .103.6.1晶閘管的額定電壓計(jì)算.103.6.2晶閘管的額定電流計(jì)算.113.7整流電路及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì) .113.7.1過電壓保護(hù)和 du/dt限制 .123.7.2過電流保護(hù)和 di/dt限制 .123.8電流調(diào)節(jié)

2、器的設(shè)計(jì) .133.8.1確定時(shí)間常數(shù) .143.8.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu).153.8.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù).153.8.4校驗(yàn)近似條件 .163.8.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 .163.9轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) .173.9.1確定時(shí)間常數(shù) .173.9.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu).183.9.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù).183.9.4校驗(yàn)近似條件 .183.9.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 .193.9.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 .193.10 觸發(fā)電路的選擇與原理圖 .204 總結(jié)與體會(huì) .23參考文獻(xiàn) .241武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書摘要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)

3、，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、 直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手， 建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 然后按照自動(dòng)控制原理， 對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算， 在理論分析的基礎(chǔ)上， 本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)

4、測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞直流電機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)系統(tǒng)2武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書理論設(shè)計(jì)用工程設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、 電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。步驟是：先從電流環(huán)開始，對(duì)其進(jìn)行不要的變換個(gè)近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成典型系統(tǒng)，在按照控制對(duì)象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，最后按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后， 把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的辦法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)中包含有濾波環(huán)節(jié)， 包括電流濾波、 轉(zhuǎn)

5、速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。 設(shè)置濾波環(huán)節(jié)的必要性是由于反饋信號(hào)檢測(cè)中常含有諧波和其他擾動(dòng)量， 為了抑制各種擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響， 需要增加低通濾波，這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一階慣性環(huán)節(jié)來表示， 其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定。然而，在抑制擾動(dòng)量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用， 在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)， 稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過相同的延滯， 使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法， 調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組， 靜止

6、可控整流器， 直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱 G-M 系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT 的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速， 且控制作用快速性能好， 提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM 受器件限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M 系統(tǒng)。在 V-M 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT 輸出脈沖的相位，3武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書從而方便的改變整流器的輸出瞬時(shí)電壓Ud。由

7、于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相全控橋式整流電路。 考慮使電路簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求， 選擇晶閘管三相全控橋整流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上所述，選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。三相橋式全控整流電路的原理如圖2-1 所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起到3 個(gè)晶閘管（VT1 、VT3 、VT5 ）稱為共陰極；陽極連接在一起的3 個(gè)晶閘管（

8、VT4 、VT6 、VT2 ）稱為共陽極，另外通常習(xí)慣晶閘管從 1 至 6 的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與 a，b，c 三相電源相接的 3 個(gè)晶體管分別是 VT1 、VT3 、VT5, 共陽極組中與 a，b，c 三相電源相接的 3 個(gè)晶閘管分別是VT4 、VT6 、 VT2 。其工作特點(diǎn)如下：1）每個(gè)時(shí)刻均需兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，一個(gè)是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求： 六個(gè)晶閘管的脈沖按VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 的順序相為，相位依次相差 60 ；共陰極組 VT1 、VT3

9、、VT5 的脈沖依次差 120 ，共陽極組 VT4 、VT6 、VT2 也依次差 120 ;同一相的上下兩個(gè)橋臂即 VT1與 VT4 ， VT3 與 VT6 ， VT5 與 VT2 脈沖相差 180 。VT1VT3VT5AaBb負(fù)載CcVT4VT6VT2圖 2-1三相橋式全控整流電路原理圖4武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書3）整流輸出電壓 ud 一周期脈動(dòng) 6 次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為六脈波整流電路。4）在整流電路合閘啟動(dòng)過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法： 一種是使脈沖寬度大于 60 （一般取 80

10、o 100o ），稱為寬脈沖觸發(fā)；另一種方法是，在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)， 給前一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖， 即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60 ，脈寬一般為 20 o 30 o ，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵芯體積做得較大， 繞組匝數(shù)較多， 導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡， 對(duì)于晶閘管串聯(lián)使用不利。雖可用去磁繞組改善這種情況，但又觸發(fā)電路復(fù)雜化。因此，常用的是雙脈沖觸發(fā)。雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 即分

11、別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖5-1 所示，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ ASR）的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器（ ACR ）的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速換在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖 3-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖5武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1 所示，速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定電壓 U n 和速度反饋電壓 U n 的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流的給定電壓U i （對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)

12、速）。電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電流給定電壓U i 和電流反饋電壓 U i 的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)， 其輸出是功率變換器件（三相整流裝置）的控制信號(hào)U c 。通過 U c 電壓進(jìn)而調(diào)節(jié)整流裝置的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由 Te TL Jdn / d t 可知，只要 Te 與 TL 不相等那么轉(zhuǎn)速 n 會(huì)相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡后，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中， 當(dāng)轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系：U n * U nnn0（2-1）U i*U iI dI d l（2-

13、2）Ud0C nIRCU*/IRUcede ndL（2-3）KsKsKs在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 Un* 決定的， ASR 的輸出量 Ui * 是有負(fù)載電流 IdL 決定的，而控制電壓 Uc 的大小則同時(shí)取決于 n 和 Id 。這些關(guān)系反映了 PI 調(diào)節(jié)器不同于 P 調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。 P 調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI 調(diào)節(jié)器則不然， 其輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分， 達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)， 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)

14、態(tài)計(jì)算相似， 根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)U n* max（2-4）n max電流反饋系數(shù)6武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書U im*（2-5）I dm本設(shè)計(jì)中電流調(diào)節(jié)器輸出正限幅值為8V ，負(fù)限幅值為 0V；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出正限幅值為 8V ，負(fù)限幅值為 0V。根據(jù)已知參數(shù)可求得轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為：U nm*8nN0.00531500電流反饋系數(shù)為：U im*81.5I N0.01861.5 287另外由U NI N Ra（2-6）CenN根據(jù)電機(jī)參數(shù)得U d RaId2200. 1287Cen15000.128Vmin/r在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

15、器和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)須從動(dòng)態(tài)校正的需要來解決。本設(shè)計(jì)采用工程設(shè)計(jì)方法：先確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定， 同時(shí)滿足所需的穩(wěn)定精度。 再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)， 以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器， 然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)器的作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差， 系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差， 比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例 ,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)器的作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高

16、無差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)7武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書節(jié)就進(jìn)行 ,直至無差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。 積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)i， i 越小 ,積分作用就越強(qiáng)。反之i 大則積分作用弱 ,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。PI 調(diào)節(jié)器綜合了比例控制器和積分控制器兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無靜差， 滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都要采用PI 調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理如圖3-2 所示：圖 3-2 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖3

17、.1 變壓器參數(shù)計(jì)算變壓器副邊電壓采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：UUd maxnU TIAcosminCU shI 2 N已知 U d max220V ,取U T1Vn2A2.340.9min10U sh 0.05I 21C0.5則U 22202 1110VI 2 N2.340.9(0.9848 0.5 0.05 1)因此變壓器的變比近似為：U 1380K3.45U 2110一次側(cè)和二次側(cè)電流I 1 和 I 2 的計(jì)算I 1=1.05 287 0.861/3.45=75A8武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書I 2=0.861 287=247A變壓器容量的計(jì)算S1=m1U1I 1 =33807

18、5=85.5kVAS2=m2U2I 2 =3110247=81.5kVAS=0.5 (S1+S2 )=0.5 (85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量 S=83.5kVA3.2 電流連續(xù)的臨界電感量L1 的計(jì)算平波電抗器的臨界電感量L1（單位 mH ）可由下式計(jì)算K1U2（3-5）L1I dmin式中 K 1 為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得K 1=0.693，由技術(shù)要求知Idmin=10%Id，所以Ud=2.34U2cosUd=UN=220V, 取=0U d220U294.0171V2.34cos02.34LU 20.69394.01712.

19、27mH0.6930.1287I d min3.3 輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量L2 的計(jì)算由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常伏在需要的只是直流分量，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說， 過大的交流分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)傳入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量L 2（單位 mH）可由下式計(jì)算9武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書K2U2L2（3-6）Si Id式中 K 2 為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，Si 為電流最大允許脈動(dòng)系數(shù)，通常三相電路 Si510 %

20、 。根據(jù)本電路形式查表可得K 2=1.045，所以L2K2U 2 =3.42mHSi Id3.4 電動(dòng)機(jī)電感量LD 的計(jì)算電動(dòng)機(jī)電感量 L D （單位 mH）可按下式計(jì)算LDK DU d 103（3-7）2 pnI d式中 Ud 、L d、 n直流電動(dòng)機(jī)額定電壓、額定電流和額定轉(zhuǎn)速；P 電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)； K D 計(jì)算系數(shù)，對(duì)一般無補(bǔ)償電機(jī)取 K D =812。所以LDK DU d103=1.28mH（取 P=2, K D =10）2 pnI d3.5 實(shí)際串入平波電抗器的電感量L 的計(jì)算由于變壓器的漏電感很小，可以忽略不計(jì)，那么串入平波電抗器的電感量L=max(L1,L2)-LD= 2.14m

21、H取其電感值為 2mH根據(jù)電感量大小取其電阻為0.23.6 可控晶閘管參數(shù)計(jì)算3.6.1 晶閘管的額定電壓計(jì)算通常取晶閘管的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U DRM 和反向重復(fù)峰值電壓U RRM 中較小10武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量， 一般取額定電壓為正常工作電壓時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的2-3倍。本設(shè)計(jì)中峰值電壓U TM6U 2 538.9V故晶閘管電壓定額 UTN 2 3 UTM 2 3538.91077.81616.7 V取其電壓定額 U TN =1500V。3.6.2 晶閘管的額定電流計(jì)算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電

22、壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的 1.5-2 倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為2U2 ，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3 倍。帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值I 2 是其輸出直流電流有效值I的一半，而對(duì)于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流I =22 I ，則在本設(shè)dVT計(jì)中晶閘管的額定電流I VT(AV)=523-698A本設(shè)計(jì)中晶閘管的額定電壓UN=311-466V3.7 整流電路及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)晶閘管具有許多優(yōu)點(diǎn)， 但它屬于半導(dǎo)體器件， 因此具有半導(dǎo)體器件共有的弱

23、點(diǎn)，承受過電壓和過電流的能力差，很短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，除了合理選擇元件外， 還須針對(duì)元件工作的條件設(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。 晶閘管主要需要四種保護(hù)： 過電壓保護(hù)和 du/dt限制，過電流保護(hù)和di/dt 限制。11武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書C1VT1C3VT3C5VT5R1R3R5+F1aAF2bUdBF3cC-C4VT4C6VT6C2VT2R4R6R2圖 3-3 整流電路及晶閘管保護(hù)電路3.7.1 過電壓保護(hù)和 du/dt 限制凡是超過晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過電壓。 產(chǎn)生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量

24、驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過壓保護(hù)的部位來分， 有交流側(cè)保護(hù)， 直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。 元件保護(hù)主要是通過阻容吸收電路。 阻容吸收電路的參數(shù)計(jì)算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場(chǎng)釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量存儲(chǔ)起來為依據(jù)的。 由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰過電壓。 串阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)化過程中能消耗一部分能量，并且抑制 LC 回路的振蕩。3.7.2 過電流保護(hù)和 di/dt 限制由于晶閘管的熱容量很小， 一旦發(fā)生過電流時(shí)， 溫度就會(huì)急劇上升可能燒壞PN 結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負(fù)載端過載或短路；某個(gè)晶閘管被擊穿短路， 造成其他

25、元件的過電流； 觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_， 使晶閘管誤觸發(fā)， 引起過電流。 晶閘管允許在短時(shí)間內(nèi)承受一定的過電流，所以過電流保護(hù)作用就在于當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，在允許的時(shí)間內(nèi)將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流的保護(hù)措施有下列幾種：12武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書1）快速熔斷器 普通熔斷絲由于熔斷時(shí)間長(zhǎng)， 用來保護(hù)晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷， 這樣就起不了保護(hù)作用。 因此必須采用專用于保護(hù)晶閘管的快速熔斷器。 快速熔斷器用的是銀質(zhì)熔絲， 在同樣的過電流倍數(shù)下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護(hù)的主要措施。2）硒堆保護(hù) 硒堆是一種非線性電阻元件，

26、 具有較陡的反向特性。 當(dāng)硒堆上電壓超過某一數(shù)值后， 它的電阻迅速減小， 而且可以通過較大的電流， 把過電壓的能量消耗在非線性電阻上， 而硒堆并不損壞。 硒堆可以單獨(dú)使用， 也可以和阻容元件并聯(lián)使用。本系統(tǒng)采用快速熔斷器對(duì)可控硅進(jìn)行過流保護(hù)， 整流電路及晶閘管保護(hù)電路如圖 3-3 所示。3.8 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化分為忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響、等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。對(duì)電流環(huán)來說， 反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流瞬變的過程中， 可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E0。在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說可以暫時(shí)把反電動(dòng)勢(shì)去

27、掉。這時(shí)，電流環(huán)如圖 5-4 所示。U* i (s) 1+Uc (s)KsUd0(s) 1/RId (s)T0is+1ACRTss+1Tl s+1-Ui (s)T0i s+1圖 3.4忽略反電動(dòng)勢(shì)動(dòng)態(tài)影響的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖13武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 U* i(s) /，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖3.5.1.1-2 所示。U* i(s)+U c (s)Ks/RI d (s)ACRslT s+10i(T s+1)(T-圖 3.5 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后，由于 Ts 和 T0i

28、一般都比 Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為Ti = Ts + Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖5.6U* i(s)Uc (s)Ks /RI d (s)+ACR-圖 3.6電流環(huán)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖3.8.1確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) T s。按表 3.8-1 ，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s 。電流濾波時(shí)間常數(shù)已經(jīng)在初始條件中給出，即 Toi =0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 T=Ts+Toi =0.0037s14武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書表 3.8-1各種整流裝置的失控時(shí)間整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax（ ms）平均

29、失控時(shí)間Ts（ ms）單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.673.8.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求 i 5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差， 可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，可用 PI 型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可寫成：Ki (i s 1)WACR (s)i s式中Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。Tl0.0123.2432 ，參照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：0.0037T i擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.8.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常

30、數(shù)：i=T=0.012s 。l電流環(huán)開環(huán)增益：要求 i 5%時(shí)，應(yīng)取 KI T i =0.5 ，因此K I0.50.5135.1s 1T i0.0037于是， ACR的比例系數(shù)為：KiK I i R135.10.012 0.15K s300.43620.018615武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書3.8.4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci =KI =135.1s -1 。（1）校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：11196.1 s -1 ci 滿足近似條件3Ts3 0.0017（2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件311s-1ci0.0023.8.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容

31、由圖 5-7 ，按所用運(yùn)算放大器取R=40k ，各電阻和電容值為0RiK i R00.436240k17.45k取18kCii0.0123 F0.6667F取 0.70FRi1810Coi4Toi40.002 F0.2F取 0.2FR040 10316武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書圖 3-7含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i =4.3%cn3T i363.7s0.0037滿足近似條件2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為1K I1135.135.4s1cn3Ton30.012滿足近似條件18武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說

32、明書3.9.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖 3-1 ，取 R0=40k，則RnK n R012.32 40k492.8k取 495k；Cnn0.087F0.1757 F取0.2F；Rn495 103Con4Ton40.012F1.2 F取1.5 FR401030圖 3-8含給定濾波與反饋濾波的PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.9.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=5 時(shí)，查詢典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的表格可以看出37.6% ，不能滿足設(shè)計(jì)要求。 實(shí)際上，上述表格是按照線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)， 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(jì)算超調(diào)量。此時(shí)超調(diào)量為：CmaxnNT n2

33、850.150.0174n 2()(z)2 0.812 1.50.128Cbn*Tm15007.9%0.12滿足設(shè)計(jì)要求。19武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書U * n- IdLn1+1+Ks-IdR1ASRACR1/RT0ns+10iTl s+1 +Tms-T s+1-UcTss+1Ud0TlCe*UnU iUiT0is+1T0ns+1圖 3-9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.10 觸發(fā)電路的選擇與原理圖三相整流電路中必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖為此可以采用兩種辦法：一種是使每個(gè)觸發(fā)脈沖寬度大于60 ，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)某一號(hào)晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)

34、發(fā)一個(gè)脈沖， 相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效代替一個(gè)寬脈沖，稱為雙脈沖觸發(fā)。圖 4-1 為 KJ004 電路原理圖，從圖中可以看出，它與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似。可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。圖 3-10 KJ004 電路原理圖隨著工業(yè)自動(dòng)化， 集成化的不斷把發(fā)展； 現(xiàn)在市場(chǎng)中已有多種型號(hào)的六脈沖20武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書觸發(fā)集成電路廣泛應(yīng)用于各種控制中，從本設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性出發(fā)，本設(shè)計(jì)直接采用 KJ 系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器KJ041 作為三相整流電路的觸發(fā)電路。只需用三個(gè)KJ004 集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由留個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路。KJ041 的內(nèi)部是由 12 個(gè)二極管構(gòu)成的6 個(gè)或門，其作用是將6 路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為 6 路雙脈沖輸出。以上觸發(fā)電路均為模擬量，這樣使集成片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、可靠，但是卻是其容易受電網(wǎng)電壓影響，導(dǎo)致觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱度較高，可達(dá)30 40 。在對(duì)精度要求高的大容量變流裝置中，采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好觸發(fā)脈沖對(duì)稱度。KJ041 的主要參數(shù)和限制：1）工作電源電壓： 15 V2）同步輸入允許最大電流值： 6mA3）輸出脈寬： 400us2ms4）