双闭环直流调速系统课程设计

1、变流变压器容量的计算和选择在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致； 此外，为了 尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰， 要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这 里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用 Y联接。S为整流变压器的总容量， S为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压，11为一次侧电流S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，丨2为二次侧的电流， m1、m2为相数，以下就是各量的推导和计算过程。为了保证负载能正常工作， 当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压u2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器

2、次级电压U2c影响U2值的因素有：(1) U 2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的I d max 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VT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。电枢电阻的压降。综合以上因素得到的U 2精确表达式为:1 d maxUn 1 （drp）U2ILId100 IddmaxI dN二 0.06759nUT=355.76VUx , /. 1 d maxN .卩 *(rD +P):- rDU2-1 d_Ade巴mai100 IdIdI2 = KI2ld = 1；

3、KI2I n -123 .3792 A1 1S(S1 S2)(m1u111m2u212m2u212 = 133.25 KVA变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形A=Ud/U20.90.90.91.172.342.341.17B=Uda/Ud。cos a1 +coscosacosa1 + COSGcosacosa22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5K| 2 = 12 / d0.707110.5780.8160.8160.289综上：选择变压器二次侧输出电压为：360VSCB10- 140KVAZ

4、380V/ 360VS的意思表示此变压器为三相变压器，如果S换成D则表示此变压器为单相。C的意思表示此变压器的绕组为树脂浇注成形固体。B的意思是箔式绕组，如果是R则表示为缠绕式绕组，如果是L则表示为铝 绕组，如果是Z则表示为有载调压（铜不标）。10的意示是设计序号，也叫技术序号。140KVA则表示此台变压器的额定容量（140千伏安）。380V的意思是一次额定电压，360V意思是二次额定电压。二、整流元件晶闸管的选型正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 Utm和额定电流It（av）首先确定晶闸管额定电压 Utm，晶闸管额定电压必须大于

5、元件在电路中实际承受的最大电压Urm，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则计算公式：U TM - （2 3）U RM对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压：Urm =.6U2 =245U2故计算的晶闸管额定电压为s门 J .1764 V 2646 V取 2000V。再确定晶闸管额定电流It（av），额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。 一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。1 d max = 1 N = 2-17 = 151 -2AIvt 1/3ldmax - 87.295A由此可求出晶闸管的

6、额定电流，其公式为：It(av)= (1.5 2)H 83.40 111.20A1.57可以取额定电流为 100A。本设计选用晶闸管的型号为KP100A/2000V额定电压：VDRM2000V额定电流：IT(AV)100A门极触发电压：VGT3.5 V门极触发电流:IGT 300 mA三、直流侧电抗器设计直流侧电抗器的选择直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续； 在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。（一）限制输出电流脉动的电感量 Lm （单位为mHLmUdm/5103 U式中s -电流脉动系数，取10%2 二 fdSidfd-输出电流的基波频率，单

7、位为Hz，对于三相全控桥fd =300Hz 。Id f/Ka即 Lm=Udm/U2 103 U2 Am US =彳血口日 2fdSi Id2二fd SJ2（二）输出电流保持连续的临界电感量L （单位为mHSi I dM /IdLl = K lU 2 / I dmin式中，Idmin -为要求连续的最小负载电流平均值，单位为A，本设计中Idmin =5%InKl -为计算系数，三相全控桥Kl =0.693。即 Ll =KlU2/ Idmin =69.3mH取 70mH四、主电路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压

8、都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。 因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。(一) 过电压保护设计过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、 硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。1. 交流侧过电压保护阻容吸收装置接在变压器二次侧(1) 单相电路电阻电容串联后并联在绕组两端，其参数估算可以用下列公式UC =1.5U2PrrA)Xe电阻R的额定功率应选择计算值 P的2倍。式中,Ke为系数，单相200V - A以下的电路Ke取700,单相200V - A以下的电路 Ke取400;Sb为整流变压器容量；Un为晶闸

9、管的额定电压；Rf为等效负载电阻；Rf为额定整流电压Un 额定整流电流I Nf为电源频率；U 2为变压器二次侧电压;Xe为容抗，Xe2fC电容器应采用纸质金属膜电容器。(2) 单相电路常见的阻容吸收装置有；两种接法，即三角形和星形联接,其参数KeSbU 2nKe为系数，见下表；电容器采用应采用纸质金属膜电容器，电阻值计算同单相。不同联接时的Ke值变压器的联接型式电容器三角形联接Ke值电容器星形联接 Ke值Y/Y，初级中点不接地150450Y/ ，初级中点不接地300900所有其他接法9002700二次侧过电压保护:Ke=2700二 Ke-2- =94.5ufU 2nUn2Pr _ (3-4)l

10、c R =8.629-11.505W 电容取100uf，电阻取101 / 10W。晶闸管电压保护：C=(2.55) 10”乐Vc =(1.1 1.5)VtnR=(13).茫2_6Pr 二 fCV m 10Vtn为晶闸管的额定电压Lk为变压器的漏抗C =(2.5-5) 10*Itn =0.250.5ufVc =(1.1 -1.5)Vtn =2200 -3000VR =(1 -3)、Lk -62.45 -187.35门 C2_6Pr = fCV m 10=9.7W电容取0.3uf，电阻取1001 / 10W。(二) 过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。(1) 在

11、交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路 电流。(2) 在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或 对脉冲进行圭寸锁。(3) 交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生 过电流时动作，断开主电路。(4) 对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过 载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： 快速开关的额定电流Ii2d额定整流电流In。 快速开关的额定电压 UKld额定整流电压UN。 快速开关的分断能力| fd2d直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值ld20。快速开关的动作电流

12、l g 2d按电动机最大过载电流整定l g2d = KI n式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7 ； | N为直流电动机的额定电流。(5) 快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题： 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 溶体的额定电流I KN可按下式计算1.57 I Ta乞I KN乞I T1、一次侧过电流保护设计匸57 冷 - 1 KN - b.3U 线 I 线=140KVAl线二 212.7A取 Ikn =220A熔断器的额定电压可选 400V,额定电流选220A2、晶闸管过电流保护设计

13、匸57 *a - 1 KN - blT =100A取 Ikn =120A（三）压敏电阻的设计UimA 亠 1.1Un =1.1 490 = 539V因此，压敏电阻额定电压取550V型压敏电阻。五、双闭环调速系统调节器的动态设计本章主要设计转速调节器、电流调节器的结构选择和参数设计。通过软件来实现模拟电 路的功能。先设计电流调节器，然后设计转速调节器。在设计过程的时候要注意设计完要校验。在设计转速调节器的时候，校核转速调节量，如果不满足设计要求时候，重新按照ASR退饱和的情况设计超调量。电流调节器的设计1. 确定时间常数（1 ）整流装置滞后时间常数 Ts。三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00

14、17s 。（2） 电流滤波时间常数 Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取 Toi=2ms=0.002s。（3） 电流环小时间常数之和 T7。按小时间常数近似处理，取T7=Ts+Toi=0.0037s。（4）电磁时间常数 T的确定。由前述已求出电枢回路总电感。L| = K|U 2 /1 d min = 69.3mHI69 3x10-3则电磁时间常数LlL =69.3 10=0.066SR 邑1.052.选择电流调节器的结构根据设计要求 ci3Ts3 0.0017s满足近似条件。(2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件Tm

15、Ti =3 0.370.03s28.47s：匕满足近似条件。13TsToi(3) 电流环小时间常数近似处理条件3 ； 0.0017 0.002s ：188宀 ci满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容由图6.1，按所用运算放大器取R0 =40K，各电阻和电容值为Ci-1.151 40KQ -46.04K1 ,取 46K 1E0 03I3 =0.65 10F=0.65uF，取 0.65uFRi46 103求。Coi按照上述参数,二/巾17 10F.17uF，取 2uFR0电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3% : 5%，满足设计要转速调节器的设计1.确定时间常数(1)电流环等效时间常数1

16、/Ki。由前述已知,K,T.QQI JI-eno至VT6 至VT5至VT4 至VT3 至VT2 至VT1l-.y JJ.丽i i C（13脚为6路单脉冲输入）卜=QJ!廿 CCX|L |lb j EliIn U G卜Jsc匚mi16 J JI1 -13121 110 gf- ；R1 JI I图5.3 三相全控桥整流电路的集成触发电路脉冲变压器的设计本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越的、每个触发单元的一个周期内输出两个相隔60的脉冲的电路。如图5.4中两个晶闸管构成一个“或”门。当V、V6都导通时，uc5约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得

17、V7、V8导通就有脉冲输出。 所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60），就可以产生符合要求的双脉冲了。其中VD4和R17的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。此触发脉冲环节的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图5.4电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的 X端，因为VT2器件的第一个脉冲比 VT1器件的第一个 脉冲滞后60。所以当 VT2触发单元的 V4由截止变导通时，本身输出一个脉冲，同时使 VT1器件触发单元 V6的管截止，给 VT1器件补送一个脉冲。同理， VT1器件触发单元的 X 端应接VT6器件触发单元的 Y端。依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双

18、脉 冲环节间的相互接线。+15VRillvs7SR3Virp21cVDiiVD220V36V尺5C7 + C6VD7训R12啦Riovd2R4R8V4C2R5QV2R2T VDiR17ID:foV6UpRPiVDR18BVD15C5VD6 旳V73VDioZ 立VD5V8VD +15Vo ob a a%o-15VX Y - 15V接封锁信号图5.4 同步型号为锯齿波的触发电路图5.4中脉冲变压器TP主要用于完成触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路(触发回路)和强电回路(晶闸管主电路)之间的电隔离。如图可以得出TP脉冲变压器的一次侧电压 Ui强触发

19、电压50V弱触发电压15V。取变压器的变比K=5,脉冲宽度宁=60，脉冲变压器的磁铁材料选择DR320。查阅资料可得铁心材，剩磁磁密B0.02BT料的饱和磁密Bs =1.45B：T，饱和磁场强度Hs =1900 Am2U150U 20-10VK 5U15U201 1V20 K 5设计计算步骤为:(1)确定变压器的二次侧的强电压U20确定变压器的二次侧的强电压U 20(2)确定空载励磁电流1010 =(0.2 0.3)l2. K =(0.20.3)0.6. 5=0.024A 0.036A式中，12为一般取晶闸管最大触发电流的两倍I2=2Igt= 2 300 10=0.6A。(3) 计算脉冲磁导率

20、，选定铁心材料。无偏移绕组时，-(氏Br)；Hs =(1.45 0.02).1900 =7.5 10- H m式中，B的单位为T，it =1Wbm2 =1AH；m2 ,H的单位A m，由此得出的单位为H, m。无偏移绕组时4)确定铁心体积 V2 2(Bs - Br)(1.45-0.02)式中，.为脉冲电压宽度,.与电角度71间的换算关系为竺 6O0 二 0.00331800器件要求变压器SCB10- 140KVAZ 380V/ 360V晶闸管KP100A/2000V电抗器70mH一次侧电流保护（熔断器）额定电压400V,额定电流220A二次侧电压保护（阻容）电容取100uf，电阻取1g/10W

21、晶闸管电压保护（阻容）电容取0.3uf，电阻取10g/ 10W晶闸管过电流（熔断器）Ikn =120A压敏电阻额定电压550V电流调节器ACR比例系数心=1.151电流调节器 Rr =46.04KC电流调节器 GG =0.65uF电流调节器CoiCoi =0.17uF转速调节器ACR比例系数Kn =36.51转速调节器RnRn =1460.4K0转速调节器CnCn = 0.058uF转速调节器ConCon=1uF 参考文献 1 朱仁初，万伯任 . 电力拖动控制系统设计手册 M. 北京：机械工业出版社， 1994.2 王兆安，黄俊 . 电力电子技术 M. 北京：机械工业出版社， 2006.3 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 - 运动控制系统 M, 第三版 . 北京: 机械工业出版社 , 2007 年 6 月4 孔凡才.晶闸管直流调速系统M.北京：北京科技出版社，1985.5 段文泽，童明倜 . 电气传动控制系统及其工程设计 M. 四川：重庆大学出版社 ,1989.10. 天津电气传动设计研究所电气传动自动化技术手册