10kV直流调速系统设计定稿

1、. . . . 附件一 封面本科毕业论文(设计)题目：10kW直流电动机不可逆调速系统设计学院：班级：指导教师：职称：完成日期：年月日10kW直流电动机不可逆调速系统设计摘要：许多生产机械要求在一定的围进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速围广、静差率小、稳定性好以与具有良好的动态性能，在高性能的电力拖动控制技术领域中，今后相当长时期仍将采用直流电力拖动系统。本课题对在工业生产中使用较多的10kW直流电动机调速系统进行设计，主要容有：调速系统方案的选择与其工作原理；调速系统主电路（包括整流变压器、三相桥式整流电路与平波电抗器）工程设计；整流设备过电压、过电流保

2、护电路计算选择；触发电路的选择与校验；反馈电路参数的选择与计算；继电器-接触器控制电路设计；整体电路结构设计；并给出了10kW直流调速系统电气原理总图。本研究课题可广泛应用于各类电力拖动生产机械,满足电力拖动调速机械的生产工艺要求,对提高产品质量和生成率,电力拖动系统的调速性能具有重要意义。关键词：直流调速系统，主电路，保护电路，触发电路，控制电路，设计。目录1 绪论1.1 课题现状、目的和意义1.2 直流调速方法与发展历史1.2.1 直流电动机调速方法1.2.2 直流调速发展过程1.3 本设计涉与主要性能技术指标1.3.1 转速控制要求1.3.2 主要性能指标1.4 本次毕业设计的容与要求2

3、 调速系统方案的选择与其工作原理2.1 调速系统方案的确定2.2 调速系统的工作原理2.2.1 问题的提出2.2.2 解决方法2.2.3 带截流反馈的转速负反馈调速系统工作原理3 调速系统工程设计的基本容3.1 主电路计算3.1.1 整流变压器额定参数计算3.1.2 晶闸管的选择3.1.3 平波电抗器参数计算3.2 整流设备保护电路计算3.2.1 过电压保护3.2.1.1 过电压保护的设置3.2.1.2 阻容保护与参数计算3.2.1.3 换相过电压保护与参数计算3.2.1.4 非线性元件保护与参数计算3.2.2 过电流保护3.2.2.1 过电流保护装置3.2.2.2 快速熔断器的选择与参数计算

4、3.2.2.3 过电流继电器的选择3.3 励磁电路元件的选择4 触发电路的选择与校验5 反馈电路参数的选择与计算5.1 测速发电机的选择5.2 电流反馈环节的选择5.3 调速系统静态精度的计算5.4 给定环节的选择5.5 控制电路的直流电源6 继电器-接触器控制电路设计7 10kW直流调速系统电气原理总图8 结构设计9 调试、修改电路参数9.1 首先检查接线是否正确，布线是否合理9.2 相序检查 9.3 检查同步电压与主电路电压的相位关系9.4 放大器的检查9.5 触发电路的调整9.6 电阻性负载的调试9.7 电动机负载调试1 绪论1.1 课题现状、目的和意义在用电系统中，电动机作为主要的动力

5、设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技与社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的60%70%，成为用电量最多的电气设备。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。为了控制电动机的运行，就要为电动机配上控制装置。电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称为直流调速系统，以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称为交流调速系统。众所周知，直流电动机的转速

6、容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流不变，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来（20世纪80年代以前）在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，以与近年来随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流可调传动已逐步普与，其应用现在已经超过了直流调速传动。但采用直流可调传动系统，调速围广、静差率小、稳定性好以与其具有的良好动态性能；相比于交流调速系统调速技术原理成熟、控制电路结构

7、简单；对中、小容量调速系统特别是10kW与其以下可调传动系统，直流调速系统仍占有明显优点。有理由相信在未来高性能的拖动技术领域中，特别是在微特功率控制电机调速系统，在相当长时期仍将采用直流可调传动系统。就本课题而言，10kW与其以下直流调速系统是目前广泛采用的一种电力控制系统，掌握其工程设计方法，对产品设计、选型设计、维护运行工作都有重要意义。1.2 直流调速方法与发展历史1.2.1 直流电动机调速方法根据直流电机转速方程 （1-1）式中 转速（r/min）；电枢电压（V）；电枢电流（A）；电枢回路总电阻（ W ）； 励磁磁通（Wb）；由电机结构决定的电动势常数。由式（1-1）可以看出，有三种

8、方法调节电动机的转速：（1）降压调速。使电枢供电电压下降，则电动机转速下降，由于电动机绕组绝缘有限，电动机电枢电压不能高于额定电压，所以是降压调速，适用于额定转速以下一定围的无级调速的场合。降压调速属于恒转矩调速。（2）弱磁调速。使励磁磁通下降，则电动机转速上升。由于磁通超过额定值易饱和，所以只能弱磁调速。适用于额定转速以上的小围无级调速场合。弱磁调速属于恒功率调速。（3）变阻调速。使增大（串电阻R），则下降。由于串电阻要消耗功率，机械特性变差（软）。所以只适用于小功率有级调速的场合。对于要求在一定围无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够

9、平滑调速，但调速围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。1.2.2 直流调速发展过程调速的关键是获得可控的直流电源，随着电力电子技术的发展，近代直流调速系统经历三个方面的发展过程。 （1）直流发动机机组（G-M系统）。直流发动机机组的结构原理图，如图1-1所示。 图1-1 直流发动机机组由原动机M（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leo

10、nard系统。G-M系统机械特性是线性的、较硬，且可靠耐用。 此系统设备多、体积大、费用高、效率低；但运行可靠、维护方便，在目前的生产设备有应用。（2）晶闸管可控整流器（V-M系统）。V-M系统的结构原理图，如图1-2所示。 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图1-2 V-M系统的结构原理图图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。V-M系统的优点：与G-M系统相比较，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。晶闸管可控整流器的

11、功率放大倍数在10 4以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统存在的问题：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃与附近的用电设备，造成“电力公害”。 （3）直流斩波调制器（PWM系统）。在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复

12、励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。直流斩波器的基本结构图，如图1-3（a）所示。在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-3（b），好像是电源电压US在ton时间被接上，又在 T ton时间被斩断，故称“斩波”。tOuUsUdTtonM+_VDVTUs控制电路（a）原理图 （b）电压波形图图1-3 直流斩波器的基本结构图这样，电动机得到的平均电压为 （1-2）式

13、中 T晶闸管的开关周期；开通时间；r 占空比，r =/ T = f ；其中，f为开关频率。为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。PWM系统的优点：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗与发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功

14、率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。综上所述，三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。1.3 本设计涉与主要性能技术指标1.3.1 转速控制要求任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速。在一定的最高转速和最低转速围，分挡地（有级）或

15、 平滑地（无级）调节转速；（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。1.3.2 主要性能指标（1）调速围D。生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速围，用字母D表示，即 （1-3）其中和一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。（2）静差率s。当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落DnN，与理想空载转速n0之比，称作静差率s ，

16、即（1-4）式中DnN = n0- nN。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。调速围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。设电机额定转速nN为最高转速，转速降落为DnN，则按照上面的分析，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即（1-5）于是，最低转速为 （1-6）而调速围为 （1-7）将（1-6）式代入（1-7）式，得（1-8）式（1-8）表示调压调速系统的调速围、静差率和额定速降之间所应满足

17、的关系。对于同一个调速系统， DnN值一定，由式（1-8）可见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速围也越小。一个调速系统的调速围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调围。（3）脉动系数。对含有直流分量的非正弦周期电量而言，定义最低次谐波的幅值与平均值的比值为脉动系数，其大小可表示波形的平直程度。脉动系数可表示为（1-9）1.4 本次毕业设计的容与要求为了进一步提高对所学知识的运用能力，以与对自动控制原理、电力电子技术和运动控制系统等课程容的深入了解，会运用所学知识来设计一般的控制系统。通过设计，一方面掌握设计方法、技巧，另一方面加强理论结合实际与指导解决实际问题的

18、途径，以期达到理论与实际的统一，从而提高同学们对科学实验的兴趣和能力。既培养学生基于所学知识分析和综合典型系统的能力，又使学生理解典型系统的工程背景、在掌握基础理论和方法的同时能够举一反三、提高解决实际自动控制系统问题的能力。本次毕业设计要求设计一个可调传动直流控制系统。采用控制电枢电压改变电动机的转速，电枢电压由三相桥式整流电路提供。（1）技术数据。直流电动机：型号：Z371；额定功率：PN=10kW；额定电压：UN=220V；额定电流：IN=55A；转速：；级数：2p=4 ；电枢电阻：；电枢电感：；励磁电压：；励磁电流：；（2）要求。调速围D=10，系统静差率s<5%；电流脉动系数：

19、10%。2 调速系统方案的选择与其工作原理2.1 调速系统方案的确定 由于电动机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。 电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低。为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用接法。又因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜选用KJ004组成六脉冲集成触发电路。 该系统采用降压调速方案，故励磁应保持恒定。因此，励磁绕组采用三相不可控桥式整流电路供电，电源可

20、从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触头应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节。直流调速系统框图如图2-1所示。图2-1 带截流负反馈的直流调速系统框图2.2 调速系统的工作原理2.2.1 问题的提出直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。（1）起动的冲击电流。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它

21、的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。（2）堵转电流。有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障、机械轴被卡住或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。2.2.2 解决方法为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。考虑到，限流作用只需在起动和

22、堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。如图2-2所示为电流截止负反馈环节。其工作原理如下：图2-2 电流截止负反馈当，电流负反馈信号起作用，当，电流负反馈信号被截止。比较电压可以利用独立的电源，在反馈电压和比较电压之间串接一个二极管组成电流负反馈截止环节，如图2-2(a)所示；也可以利用稳压管的击穿电压作为比较电压，组成电流负反馈截止环节，如图2-2(b)所示。后者线路更为简单。电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2-3所示。图2-

23、3 电流截止负反馈环节的输入输出特性其数学模型为 (2-1)2.2.3 带截流反馈的转速负反馈调速系统工作原理带截流负反馈的直流调速系统框图如图2-1所示。控制器采用P调节器，电流反馈信号来自检测主电路电流的霍耳元件，反馈系数为，临界截止电流为，稳压管的击穿电压为，于是有 (2-2)带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环调速系统的静态结构图如图2-4所示，由图2-4可写出该系统两段静特性的方程式。 （1）当时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式一样1 (2-3)（2）当 时，引入了电流负反馈，静特性变成 (2-4)nKpKsa 1/CeU*nUcUnIdEUd0Un+- R

24、Rs-UcomId Rs - Ucom-图2-4 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（2-4）中，令 n = 0，得 (2-5)一般，因此 (2-6)应小于电机允许的最大电流，一般取 (2-7)从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 (2-8)3 调速系统工程设计的基本容3.1 主电路计算晶闸管整流主电路如图3.1所示。3.1.1 整流变压器额定参数计算根据整流器主电路的类型、电源与负载要求的直流电压和电流，可以计算出整流变压器

25、的额定参数：变压器次级相电压U2、相电流I2与容量S2；变压器初级相电流I1、容量S1；变压器等值容量ST。根据计算结果可选择变压器。 （1）次级相电压U2的计算。整流器主电路采用三相全控桥式整流电路，在理想情况下其输出直流电压Ud与变压器次级相电压U2之间的关系可用下式表示3（3-1）式中，为整流器的控制角。在实际运行中，整流变压器输出平均电压还受下列因数影响：1）电源电压波动：若电源电压允许波动围为+5%-10%，令为电网电压波动系数，则的变化围为0.95<<1.05。通常取电源电压为最低值恰好满足负载要求，并作为选择额定电压U2的依据，设计中常取min=0.91.05。2）整

26、流元件正向压降UT：整流元件为非线性元件，导通时两端门槛电压UT使输出平均电压下降。若整流回路中串联整流元件数为ns时，产生电压降为ns UT。3）直流回路杂散电阻：直流回路中，接线端子、引线、熔断器、电抗器、与整流元件等均将存在电阻，称为杂散电阻。记为，在额定工作条件下，一般取为（0.2%0.5%）UdN。4）交流电源系统电抗引起的换向过程电压损失：计算中，可用整流变压器漏抗xs近似表示电源系统的电抗。对3相桥式电路而言 （3-2）式中，为负载系数； 为变压器的短路电压百分比；为换相压降计算系数，当为n相桥式整流电路时，。5）整流变压器电阻的影响：交流电压损失受负载系数影响，计算时假定功率因

27、数为1，则由其引起的整流输出电压损失为 （3-3）式中，为铜损耗。考虑上述因数影响之后，整流变压器输出整流电压为 （3-4）将有关各量代入整理可得 （3-5）本设计取负载系数，短路电压百分比，初次设计铜耗可略去不计，取2，取管压降V。将上述数据代入式（3-5）可得可取。变压器变比（3-6）（2）变压器一次侧和二次测相电流和的计算。变压器二次测电流有效值与整流电流平均值（）关系2 （3-7）所以 由式（3-6）得（3）变压器容量S的计算。由变压器容量计算公式，得考虑励磁功率，取变压器容量S=15.6KVA，A，A。变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法，U1=380V，I1=14A；次级绕组星形

28、接法，U2=110V，I2=46A；等值容量ST=15.6KVA3.1.2 晶闸管的选择（1）晶闸管的电压定额。晶闸管正、反向重复峰值电压为，即取（2）晶闸管通态平均电流。晶闸管通过电流有效值为晶闸管通态平均电流应取为3根据上、的值，选KP507晶闸管元件。3.1.3 平波电抗器参数计算为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器主电路中常要串联平波电抗器。这两方面的技术要求就是设计平波电抗器电感量的依据。（1）限制负载电流脉动的电感量。 整流器输出电压为脉动波形，因此由整流电源供电的负载中电流也是脉动的，该电流可以分解成直流分量和各次谐波交流分量。直流电动机负载需要的只是直流分量

29、，交流分量不但不能产生有用的能量转换，而且对负载运行十分不利。串联平波电抗器可以减小电流中的交流分量，使负载获得较为平稳的直流电流。输出脉动电流中最低频率的交流分量幅值Iam与输出脉动电流平均值Id之比，称为电流脉动系数，即。根据允许电流脉动系数，可以计算出限制输出电流脉动的电感量。一般，三相整流电路取为5%10%,单相电路取小于20%。由表3-1可查得常见整流电路最大的。设电感量为时，交流电流分量中最低次谐波频率的幅值为 （3-8）于是，将代入（3-8）得 （3-9）式中，为输出电压或电流交流成分中最低次谐波频率值，常见电路值见表3-1。根据式（3-9）有 （3-10）表3-1 计算有关电感

30、量的计算系数电路名称单相全控桥2.841001.2三相半波1.461500.88三相全控桥0.6933000.46带平衡电抗器的双反星型0.3843000.46（2）使输出电流连续的临界电感量。当可控整流器负载电流低于一定程度时，会出现输出电流不连续的现象，对电动机等负载的工作将产生不利的影响。当负载最小连续电流为时，为保证电流连续所需的回路总电感量为 （3-11）式中，为回路总电感量，mH；为临界电感计算系数，各种整流电路的值见表3-1。根据公式（3-10）有 （3-12）式中，取5%Id。（2）主回路平波电抗器总电感量计算。在工程设计中，为满足限制电流波动和保证电流连续这两方面的要求，主电

31、路中总电感量应取式（3-10）和式（3-12）计算结果中的最大者。，即 （3-13）由式（3-13）得出的电感量是电路中的总电感量，其中包括平波电抗器电感量、电动机电枢电感量、整流变压器折算到次级的电感量。整流变压器折算到次级的电感量为（3-14） 式中，为整流变压器折算到次级的电感量，mH；为整流变压器漏抗计算系数，三相全控整流桥取4；为整流器输出额定电流，A；为电源频率，rad/s。满足设计要求的平波电抗器的电感量为（3-15） 式中，为电动机电枢回路电感量，已知为7mH；对于三相桥式整流电路，整流回路中变压器为两相串联，因此计算时取代入。最终，取平波电抗器。3.2 整流设备保护电路计算电

32、力电子器件承受过电压和过电流的能力较低，一旦电压电流超过额定值，器件极易损坏造成损失，需要采取保护措施。电力电子装置的过电压和过电流，是由于外部或部的状态突变造成的，例如雷击，线路开关（断路器）的分合，电力电子器件的通断都引起了电路状态的变化，电路状态的变化将引起电磁能量的变化，从而激发产生很高的过电压。电力电子装置负载过大（过载），电动机堵转，以与短路等故障会引起装置的过电流。因此，晶闸管的保护成为调速系统主电路的重要组成部分。这里主要说明过电压和过电流保护的方法与计算。3.2.1 过电压保护3.2.1.1 过电压保护的设置按过电压保护的部位来分，有交流保护、直流保护和器件保护。过电压保护设

33、置如图图3-2所示。图3-2 过电压保护方法与配置位置A避雷器；B接地电容；C、G阻容保护；D整流式阻容保护；E、H压敏电阻；F换相过电压保护；3.2.1.2 阻容保护与参数计算（1）交流侧阻容保护与参数计算。为吸收变压器释放出来的磁场能量，可在变压器二次测并联电阻和电容吸收电，由于电容两端的电压不能突变，可以快速吸收造成过电压的磁场能量；电阻可以起阻尼作用，并可在电磁过程中消耗造成过电压的能量。如图3-2中C处。交流侧阻容保护元件参数的计算与整流器的容量有关。阻容吸收装置中，（）的计算公式为3（3-16）的阻值（）计算公式为3，（3-17）的功率（）计算公式为3（3-18）以上各式中，为变压

34、器次级空载线电压，V；为变压器次级线电流，A：为电源频率，Hz；、为计算系数，对三相桥式电路，分别为17320、0.17、0.253；为变压器励磁电流对额度电流的标么值，一般取0.020.05。阻容吸收电路采用三角形接法，电容值，电阻值，电阻功率。（2）直流侧阻容保护与参数计算。直流侧也有可能发生过电压。当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适时地保护这种过电压，仍会通过导体的晶闸管反应到直流侧，为此，直流侧也应装设过电压保护，用于抑制过

35、电压。如图3-2中G处。阻容吸收装置中，（）的计算公式为3（3-19）的阻值（）计算公式为3（3-20）式（3-19）、（3-20）中，、可根据表3-1和公式（3-8）算出，最低次谐波电压幅值，最低次谐波电流幅值。取，。3.2.1.3 换相过电压保护与参数计算晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图3-2中F处。抑制换相过电压的电容（）的计算公式为3（3-21）电阻通常取1030，其功率的计算公

36、式为（3-22）式（3-21）、（3-22）中，为整流器件串联的个数，为1；为整流器件反向电压的幅值。取、。3.2.1.4 非线性元件保护与参数计算压敏电阻是一种常用的非线性保护元件。压敏电阻由氧化锌、氧化铋等烧结而成的非线性电阻元件。具有明显的击穿电压，在施加电压低于击穿电压时，漏电流仅为微安级，损耗小；在施加电压超过击穿电压时，压敏电阻击穿，可以通过很大浪涌电流，几乎呈现恒压特性。压敏电阻主要参数有：标称电压：漏电流为1mA时对应的端电压值，V；残压：放电电流达到规定值时的电压值，V，叫做残压比；允许通流量：在规定的波形下允许通过的浪涌电流，kA。 本设计采用压敏电阻为星型连接，的计算公式

37、为（3-23）为计算系数，通常取0.90.95；为电网电压上升系数，取1.051.10；U为压敏电阻保护装置外接端电压的有效值。可选用的金属氧化物压敏电阻。3.2.2 过电流保护晶闸管装置在运行时有可能产生过电流现象。产生过电流的原因有：电动机负载的过载，负载侧短路，逆变电路的逆变失败，器件因性能变坏而损坏等。因晶闸管器件的热容量很小，承受过电流的能力比其他电力装置小得多，如果过电流数值过大而切断稍慢，就会使其结温超过允许值而损坏。因此，为了在故障状态下保护晶闸管装置的安全，必须采用适宜的过电流保护措施，在发生过电流短路和过载时快速切断或使电流迅速下降，保证晶闸管免受损坏。3.2.2.1 过电

38、流保护装置整流装置可能采用的过电流保护措施如图3-3所示。交流侧应设置作用于电源开关自动跳闸的过电流继电器，用于保护整体电路；为保护晶闸管，应设进线电抗器并设快速熔断器；在比较重要或易发生故障的装置中，交流或直流侧设电子过电流保护，作用于触发脉冲快速移相或封锁脉冲。图3-3 电子过电流保护装置原理图3.2.2.2 快速熔断器的选择与参数计算快速熔断器是目前广泛采用的保护措施。在发生过电流时，利用其快速熔断特性和晶闸管过载特性相配合，使其先期熔断并切断电路，保护晶闸管。快速熔断器具有通过电流越大，熔断时间短的特点，适合做短路保护，但不宜作过载保护。快速熔断器在电路中的接法有三种，（1）交流电源进

39、线侧串联快速熔断器的接线方法，熔断器用量较少，对整流器的部、外部故障引起的短路电流均有保护作用，但对元件保护的可靠性较差；（2）直流输出侧串联快速熔断器的方法，对外部故障引起的短路电流起保护作用，熔断器用量少，但该方法对整流器的部故障引起的短路电流不起保护作用，对元件保护可靠性较差；（3）每只晶闸管都与一个快速熔断器相串联，该方法对所有短路故障均有保护作用，但所用的快速熔断器数量较多。在选择快速熔断器的额定参数时，应尽量使其额定电压等于或略大于工作电压。快速熔断器的额定电流为有效值，当通过快速熔断器的电流为时，在4h不会熔断；如果通过快速熔断器的电流为的6倍，在20ms以就可以熔断。下面说明直

40、流输出侧串联的快速熔断器选择。接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流的有效值为（3-24）快速熔断器的额定电流应满足以下条件（3-25）即故选用RLS50的熔断器，熔体电流为50A。3.2.2.3 过电流继电器的选择过电流继电器位于变压器二次测，变压器次级电流有效值为3（3-26）继电器吸引线圈电流可整定为（3-27）可选用吸引线圈电流为60A的JL14-11ZS手动复位过电流继电器。设电路正常工作状态通过快速熔断器的电流有效值为，则应按下式选择 （3-28）式中，为晶闸管的通态额定电流。由式（3.24）得工作回路（线）电压有效值为，故应选额定电流为50A，额定电压为200V的熔断器。3.

41、3 励磁电路元件的选择如图3-1所示，励磁电路是为直流电动机励磁绕组提供励磁电流三相桥式整流短路，耐压与主电路晶闸管一样。其主要元件为整流二极管，二极管的正、反向重复峰值电压为3（3-29）则二极管的额定电压应取为（3-30）由已知励磁电流Iac=1.6A，则通过二极管电流的有效值为3（3-31）二极管通态平均电流为3（3-32）可选用ZP型3A、700V的二极管。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入欠电流继电器KA2，动作电流可通过RP调整。根据额定励磁电流Iac=1.6A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。4 触发电路的选择与校验这里选用集成六脉冲触发器实用电路

42、，如图4-1所示。图4-1 集成六脉冲触发器由产品目录中查得KP50晶闸管的触发电流为815mA，触发电压V。在触发电路直流电源电压为15V时，脉冲变压器匝数比为2：1，可获得6V左右的电压，脉冲变压器一次测电流只要大于75mA，即可满足晶闸管要求。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数BVCEO=45V，ICM=300mA，完全能满足要求。脉冲变压器实际上不用计算，只要在市场上买一只触发50A晶闸管的脉冲变压器即可。该电路需要三个互差1200，且与主电路三个相电压、同相的三个同步电压，因此需要设计一个三一样步变压器。但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1W。这样小的变压器很

43、难买到，可用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并接成，即可获得与主电路二次侧相电压同步的三个电压、。按电路要求，同步电压取30V，因一次侧直接与电网相接，每相绕组电压为380V，考虑制造方便，功率的裕量留大一些，最后确定单相变压器参数为：容量为3VA ，电压为380V/30V，数量3只。同步变压器的连接如图4-2所示。图4-2 同步变压器的连接5 反馈电路参数的选择与计算转速与电流负反馈环节如图2-1所示。5.1 测速发电机的选择由电机产品样本查得，选用55CY61型永磁直流发电机。额定参数为：ETG=40V，nTG=2000r/min，负载电阻RTG是2k，2W的电位器，测速发电机与主电

44、动机同轴联接。由于主电动机的额定转速nN=1000r/min，因此发电机发出最高电压为20V。 若给定电源15V，只要适当取反馈系数，即可满足系统要求。 5.2 电流反馈环节的选择选用LEM模块LA100-NP作为电流检测元件，其参数为：额定电流为100A，匝数比为1/1000，额定输出电流为100mA，测量电阻RM=3050，取RM为47，1W的绕线电位器。负载电流为1.2IN时，LA的输出电流为1.2IN/1000=（1.2×55/1000）mA=66mA，输出电压为3.1V，考虑一定调节裕量，可选2CW9稳压管作为电流调节器饱和输入电压，Uim=2V。 5.3 调速系统静态精度

45、的计算（1）电动机和测速发电机电动势常数计算。电动机电动势常数 （5-1）测速发电机电动势常数 （5-2）（2）整流装置的阻RT3。 （5-3）（3）要求调速系统的静态速降。 （5-4）（4）求闭环系统的开环放大系数2。 （5-5）（5）触发器与整流装置的放大倍数的估算。 在触发器选用电源的情况下，锯齿波同步电压最大值应小于15V，这里仍按最大移相控制电压为15V计算，则有2 （5-6）（6）计算转速反馈系数。 （5-7）由于给定电压取15V，Ufe约12V左右，而ETG=20V，故。（7）计算放大器的放大倍数。由于，故 （5-8）因较大，故选用放大倍数可调的放大器，如图5-1所示。由于点是虚

46、地，故 （5-9）式中，分压电路的分压系数。 故 （5-10）图5-1 放大倍数可调的放大器为避免放大器开环，不能调到零，可在电位器接地端垫一个不可调的小电阻。若该电路电位器取4.7k、1W，固定小电阻取470、1/4W，则，故最多能把放大器从R1/R0提高11倍。采用F007运算放大器，其输入电阻ri>0.5M，为了不影响ri，应使R0<1/10ri。故取R0=20 k，R1=KPR0，取=0.136，R1=（0.136×121×20×103）=329k，实取330 k。R0、R1均取1/4W。5.4 给定环节的选择由于放大器输入电压和输出电压极性相

47、反，而触发器的移相控制电压UC又为正电压，故可使用一个增益为1反相比例电路，给定电压Ugn就取正电压，而一切反馈均取正电压，可参看图2-1中电压的极性。为此给定电压与触发器共用一个-15V电源，用一个2.2k、1W电位器引出给定电压。5.5 控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，其元件参数见表5-1所示，电源原理图如图5-2所示。表5-1 组成控制电路电源元件名称与规格序号代号名称规格数量1B1、B2桥堆2A、200V22C1、C2电解电容2200F、63V23C3电容0.1F247815三端集成稳压器+15V、1.5A157915三端集成稳压器-

48、15V、1.5A16C4电容0.33F27VD1 、VD2二极管3CP12217.7V17.7VVD2VD1C5C6C4C3C2C1+78157915B1B2-15V+15V图5-2 15V直流稳压电源原理图6 继电器-接触器控制电路设计为使电路工作更可靠，总电源由自动开关引入，由于变压器一次侧电流I1=14A，故选用DZ5-50型，三极自动断路器，脱扣器的额定电流为30A的三极自动断路器即可满足要求。用交流接触器控制主电路通断，由于I2=46A，故选用CJ10-60、线圈电压为220V的交流接触器。可选用吸引线圈电流为60A的JL14-11ZS型直流过电流继电器作为过流保护，吸引电流可在7/

49、10至3倍围调节。在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器，吸引电流可在3/10至65/100围调节，释放电流在1/10至2/10围调节。选用AL18-22Y型按钮，起动按钮用绿色，并带有工作指示灯，停止按钮用红色。设有电源指示灯，选用XDX2型红色指示灯。整流装置应有电流和转速指示，因输出额定电流为55A，并考虑快速起动，故选用100A、59C5-A型直流电流表。转速可通过测量测速发电机输出电压获得，根据电动机在额定转速时测速发电机输出电压为20V，故选用30V、59C5-V型直流电压表改装的转速表，满量程为1500日/min。继电器-接触器电气接线原理图

50、见图7-1。7 10kW直流调速系统电气原理总图10kW直流调速系统电气原理总图如图7-1所示。图7-1 10kW直流调速系统电气原理总图8 结构设计由于电动机容量较大，所用元器件体积大，可考虑采用柜式结构，主变压器、电抗器应放在下层，磁场变阻器应放在安全、且易调节的部位。主电路放在中间，控制电路可放在上层。电流表、转速表、电源指示、起动、停止按钮、给定电位器均应放在上方，以便于观察，操作方便。柜子底脚应根据现场需要，可设计成走轮式（便于移动）、固定底脚式或用螺栓直接固定式，电气柜的外形图可参见图8-1。图8-1 电气柜的外形图有关部各单元布局，主要根据电器元部件的大小以与方便维修、调试。其元

51、件布置图、印刷版图的绘制与印刷版的制作方法在此不再详述。9 调试、修改电路参数9.1 首先检查接线是否正确，布线是否合理逐点检查焊点质量，看是否有漏焊、错焊、虚焊的地方；察看晶体管管脚、二极管和电解电容等元件的规格，脉冲变压器引线等有无弄错；集成块有无插反；插板、插接件是否插接牢靠，熔丝是否完好。9.2 相序检查 对于三相系统，相位关系要求很严格，因此，在调试之前，必须对电源的相序进行检查，下面介绍两种方法。（1）双踪示波器法。首先指定一根电源线为U相，用YU探头测量其波形，再用YV探头测量另两相，比U相落后1200者为V相，越前1200者为W相。（2）相序器法。相序器如图9-1所示，U、V、

52、W分别接电源的三相，假设电容所接的一相为U相，则灯泡亮的一相为V相，暗的一相为W相。VW220V/15W×20.25F/630VU图9-1相序器检查图9.3 检查同步电压与主电路电压的相位关系根据KJ004工作原理可知，在同步电压的正负半周都能形成锯齿波。对于电感负载，脉冲移相围为0o90o，而三相桥角计算起点为相电压交点，以1n晶闸管为例，既U相电压过零点后移30o，故1n晶闸管移相围对应U相电压30o120o。因此，只要同步电压与U相电压uU同相，就可满足晶闸管1n移相围的要求。即用同步电压uU与触发Us端相连，uV与Vs、uW与Ws相连即可。9.4 放大器的检查（1）调零检查。

53、首先把给定电压Ugn调零，暂时把反馈环节断开，调放大倍数电位器尽可逆能旋到工作位置，接通放大器电源，测量放大器输出电压是否为零，若不为零，应调“调零电位器”使其为零。（2）放大倍数的调整。首先把调放大倍数电位器滑动端调到m点（即=1），加一定Ugn，测输出电压UC是否等于，若比例关系正常，再调电位器使减小，看放大倍数是否上升，若能增大，再调电位器，看放大倍时能否达到设计值，如果能达到，说明放大器正常。否则应检查线路或更换元件，直到正常为止。9.5 触发电路的调整暂不接反馈环节，闭合Q，触发电路接通电源，用示波器观察各点波形，如有锯齿波，但后边无波形或无削波波形，可调偏置电位器和给定电位器，使波形正常，调斜率电位器，使锯齿波斜率一致，脉冲间隔为60o。若波形不正常，应检查或更换有关以与，直到正常为止。 9.6 电阻性负载的调试触发电路正常后，就可以进行带负载试验了。但为了可考起见，可先不用电动机负载，而用一个