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1、逻辑无环流调速系统的调节器设计 第一章 系统主电路的设计1. 主回路方案的论述、比较及选择生产控制过程中，当要为某生产机械制造一台晶闸管整流装置。首先要确定采用什么样的整流电路，只有整流电路的形式确定后，才能根据负载来决定晶闸管、变压器、电抗器、熔断器等元件，才能对触发电路提出移相范围、脉冲等技术要求，才能选择适当的保护元件。为此，我们的首要任务是选择比较理想的主电路方案。 对于晶闸管可控整流电路而言，主要分单相和三相可控整流电路，其中，单相可控整流电路的整流电压脉动大，脉动频率低，而且对三相电网电源而言，仅是其中的一相负载，就影响三相电网的平衡运行，所以我们在设计中就不采用单相整流电路。一般
2、当负载容量较大（4KW以上），或者要求直流电压脉动较小、易滤波或要求快速控制时，应考虑采用三相可控整流电路，这是因为三相整流装置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小以及控制滞后时间短的缘故。三相整流的类型有很多，例如：三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式整流电路等。 此次设计采用的是在工业上广泛应用的三相桥式反并联整流电路。三相桥式全控整流电路的实质是三相半波共阴极与共阳极组的串联。下面对各种整流电路逐一分析和比较。1.1.1三相半波与三相全控桥1.三相半波和三相全控桥流过晶闸管的电流有效值和平均值相同，晶闸管所承受的最大正反电压也相同，都是线电压的峰值，即Ufm=Urm=6
3、2/12.三相半波只用三个晶闸管，接线简单是它的优点。在感性负载时，三相半波输出电压Ud=1.17U2cosa。很显然，要输出同样的Ud时，与三相桥式电路相比较，晶闸管承受的正反相的峰值电压高一半，变压器二次侧绕组周期导电角仅为120度，绕组利用率低，而且电流是单方向的，它的直流分量使铁心直流磁化，为了防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截面积，因而还要引起附加损耗。上述缺点导致三相半波可控整流电路一般只用于中小容量的设备上。三相桥式整流电路中，可以看出，绕组的利用率提高了。1.1.2电枢反接可逆线路与励磁反接可逆线路 在三相桥式可逆系统中，有两种逆变方式。一种为电枢反接可逆线路，另一种为励磁反接
4、可逆线路。其中对于大容量的电动机，励磁反接的方案投资较少，比较经济。但此种方案，快速性较差，只适用于正反转不大频繁的大容量可逆系统，如卷扬机、电力机车等。在电枢反接可逆线路中，通常采用接触器切换的可逆线路和用晶闸管开关切换的可逆线路。用接触器切换比较简单、经济，但如果接触器频繁切换，电气动作噪声较大、寿命较短、且需要的动作时间相当长，不灵活，只适用于不经常正反转的生产机械。故此我们采用晶闸管可逆线路。方案是三相全控桥式反并联整流电路。1.2主回路的工作原理1.2.1关于三相桥式反并联 三相桥式反并联是通过公共的三相交流电源组成两条并联的环流通道，它们分别以变压器的基相绕组为始端，经某组变流器中
5、共阴极相连的一个晶闸管，回到变压器的其它一相绕组为终端，如下图所示：1.2.2主回路的工作原理 三相式整流电路是从三相半波电路发展而来的。两组三相半波整流电路，一组是共阴极，另一组是共阳极。由于共阴极组是正半周导电，流经变压器的是正向电流；而共阳极组在负半周期导电，流经变压器的是反向电流。本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转，主电路由两组变压器组成，在任何时间内都只能由一组投入工作，可根据电动机所需的运转状态来决定由哪一组变压器工作及相应的工作状态：整流或逆变。同时为了限制环流，必须在主回路内串入环流电抗器。工作原理如下：1.三相桥式反并联线路在任何时候都必须有两个
6、晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个是共阴极组的，另一组是共阳极组的。2.关于触发脉冲的相位，共阴极组的三个晶闸管之间应互差120共阳极组的晶闸管之间也应该互差别120接在同一相的两管之间互差180。3.为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，或者在电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。4.三相桥输出的是变压器二次线电流的整流电压。1.3主回路各元件的参数的选择及计算 本系统主电路为三相桥式反并联电路,被控电机额定电压220V,对于本电路,采取了阻容保护,非线性电路及过电流保护,现对电路中各元件参数选择做简要说明。1.3.1整流变压器额定参数的计
7、算与选择 在平均电压Ud和主电路形式一定的条件下,晶闸管交流侧的电源相电压有效值U2只能在一个较小的范围内变化。因为电压U2选择过高,则晶闸管装置运行的控制角过大造成功率因数变坏,无功功率增大。并在电源回路的电感上产生很大的电压降,但若电压U2过低,则有可能在晶闸管控制角=0时仍达不到负载要求的电压额定值因而达不到负载要求的功率,在一般情况下,晶闸管装置所要求的交流供电电压于电网电压往往不一致,另外,为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰,要求能够隔离,所以通常需配用整流变压器,整流变压器的一次相电压U1就是电网相电压,根据本系统要求的整流电压Ud=220V,及整流电流Id=10A,在下面对
8、整流变压器的额定参数,二次相电压U2、二次相电流I2、一次相电流I1、二次容量S2、一次容量S1和平均容量S进行一些必要的计算。1二次相电压U2的计算U2=(1.21.5)U0/A=1.3220/2.34=122V ； U0电动机电枢额定电压A 系数对于三相桥式，A=2.342.二次相电流I2和一次相电流I1I2=k2IdI1=I2/kk=U1/U2则I2=0.81617.2=14.04A ，I1=14.04/380/122=4.51A，Id电动机的额定电流K2电流的波形系数为0.8163.二次容量S2、一次容量S1和平均计算容量SS1=3U1I1=32204.51=5141.4VAS2=3U
9、2I2=312214.04=5138.64VA，S=(S1+S2)/2=5140.02VA1.3.2晶闸管和整流管的选择及计算1.整流器件的额定电压UTNUm=61/2U2=299V；UTN=(23)Um取系数为2.5则可得UTN=747V2整流器件的额定电流IT(AV)IT(AV)=(1.52)kfbIdmax=1.80.36817.21.5=14.7A式中kfb=0.368Idmax=电动机的额定电流，为过载倍数1.3.3平波电抗器的电感量的选择及计算 在使用晶闸管装置时,为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性,常在直流侧使用带有空气隙的铁芯电抗器,本节着重于电抗器的计算,电抗器
10、的主要参数是:流过电抗器的电流和电抗器的电感量。1.使输出电流连续所需的电感量当晶闸管的控制角较大,负载电流小到一定程度时,会出现输出电流不连续的现象,为保证电流连续,电枢回路中应有的电感量:Ll=KlU2/Idmin=0.693122/（5%17.2）=98.3mHIdmin要求连续的最小负载电流平均值为5%InomKl=0.6932.平波电抗器电感的计算LD电动机的电枢电感LD=KDUe/2PneIe103=6220/22150017.2103=12.8mH式中P极对数(P=2)KD=812（无补偿的电机）KD=56（有补偿的电机）LB变压器二次测每相的漏电感LB=KBUk%U2/100I
11、e=3.95/100122/17.2=1.38mHUk%变压器的短路比,对于100KVA以下的变压器Uk%=5%KB=3.9LP平波电抗器的电感LP=Ll(LD+2LB)=98.3(12.8+21.38)=82.74mH1.3.4闸管的保护装置及其计算 晶闸管虽然具备多种优点，但是它承受过电流和过电压的能力较差。为了使器件能长期的运行，必须采用适当的保护装置。1.过电压保护 凡超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压Um的都算过电压，其中一种为操作过电压是由晶闸管装置的拉闸合闸和器件关断等电磁过程引起的过电压，这些操作过程经常发生是不可避免的，另一种过电压是由于雷击等原因为从电网侵入的偶然性浪涌
12、电压，它可能比操作过电压更高，采取过电压保护措施后，应使经常发生的操作过电压限制在额定电压UTN以下，而希望使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压Udsm和Ursm以下。交流侧过电压保护阻容保护 在变压器二次并联电阻和电容，构成阻容保护电路。 计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式：C6i0%S/U22R2.3U22/S（UK%/i0%）1/2其中：S变压器每相平均计算容量U2变压器二次相电压有效值i0%变压器激磁电流百分数,100KVA以下i0%=7Uk%变压器的短路比,100KVA以下Uk%=5由以上的公式可得:C675140.02/1222=14.5FR2.3
13、1222/5140.02（5/7）1/2=5.63变压器的接法 单相 三相二次侧Y接法阻容装置的接法 与变压器次极并联 Y接法 接法电容C C C C/3电阻R R R 3R 则根据上表得到:电容=C/3=4.83F电阻=3R=16.89阻容保护压敏电阻保护 护装置只能把操作过电压一直在允许的范围内，因此在采用阻容保护的同时，可以设置非线性电阻。它们接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压一直在允许范围之内。压敏电阻可按下式选取它的额定电压Ue:Ue/(8-9)(压敏电阻承受的额定电压峰值) 压敏电阻保护直流侧过电压保护 直流侧也有发生过电压的可能，例如在快熔断时，平波电抗器所贮能量释放，可以造成
14、过电压，或是在雷击时，过电压到直流侧。因此，在直流侧也搭接了压敏电阻保护。2.晶闸管关断过电压保护 晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于晶管的结电容、导通时间和关断时间等等差别。为了使开关过程中的电压分配均匀，应对晶闸管并联电容C。为了防止晶闸管导通瞬间，电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容支路中串联电阻R。这样就采用RC回路来进行抑制。电容值C=(25)103IT=410314.7=0.06F电容值R=(13)(LB/C)2/1=2(1.38/0.06)2/1=9.59式中：IT器件的额定电流 ；LB变压器每相的漏感RC回路3.过电流保护 由于过载短路，晶闸管正向误导通和反向击穿，以及在逆变时换流失败等原因，都会产生过电流。过电流的保护措施有数种，我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。其原理图如下： 主电路如下： 第二章系统控制单元论述2.1可逆调速系统的方案 在由两套可控硅变流装置组成的电枢可逆系统，除了流经电枢支路的负载电流之外，还有一只流经两套可控硅变流装置之间的电流，这个电流称作环流。由于环流对于系统由不小的影响，我们所选择的调速系统必须要能解决这一方面的问题。针对电机本身的可逆方案实现的方法以及处理环流的方式不同，可控硅直流调速系统的形式，结构很多，大致上有以下四种：（1） 有
