晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

1、綜合課程設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 報(bào) 告晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)院（系、部）：信息工程學(xué)院姓 名：學(xué) 號(hào)：年 級(jí)：專 業(yè)：任課教師： 2014 年 1月 12日·北京目 錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)··································&

2、#183;·······················42.設(shè)計(jì)內(nèi)容·························

3、·································43.調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇···············

4、·································4 3.1直流電動(dòng)機(jī)的選擇···············

5、;·······························4 3.2電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇················&#

6、183;·························4 4.主電路計(jì)算·······················

7、;································6 4.1整流變壓器的計(jì)算···············

8、3;·····························6 4.1.1二次側(cè)相電壓U2的計(jì)算·················

9、3;················6 4.1.2一、二次側(cè)相電流和的計(jì)算·························7 4.1.3一、二次側(cè)變壓器容量的計(jì)算··&

10、#183;·························74.2.晶閘管元件的選擇······················

11、······················74.2.1晶閘管額定電壓··························

12、;·········74.2.2晶閘管額定電流···································74.3.晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算·&

13、#183;·····································84.3.1過(guò)電壓保護(hù)··········&#

14、183;······························8 4.3.1.1交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)················

15、83;···········8 4.3.1.2直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)···························104.3.1.3晶閘管兩端的過(guò)電壓保護(hù)·····&#

16、183;···············104.3.2過(guò)電流保護(hù)································&#

17、183;·······11 4.3.2.1交流側(cè)快速熔斷器的選擇·····················11 4.3.2.2元件端快速熔斷器的選擇··············&#

18、183;·····12 4.3.2.3直流側(cè)快速熔斷器的選擇····················13 4.4.電抗器參數(shù)的計(jì)算··················&#

19、183;······················134.4.1使輸出電流連續(xù)的臨界電感量··················144.4.2限制輸出電流脈動(dòng)的電感···

20、···················144.4.3變壓器漏電感量····························

21、3;·144.4.4實(shí)際串入電抗器的電感···························155.設(shè)計(jì)體會(huì)·················

22、83;·································156.參考文獻(xiàn)···············&

23、#183;···································16附錄1：主要元器件型號(hào)規(guī)格···········

24、3;······················17附錄2：晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路圖····················181.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

25、的主電路。直流電機(jī)：額定功率,額定電壓,額定電流,額定轉(zhuǎn)速，極數(shù)，電樞電阻，電樞電感1H，電網(wǎng)電壓。.設(shè)計(jì)內(nèi)容1）電動(dòng)機(jī)的選擇2）整流變壓器的計(jì)算3）晶閘管元件的選擇4）晶閘管保護(hù)元件的計(jì)算5）電抗器參數(shù)的計(jì)算3.調(diào)速系統(tǒng)的方案選擇 3.1直流電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)負(fù)載和額定轉(zhuǎn)速的要求，查電工手冊(cè)（第四冊(cè)）依據(jù)原則及過(guò)載要求，選?。盒吞?hào)：Z3-52 額定功率：7.5KW 額定電壓：110V 額定電流：82A 額定轉(zhuǎn)速：1500r/min 極數(shù)：2P=4電樞回路電阻：0.5電樞電感：1.1mH并勵(lì)繞組額定電流：3.3A飛輪矩：2.553.2電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電。直流

26、電動(dòng)機(jī)的額定電壓為110V，直接用電網(wǎng)供電是很難達(dá)到要求，同時(shí)為了防止電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與制動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的污染，需要將電壓降低并且能夠和電網(wǎng)隔離提高功率因數(shù)，因此選用整流變壓器供電方式。因此其工作頻率為工頻，初級(jí)電壓即為交流電網(wǎng)電壓。經(jīng)過(guò)變壓器的耦合,晶閘管主電路可以得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。晶閘管相控整流電路有單相，三相，全控，半控等，一般整流器功率在4KW以下采用單相整流電路，4KW以上采用三相整流電路，本設(shè)計(jì)中整流器的功率是7.5KW，所以采用三相整流電路。而三相整流電路的種類也很多，包括三相半波可控整流電路、三相橋式全控整流電路等，不采用三相半波的原因是其變壓器二次電

27、流中含有直流分量。因此本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)采用三相橋式全控整流電路作為直流電動(dòng)機(jī)的可調(diào)直流電源。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來(lái)控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)的電源電壓。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)是：每個(gè)時(shí)刻均需2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(yáng)極組的，且不能為同一相的晶閘管。對(duì)觸發(fā)脈沖也有一定的要求，6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60°，共陰極組的VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽(yáng)極組VT4，、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下兩個(gè)橋臂脈沖相差180&

28、#176;。為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，三角形聯(lián)結(jié)使空載電流中的3次諧波分量可以在閉合的三角形回路中流通，避免3次諧波流入電網(wǎng)，繞組中感應(yīng)的相電動(dòng)勢(shì)波形也為正弦。即：D,y三相變壓器原繞組做三角形聯(lián)結(jié)可以抑制三次諧波，大大改善了電勢(shì)波形。 當(dāng)晶閘管的控制角增大，大于60度是會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)情況，當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速將抬高，機(jī)械特性變軟，負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。負(fù)載電流要維持導(dǎo)通，必須加平波電抗器來(lái)存儲(chǔ)較大的磁能。因此三相橋式全控整流電路如圖1所示： 圖1三相橋式全控整流電路原理圖4.主電路計(jì)算4.1整流變壓器的計(jì)算 4.1.1二次側(cè)

29、相電壓U2的計(jì)算假設(shè)二次側(cè)相電壓有效值U2,U2數(shù)值的選擇不可過(guò)高或過(guò)低,如果U2過(guò)高會(huì)使得設(shè)備運(yùn)行中為保證輸出直流電壓符合要求而導(dǎo)致控制角過(guò)大,使功率因數(shù)變小，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。如果U2過(guò)低又會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)當(dāng)=min時(shí)仍然得不到負(fù)載要求的直流電壓的現(xiàn)象。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大直流值Ud；（2）晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降，用UT表示；（3）變壓器漏抗的存在會(huì)產(chǎn)生換相壓降；（4）平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降；（5）電樞電阻的壓降； 其中：A為理想情況下，控制角時(shí)整流電

30、壓與二次側(cè)電壓之比，即，這里A取2.34；B為控制角為時(shí)，輸出電壓與之比，即，這里B取1；為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，通常取；11.2為考慮各種因素的安全系數(shù)。則：，取電壓比：4.1.2一、二次側(cè)相電流和的計(jì)算查表可知,、 為各種接線形式時(shí)變壓器一、二次側(cè)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。（考慮變壓器的勵(lì)磁電流）取 4.1.3一、二次側(cè)變壓器容量的計(jì)算 查表可知 變壓器參數(shù)歸納如下：一次側(cè)繞組三角形接法，；二次側(cè)繞組采用星形接法，容量為4.2晶閘管元件的選擇4.2.1晶閘管額定電壓 通常取晶閘管的和和中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓，但是在選用時(shí)額定電壓要留有一定的裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所能

31、承受的峰值電壓的23倍。因?yàn)椴捎萌嗳貥蛩?，所以晶閘管的額定電壓為：=（23）=（23）××60=293.94440.91V,取=400V4.2.2晶閘管額定電流按電流的有效值來(lái)計(jì)算電流額定值。取故VT1VT6選擇額定電流為50A，額定電壓為400V的普通反向晶閘管，晶閘管型號(hào)：KP50-4。4.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算 4.3.1過(guò)電壓保護(hù)正常工作時(shí)，二極管能承受的最大峰值有一定的限度。超過(guò)此峰值電壓的就算過(guò)電壓。在這個(gè)整流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過(guò)電壓均不應(yīng)該超過(guò)元件的不重復(fù)峰值電壓，而任何周期性出現(xiàn)的過(guò)電壓則應(yīng)小于元件的重復(fù)峰值電壓。這兩種電壓都是經(jīng)常發(fā)生且不可避免。

32、因此，在變流電路中，必須采用各種有效保護(hù)措施，以抑制各種暫態(tài)過(guò)電壓，保護(hù)元件不損壞。抑制暫態(tài)過(guò)電壓的方法一般有3種：用電阻消耗過(guò)電壓的能量；用非線性元件限制過(guò)電壓的幅值；用儲(chǔ)能元件吸收過(guò)電壓的能量。 4.3.1.1交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù) 采用阻容保護(hù)，即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而存儲(chǔ)起來(lái)，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的震蕩。變壓器的繞組為Y聯(lián)結(jié)，阻容保護(hù)裝置采用三角形接法，如圖2：圖2 交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)可按下式計(jì)算阻容保護(hù)元件的參數(shù)：電容C的耐壓： 電功率：式中: 變壓器平均計(jì)算容量（VA）；

33、-變壓器次級(jí)相電壓有效值（V）；勵(lì)磁電流百分比，10100KVA的變壓器，對(duì)應(yīng)的 ；變壓器的短路電壓百分比，101000KVA的變壓器，對(duì)應(yīng)的 ；ICUC當(dāng)R正常工作時(shí)電流、電壓的有效值；以上的R、C數(shù)值針對(duì)單相電路，對(duì)于三相電路，R、C的數(shù)值按下表計(jì)算:變壓器接法單相三相、二次側(cè)Y接三相、二次側(cè)接阻容裝置接法與變壓器二次側(cè)并聯(lián)Y接接Y 接接電容CCC3CC電阻RR3RRR取，而S=13.14KVA，所以：電容的計(jì)算：，取250V，取47 故可選擇電容為47，耐壓為250V的紙介電容，型號(hào)為：CZJJ。電阻值的計(jì)算：，取R=3RC支路電流IC近似為：則電阻R的功率為：，取250W可選3、250

34、W電阻。4.3.1.2直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)當(dāng)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷時(shí)，因直流側(cè)電抗器釋放儲(chǔ)能，會(huì)在整流器直流輸出端造成過(guò)電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能也產(chǎn)生過(guò)電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過(guò)電壓，仍會(huì)通過(guò)導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來(lái)，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)，用于抑制過(guò)電壓。 直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同的辦法，即阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成加大，因此，一般采用壓敏電阻做過(guò)電壓保護(hù)。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算：,為正常工作時(shí)加在壓敏電阻兩端的直流電壓。保護(hù)措施如圖3所

35、示： 圖3直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)，取330V通常作為中小功率整流器操作過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KA。故可選用的壓敏電阻作直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)。4.3.1.3晶閘管兩端的過(guò)電壓保護(hù)晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)主要是抑制換相過(guò)電壓。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過(guò)相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過(guò)恢復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生過(guò)電壓，即換相過(guò)電壓。為使元件免受換相過(guò)電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。抑制晶閘管的關(guān)斷過(guò)電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路的方法,如圖4 圖4 晶閘管兩端阻容保護(hù)電路與晶閘管并聯(lián)的阻容經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

36、晶閘管額定電流(A)1020501002005001000電容(µF)0.10.150.20.250.512電阻()1008040201052此設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為50A,依據(jù)上面表格可以初步確定、電容耐壓: ,取250V。電阻功率：,取0.5W由此可以確定C4C9電容器選用 、250V的瓷片電容；R4R9電阻選用、0.5W的金屬膜電阻,型號(hào)為：RJ-0.5。 4.3.2、過(guò)電流保護(hù) 4.3.2.1交流側(cè)快速熔斷器的選擇 選擇快速熔斷器時(shí)主要考慮一下兩點(diǎn)：(1)快速熔斷器的額定電壓大與電路正常工作電壓的有效值；(2)快速熔斷器熔體的額定電流（有效電流）應(yīng)小于1.57(為被保護(hù)晶閘管的

37、通態(tài)平均電流),同時(shí)又應(yīng)大于運(yùn)行是晶閘管通過(guò)的電流有效值。此次設(shè)計(jì)采用快熔作為短路過(guò)電流保護(hù)的裝置，如圖5所示： 圖5過(guò)電流保護(hù)熔斷器的參數(shù)按照以下原則選取： 額定電壓：,為可控硅元件的電壓計(jì)算系數(shù)，取則：，取熔體額定電流：，取80A所以： 故交流側(cè)快速熔斷器F0F2選擇額定電壓250V，熔體額定電流50A，熔斷器額定電流為100A的RS0快速熔斷器。4.3.2.2元件端快速熔斷器的選擇由于整流橋內(nèi)部可能會(huì)因引起過(guò)流，所以在元件端串快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，快速熔斷器的保護(hù)電路如圖6：圖6 元件端快速熔斷器保護(hù)電路由于,為了減少元件的多樣性便于設(shè)計(jì)和安裝，本設(shè)計(jì)將元件端快速熔斷器FU1FU6的規(guī)格定

38、為額定電壓為250V，額定電流為50A型號(hào)為RS0系列快速熔斷器。4.3.2.3直流側(cè)快速熔斷器的選擇,取100A故直流側(cè)快速熔斷器FU7FU8選擇RS3額定電壓500V,熔體額定電流100A的快速熔斷器，所以整個(gè)保護(hù)電路如圖7: 圖7 晶閘管的保護(hù)電路 4.4、電抗器參數(shù)的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵芯電抗器，稱平波電抗器。4.4.1使輸出電流連續(xù)的臨界電感量 對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載的晶閘管可控整流電路，當(dāng)負(fù)載電流小到一定程度，會(huì)出現(xiàn)輸出電流斷續(xù)的現(xiàn)象，這將使直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性變軟。為了使輸出電流在最小負(fù)載電流 時(shí)仍能連續(xù)，所需的臨界電感量為： , 與整流電路形式有關(guān)，查表知=0.695