1、摘要傳統直流電動機的整流裝置采用晶閘管。本課題所涉及的調速方案本質上是改變電樞電壓調速。該調速方法可以實現大范圍平滑調速，是目前直流調速系統采用的主要調速方案。采用轉速調節器ASR，電流調節器ACR。但電機的開環運行性能（靜差率和調速范圍）遠遠不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉速閉環系統是減小或消除靜態轉速降落的有效途徑。轉速反饋閉環是調速系統的基本反饋形式?？梢獙崿F高精度和高動態性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉矩成正比關系，而轉矩又與電動機的電流成正比。因而同時對速度和電流進行控制，成為實現高動態性能電機控制系統所必

2、須完成的工作。因而也就有了轉速、電流雙閉環的控制結構。同時加入觸發電路，并通過對各模塊的保護，使系統能夠持久穩定運行。關鍵字：晶閘管 ASR ACR 雙閉環 觸發 保護模塊第1章 調速方案的總體選擇及論證以下介紹在直流調速系統中比較常用的開環控制、轉速負反饋控制、轉速、電流雙閉環控制等控制方法。1.1直流調速的一般原理理想化直流電動機，直流電動機轉速方程可表示為：式中n轉速（r/min） U電樞電壓（V） I電樞電流（A） R電樞回路總電阻（） 勵磁磁通（Wb）由電機結構決定的電動勢常數在上式中，是常數，電流I是由負載決定的，因此調節電動機的轉速可以有三種方法：調節電樞供電電壓；減弱勵磁磁通；

3、改變電樞回路電阻。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好，改變電阻只能實現有級調速，減弱磁通雖然能夠平滑調速，但是調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速以上小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統往往以變壓調速為主。1.2 開環直流調速系統圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。晶閘管電動機調速系統(VM系統)原理圖其整流原理為三相橋式全控整流，通過改變觸發角從而改變整流電壓以進行調速，基本原理見下圖所示。 三相橋式全控整流電路開環直流調速系統控制電路簡單，有利于在實驗室實

4、現，并且能實現一定范圍內的無級調速，如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環調速系統是可以滿住要求的。然而，開環直流調速系統沒有控制結果的反饋，控制精度不高，在需要調速的生產機械對靜差率有一定的要求的場合往往不能滿住要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負載大小常有波動，但是為了保證工件的加工精度和加工后的表面潔凈度，加工過程中的速度卻必須基本穩定，也就是說，靜差率不能太大，這時就不能使用開環直流調速系統了。1.3閉環直流調速系統：方案一：轉速負反饋直流調速系統為了提高直流調速系統的動靜態性能指標，通常采用閉環控制系統(包括單閉環系統和多閉環系統)。對調速指標要求不高的

5、場合，采用單閉環系統，而對調速指標較高的則采用多閉環系統。按反饋的方式不同可分為轉速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環系統中，轉速單閉環使用較多。轉速單閉環系統原理圖和轉速單閉環系統結構框圖如圖所示。 轉速單閉環系統原理圖轉速單閉環系統結構框圖可見轉速單閉環系統實際上是開環直流調速系統的“閉環化”。轉速單閉環系統將反映轉速變化的電壓信號作為反饋信號，經檢測轉化與給定信號相比較并經放大后，得到移相控制電壓，用作控制整流橋的“觸發電路”，觸發脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構成了速度負反饋閉環系統。電機的轉速隨給定電壓變化，電機最高轉速由速度調節器的

6、輸出限幅所決定，速度調節器采用P調節對階躍輸入有穩態誤差，要想消除上述誤差，則需將調節器換成PI(比例積分)調節。這時當“給定”恒定時，閉環系統對速度變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的轉速能穩定在一定的范圍內變化。與開環系統相比，轉速單閉環直流調速系統性能更為穩定。轉速負反饋閉環直流調速系統的靜特性方程式： 式中：Kp放大器的電壓放大系數 Ks電力電子變換器的電壓放大系數轉速反饋系數 U1給定電壓 設 閉環系統的轉速降：閉環系統的靜差率：調速范圍： 可見經過適當調節Kp、Ks，可以使系統的特性更硬，調速范圍更寬。方案二： 雙閉環直流調速系統通過轉速、電流雙閉環來控制電流和轉

7、矩的雙閉環控制直流調速系統。在單閉環直流調速系統中，電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環直流調速系統起動電流和轉速波形如圖所示。 單閉環直流調速系統起動電流和轉速波形圖起動電流突破以后，受電流負反饋的作用，電流只能再升高一點，經過某一最大值后，就降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。為此，在電機最大允許電流和轉矩受限制的條件下，應該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流轉矩為允許的最大值，使電力拖動系統以最大的加速度起動，到達穩態轉速

8、時，立即讓電流降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行，這樣的理想起動過程波形示如圖所示。系統理想起動過程波形這時，起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流轉矩受限制時調速系統所能獲得的最快的起動過程。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級)聯接，如圖所示所示。 轉速、電流雙閉環直流調速系統ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構

9、上看，電流環在里面，稱作內環;轉速環在外邊，稱作外環，這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。以下分別對雙閉環調速系統的靜態特性、動態特性以及抗擾性能進行分析，為分析靜特性我們參考如下的系統穩態結構框圖如圖所示。雙閉環調速系統的穩態結構圖 在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況，（1）轉速調節器不飽和：CA段靜特性從理想空載狀態的=0一直延續到。這就是靜特性的運行段；（2）轉速調節器ASR飽和：這時ASR輸出達到限幅值，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單閉環調節系統，其靜特性如下圖所示。單閉

10、環調節系統靜特性圖為分析動態特性以及抗擾性能參考雙閉環直流調速系統的動態結構圖如圖所示。 雙閉環直流調速系統的動態結構框圖雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線性控制 根據ASR的飽和與不飽和，整個系統處于完全不同的兩種狀態：當ASR飽和時，轉速環開環，系統表現為恒值電流調節的單閉環系統；當ASR不飽和時，轉速環閉環，整個系統是一個無靜差調速系統，而電流內環表現為電流隨動系統。（2）轉速超調 由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節階段后，必須使轉速超調， ASR 的輸入偏差電壓 Un為負值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調節器的雙閉環調速系統的轉速響

11、應必然有超調。（3）準時間最優控制 起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機允許的最大電流，以便充分發揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準時間最優控制。對于調速系統，最重要的動態性能是抗擾性能，主要是負載擾動和抗電網電壓擾動的性能。對于負載擾動，由動態結構圖中可以看出，負載擾動作用在電流環之后，因此只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。對于電網電壓擾動，雙閉環系統中，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的

12、調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。由以上分析可以得出，要使該系統具有良好的動態性能和靜態特性，雙閉環直流調速系統是最佳選擇。1.4系統總回路方案的確定系統方案選擇的原則是在滿足生產機械工藝要求確保產品質量的前提下，力求投資少、效益高和操作方便。1.4.1 拖動方案的確定由于直流拖動具有良好的起、制動性能，宜于在寬范圍內實現平滑調速，能很好地滿足可逆冷軋機生產工藝對電氣控制系統提出的要求，所以選擇直流電動機作為執行機構是完全適合的。1.4.2 供電方案的確定由晶閘管變流裝置供電的直流調速系統，不僅在經濟性和可靠性上都比較理想，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。晶閘管

13、裝置也有缺點，由于晶閘管的單向導電性，不允許電流反向，給系統的可逆運行造成空難；元件對過電壓、過電流都十分敏感，必須采用可靠的保護裝置；低速運行時系統功率因數低。故本系統采用晶閘管變流裝置給直流電動機供電的方案。1.4.3 調速方案的選擇調節點數供電電壓的調速方式，一般情況下能達到的調速范圍為48；改變電阻只能是有級的，且電阻本身消耗電能；減弱磁通調速，調速范圍小，往往只能配合調壓方式，在基速以上做小范圍調速。所以系統采用調壓調速方式為主，弱磁調速為輔。1.4.4 整流電路型式的確定三相全控整流電路相當于六相整流，所用整流元件數量為三相半波的兩倍，總的投資比三相半波多，但是，這種整流電路的電壓

14、脈動比三相半波整流少一半，變壓器不存在直流磁化現象，利用率高，整流電路的失控時間只是三相半波的一半，可提高系統響應的快速性，與三相半波電路相比，晶閘管承受的正反向壓降較低，所以在中等以上容量的整流裝置中得到了廣泛的應有，本系統采用三相橋式整流電路是合理的。第2章系統各單元模塊電路設計2.1 轉速給定電路轉速給定電路主要由滑動變阻器構成，調節滑動變阻器即可獲得相應大小的給定信號。轉速給定電路可以產生幅值可調和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調節的給定電壓。其電路原理圖如圖所示。 電壓給定原理圖電壓給定由兩個電位器RP1、RP2及兩個鈕子開關S1、S2組成。S1為正、負極性切換開關，輸出的正、負電壓

15、的大小分別由RP1、RP2來調節，其輸出電壓范圍為0士l5V，S2為輸出控制開關，打到“運行”側，允許電壓輸出，打到“停止”側，則輸出為零。2.2 速度調節器考慮到ASR的生產工藝要求系統隊階躍信號無靜差,將ASR設計成PI調節器。圖為ASR的主體結構圖轉速給定電壓和轉速反饋電壓經濾波后通過由放大器構成的PI調節器后生成電流給定電壓輸出給電流調節器。如下圖所示： ASR的主體結構圖速度調節器由運算放大器、輸入與反饋環節及二極管限幅環節組成，對給定和反饋兩個輸入量進行加法、減法、比例、積分和微分等運算。其原理如圖所示。速度調節器在圖中“1、2、3”端為信號輸入端，二極管VD1和VD2起運放輸入限

16、幅，保護運放的作用。二極管、和電位器、組成正負限幅可調的限幅電路。由、組成微分反饋校正環節，有助于抑制振蕩，減少超調。、組成速度環串聯校正環節。改變R7的阻值改變了系統的放大倍數，改變的電容值改變了系統的響應時間。為調零電位器。2.3 電流調節器 考慮到ACR的生產工藝要求系統主回路電流超調量小,將ACR設計成PI調節器。電流調節器的主體結構圖和實際圖如圖所示。 ACR主體結構圖電流調節器由運算放大器、限幅電路、互補輸出、輸入阻抗網絡及反饋阻抗網絡等環節組成，工作原理基本上與速度調節器相同，其原理圖如圖所示。電流調節器電流調節器與速度調節器相比，增加了幾個輸入端，其中“3”端接推信號，當主電路

17、輸出過流時，電流反饋與過流保護的“3”端輸出一個推信號（高電平）信號，擊穿穩壓管，正電壓信號輸入運放的反向輸入端，使調節器的輸出電壓下降，使角向180度方向移動，使晶閘管從整流區移至逆變區，降低輸出電壓，保護主電路?！?、7”端接邏輯控制器的相應輸出端，當有高電平輸入時，擊穿穩壓管，三極管V4、V5導通，將相應的輸入信號對地短接。在邏輯無環流實驗中“4、6”端同為輸入端，其輸入的值正好相反，如果兩路輸入都有效的話，兩個值正好抵消為零，這時就需要通過“5、7”端的電壓輸入來控制。在同一時刻，只有一路信號輸入起作用，另一路信號接地不起作用。2.4 晶閘管電路設計2.4.1 晶閘管整流電路整流電路如

18、圖所示，在整流電路中主要是晶閘管的保護問題，晶閘管主要保護：過電壓保護和過電流保護。 整流電路及晶閘管保護電路2.4.2 晶閘管觸發電路三相移相觸發器由三片集成電路芯片KJ004(或KC04)等組成，通過KJ041而形成六路雙窄脈沖，經脈沖放大和脈沖門MT，去觸發三相全控橋晶閘管。三相移相觸發器有兩路輸入信號，一路是三相交流同步電源，以保證主電路的交流電壓和觸發脈沖保持同步，去正確觸發各相晶閘管。另一路是脈沖移動的控制信號，用它來控制觸發器脈沖發出的時刻，從而達到控制晶閘管觸發角的目的，其圖如圖所示。 觸發器單元電路圖2.4.3脈沖變壓器的設計本方案的雙脈沖電路是采用性能價格比優越的、每個觸發

19、單元的一個周期內輸出兩個相隔60的脈沖的電路。如圖5.4中兩個晶閘管構成一個“或”門。當V5 、V6都導通時，uc5 約為-15V，使截止，沒有脈沖輸出，但只要中有V5、V6中一個截止就使得變為正電壓，使得V7 、V8導通就有脈沖輸出。所以只要用適當的信號來控制的V5或V6截止（前后間隔60），就可以產生符合要求的雙脈沖了。其中VD4和R17的作用，主要是防止雙窄脈沖信號相互干擾。此觸發脈沖環節的接線方式為：以VT1器件的觸發單元而言，圖5.4電路中的Y端應該接VT2器件觸發單元的X端，因為VT2器件的第一個脈沖比VT1器件的第一個脈沖滯后60。所以當VT2觸發單元的V4由截止變導通時，本身輸

20、出一個脈沖，同時使VT1器件觸發單元V6的管截止，給VT1器件補送一個脈沖。同理，VT1器件觸發單元的X端應接VT6器件觸發單元的Y端。依次類推，可以確定六個器件相應觸發單元電路的雙脈沖環節間的相互接線。2.4.4 同步電路設計圖4.2 同步變壓器的聯接觸發電路需要三個互差120，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯成D/Y型。同步電壓二次側取147.45V，一次側直接與電網連接，電壓為380V,變壓比為380/147.45=2.58。同步變壓器的原理圖如圖2.4.5 晶閘管保護電路為了保護設備安全，必須設置保

21、護電路，保護電路包括過電壓與過電流保護，大致可以分為兩種情況：一種是在適當的地方安裝保護器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發控制系統使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態，從而抑制過電壓或過電流的數值。本例中設計的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護方案，分別對晶閘管、交流側、直流側進行保護設電路的設計。1.晶閘管的保護電路（1）晶閘管的過電流保護 過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護措施，對于整流橋內部原因引起的過流可以采用接入快速熔短器進行保護。如

22、圖所示。 串聯電感及熔斷器抑制回路（2） 晶閘管的過電壓保護 晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制，晶閘管元件在反向阻斷能力恢復前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流，當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過恢復電流的電感會因高電流變化率產生過電壓，即換相過電壓，為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯RC電路。如圖所示。 并聯RC電路阻容吸收回路2 .交流側保護電路晶閘管設備在運行過程中會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現，所以要進行過電壓保護，可采用如圖所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護電路。整

23、流電路正常工作時，保護三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護元件的發熱，過電壓出現時，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉換為電場能量；過電壓消失后，電容經充、放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復到正常值。3 .直流側阻容保護電路直流側也可能發生過電壓，在圖中，當快速熔斷器熔斷或直流快速開關切斷時，因直流側電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓，另外，由于直流側快速開關（或熔斷器）切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能也產生過電壓，盡管交流側保護裝置能適當地保護這種過電壓，仍會通過導通的晶閘管反饋到直流側來，為此，直流側也應

24、該設置過電壓保護，用于抑制過電壓。直流側阻容保護第3章 系統主回路參數計算和保護系統主回路參數計算包括整流變壓器、晶閘管元件、電抗器和各種保護裝置的計算與選擇。31 變流變壓器容量的計算和選擇在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網與晶閘管裝置的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常要配用整流變壓器，這里選項用的變壓器的一次側繞組采用聯接，二次側繞組采用Y聯接。為整流變壓器的總容量，為變壓器一次側的容量，為一次側電壓, 為一次側電流, 為變壓器二次側的容量，為二次側電壓，為二次側的電流，、為相數，以下就是各量的推導和計算過程。為了保證負載能正常工作，

25、當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降。(5)電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的精確表達式為： 式中 表示當控制角時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比；表示控制角為時和時整流電壓平均值之比；C是與整流主電路形式有關的系數；為變壓器的短路電壓百分比，1

26、00千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器?。粸殡娋W電壓波動系數。通常取,供電質量較差，電壓波動較大的情況應取較小值； 表示電動機電樞電路總電阻的標么值，對容量為的電動機，通常。表示主電路中電流經過幾個串聯晶閘管的管壓降。- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數。對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下運轉,計算所得應有一定的裕量,根據經驗所知,公式中的控制角應取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表中三相全控橋） 以下為計算過程和結果：= 整流變壓器副極電流的計算：三相全控橋式整流電路整流變壓器的副極電流與整流電流之間的關系為,式中取為電動機額定電流。整流變壓器容量的計

27、算：整流變壓器的副級功率為三相全控橋式整流電路變壓器原級功率與副級功率相等，故原級功率因此，整流變壓器容量為整流變壓器數據：相數 三相接線 /Y容量 50KVA原級電壓 380V原級電流 387A副極電壓 147.45V副極電流 110.976A3.2晶閘管組件的計算與選擇：正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 和額定電流首先確定晶閘管額定電壓，晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓，考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數，則計算公式：對于本設計采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序導

28、通，在阻感負載中晶閘管承受的最大電壓， 故計算的晶閘管額定電壓為取。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結果的1.52倍。 由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為：可以取額定電流為200A。本設計選用晶閘管的型號為KK-200-83.3電抗器設計直流側電抗器的選擇直流側串接一個只有空氣隙的鐵心平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續,提高整流裝置對負載供電的性能及運行的安全可靠性。直流側電抗器的主要作用為了限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續；在有環流可逆系統中限制環流；限制直流側短路電流上升率。（1）用于限制輸出電流的脈動的臨

29、界電感（單位為mH） 式中-電流脈動系數，??；-電壓脈動系數，三相全控橋；-輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋。即 （2）用于保證輸出電流連續的臨界電感（單位為mH） 式中，-為要求的最小負載電流平均值，單位為，本設計中； -為計算系數，三相全控橋。 （3）直流電動機的電樞電感（單位為mH） 式中，K-計算系數，對于一般無補償繞組電動機K=812，對于快速無補償繞組電動機K=68，對于有補償繞組電動機K=56，其余系數均為電動機額定值。n-極對數，取n=2。即 （4）折合到交流側的漏電抗L（單位為mH）L= 式中，%-變壓器短路比，一般取為； -為計算系數，三相全控橋。 即 （5）實際

30、要接入的平波電抗器電感平波電抗器選型： （6）電樞回路總電感 3.4交流側過電壓保護壓敏電阻采用由金屬氧化物（如氧化鋅、氧化鉍）燒結制成的非線性壓敏元件作為過電壓保護，其主要優點在于：壓敏電阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作時只有很微弱的電流（1mA以下）通過元件，而一旦出現過電壓時電壓，壓敏電阻可通過高達數千安的放電電流，將電壓抑制在允許的范圍內，并具有損耗低，體積小，對過電壓反映快等優點。因此，是一種較好的過電壓保護元件。 本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯結，在變壓器交流側，采用壓敏電阻的保護回路，如下圖所示。 二次側過電壓壓敏電阻保護（1）壓敏電阻的額定電壓選擇

31、可按下式： 式中，-壓敏電阻的額定電壓，VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等；-變壓器二次側的線電壓有效值，對于星形接法的線電壓等于相電壓，。 （2）計算壓敏電阻泄放電流初值，即三相變壓器時： 式中，-能量轉換系數，； -三相變壓器空載線電流有效值， 。 （3）計算壓敏電阻的最大電壓的公式為 式中，-壓敏元件特性系數； -壓敏元件非線性系數。一般 在2025之間，在取時，。 因此，壓敏電阻額定電壓取760V型壓敏電阻。3.5直流側過電壓保護1.直流側的過電壓是由于快速熔斷器熔斷時整流變壓器儲能釋放和平波電抗器儲能釋放引起的。當快速熔斷過載電流時，由整

32、流變壓器儲能釋放所產生的過電壓，雖然交流側吸收裝置可抑制一部分，但變壓器過載比空載的儲能大，因此還會有一部分能量通過導通的可控硅反應到直流側來。一般大中容量的可控硅整流裝置均采用阻容吸收裝置保護。 ； 三相橋式整流 ,則 取電容器耐壓值 取的額定功率式中為諧波電壓，近似等于q次諧波電壓分量，對于三相橋式整流電路q=6,查手冊得： -諧波頻率，q=6時，=300 選電容為10，耐壓值為630V電容一支電阻6,1W一支2.晶閘管的過電壓保護晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態重復峰值值電壓一定值時，就會誤導通，引發電路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。

33、因此，必須研究過電壓的產生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產生的原因主要是供給的電壓功率或系統的儲能發生了激烈的變化，使得系統來不及轉換，或者系統中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設計采用如右圖阻容吸收回路來抑制過電壓。通過經驗公式 阻容吸收回路得： 由于一個周期晶閘管充放電各一次，因此 功率選擇留56倍裕量 因此，電阻R選擇 阻值為,功率選擇3W的電阻。電容C選擇 容量為的電容。3.6過電流保護設計過電流保護措施有下面幾種，可以根據需要選擇其中一種或數種。（1）在交流進線中串接電抗器或采用漏抗較大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。（2）在交流側設置電流檢測裝置，利用過電壓信號去

34、控制觸發器，使脈沖快速后移或對脈沖進行封鎖。（3）交流側經電流互感器接入過電流繼電器或直流側接入過電流繼電器，可以在發生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設備以及經常逆變的情況，可以用直流快速開關進行過載或短路保護。直流開關的應根據下列條件選擇： 快速開關的額定電流額定整流電流。 快速開關的額定電壓額定整流電壓。 快速開關的分斷能力直流側外部短路時穩態短路電流平均電流平均值?？焖匍_關的動作電流按電動機最大過載電流整定 式中，K為電動機最大過載倍數，一般不大于2.7；為直流電動機的額定電流。（5） 快速熔斷器它可以安裝在交流側或直流側，在直流側與元件直接串聯。在選擇時應注意以

35、下問題： 快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計算 1三相交流電路的一次側過電流保護在本設計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側過電流保護，保護原理圖如下：一次側過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。本課題設計中變壓器的一次側的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應大于或等于電路的工作電流。 本課題設計中變壓器的一次側的電流 熔斷器額定電流 按本課題的設計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選60A。2晶閘

36、管過電流保護晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。由于半導體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發，使得結溫迅速升高，最終將導致結層被燒壞。晶閘管過電流保護方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質熔絲埋于石英砂內，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。如右圖4.5快速熔斷器保護根據快速熔斷器的要求熔斷器的額定電壓 熔斷器的額定電流 因此，按本課題的設計要求，用于晶閘管過電流保護的快速熔斷器的額定電壓可選擇350V 150A 晶閘管過電流保護第4章 雙閉環直流調速系統的動態

37、設計4.1 靜特性分析靜態結構圖如下圖所示，系統設計為典型的電流速度雙閉環系統。 靜態結構圖4.2 系統動態結構參數設計晶閘管直流調速系統的工程設計，就是以系統要求的具體靜、動態性能指標為依據。人系統的控制對象為他勵直流電動機，它的動態特性為一階慣性環節加積分環節。整個系統是以電流環為閉環，轉速閉環為外環的雙閉環調速系統，系統動態結構圖，忽略反電動勢影響，如圖所示：系統動態結構圖4.2.1 電流調節器的設計一、 確定時間常數 (1) 整流裝置滯后時間常數。按課本表2-2，三相橋式電路的平均失控時間.(2) 電流濾波時間常數。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）

38、,因此，取 （3）電流環小時間常數近似處理，取=+（4）電磁時間常數 (5) 機電時間常數 (6)電流反饋系數 二 電流閉環的近似處理及ACR結構的選擇電流環的控制對象由電樞回路形成的大慣性環節與晶閘管觸發變流裝置、電流檢測及反饋濾波等小慣性群組成，由于實際系統電樞回路電池時間常數遠小于機電時間常數，電流的調節過程比較快，而轉速的變化過程即反電動勢的變化較小，因而在設計電流環時，可以忽略反電動勢變化的影響。此時，電流環的結構圖可近似為小慣性環節近似處理時電流的動態結構框圖在一般情況下，系統的電磁時間常數TL遠小于機電時間常數Tm，因此，轉速的裱花往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一

39、個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環的近似結構框圖，如圖所示。 忽略反電動勢的動態影響時電流環的動態結構框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成，則電流環便等效成單位負反饋系統，如圖所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數取值相同的方便之處。 等效成單位負反饋系統時電流環的動態結構框圖最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以當作小慣性群而近似看作是一個慣性環節,則電流環結構框圖最終簡化成圖。 小慣性環節近似處理時

40、電流的動態結構框圖電流調節器電流環控制對象是雙慣性型的，并考慮將電流環校正成型系統，故可用PI型電流調節器，其傳遞函數是: 。 電流調機器的比例系數 電流調節器的超前時間系數且應取三.計算電流調節ACR器參數 電流調節器超前時間常數：=0.03s. 電流環開環增益：要求時，按表3-1，應取，因此 于是，ACR的比例系數為 四、校驗近似條件 電流環截止頻率： (1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件（2）校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 43.27 滿足近似條件（3）校驗電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件（5）計算調節器電阻和電容 電流調節器原理圖所示，按所用運

41、算放大器取=40K,各電阻和電容值計算如下： 取 取 取按照上面參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為 滿足設計要求 電流調節器結構圖4.2.2 轉速調節器的設計（1） 轉速環的近似處理及ASR結構的選擇電流環是轉速環的內環，在設計轉速調節器時，首先須對已設計好的電流環作進一步簡化處理，使電流環成為轉速環的一個簡單環節，以便按典型系統設計轉速環。用電流環的等效環節代替電流環后，整個轉速控制系統的動態結構圖便如圖所示。用等效環節代替電流環后轉速環的動態結構框圖把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成 U*n(s)，再把時間常數為 1 / KI 和 T0n 的兩個小慣性環節合并起

42、來，近似成一個時間常數為的慣性環節，則轉速環結構框圖可化簡成圖.等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理后轉速換的動態結構框圖（1） 轉速反饋系數=0.007Vmin/r（2） 確定時間常數1） 電流環等效時間常數。由上知，取，則=2=20.0037s=0.0074s2） 轉速濾波時間常數。根據所用測速發電機紋波情況，取=0.01s。3） 轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取=0.0074s+0.01s=0.0174s（3） 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為 （4） 計算轉速調節器參數： 按跟隨和抗饒性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為 =h=5

43、0.0174s=0.087s轉速開環增益于是可得ASR的比例系數為 （5） 檢驗近似條件轉速環截止頻率為1） 電流環傳遞函數簡化條件 滿足簡化條件2） 轉速小時間常數近似處理條件 滿足近似條件（6）計算調節器電阻和電容 轉速調節器其中取，則 取470 取0.2 取1（7）校驗轉速超調量 當h=5時，查表可得，不能滿足設計要求。實際上，計算是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。（8）退飽和超調量計算方法 設理想空載起動時z=0，當h=5時，查表得，代入下式，可得 能滿足設計要求ASR第5章 勵磁回路的設計5.1 原理和結構

44、在他勵直流電動機調速中, 基速以下調速通常采用變電壓方法, 我們熟悉的轉速、電流雙環控制直流調速, 其動靜態性能好、應用廣泛。基速以上采用降低勵磁電流的弱磁調速的方法。為了適應負載調速大范圍的要求, 我們可以采用變壓和弱磁配合控制的方法,即在電流單閉環調速系統的基礎上, 加載一套弱磁控制系統。調速與弱磁的給定裝置不完全獨立, 有一定的相互關聯。在基速以下和額定勵磁的條件下調節電壓調速; 在基速以上和額定電壓下調節勵磁調速。獨立控制勵磁直流調速系統原理結構圖。RP1 - 調速電位器;AFR- 勵磁電流調節器;ASR- 轉速調節器;ACR- 電流調節器; UPE-電力電子變換器;TAFC- 勵磁電

45、流互感器;GTFC- 調節觸發裝置; VFC-晶閘可控整流器。5.2控制器的設計勵磁控制系統和電流單閉環系統一樣,只有勵磁電流環。而勵磁電流調節器AFR 一般采用PI調節器, 可以按照工程設計法來設計AFR。我們選取的電動機參數如下: 額定電壓Un = 220V ；額定電流IdN=2.1A, 電樞電阻, 電樞電感La=0.0021H, 額定勵磁電壓220V, 額定勵磁電流1.5A (即勵磁電阻 )勵磁電感, 勵磁和電樞互感, 電機轉動慣量。5.2.1. 勵磁電流調節器的設計整流裝置滯后時間常數, 即三相橋式電路的平均失控時間, 電流濾波時間常數。電流環小時間常數之, 勵磁回路電磁時間常數, 勵

46、磁電流反饋系數。 (A) 勵磁電流環等效結構框圖 （B） 等效成單位負反饋系統 （C) 小慣性環節近似處理圖8.2. 勵磁電流環的動態結構框圖及其化簡根據實際的結構畫出等效框圖, 經(B)等效化簡, 最終由(C)可知, 勵磁電流環的控制對象是雙慣性型的, 可按典型I型系統設計, 采用PI型控制器。于是, 勵磁電流調節器的傳遞函數可以寫成: , 其中是調節器的比例系數, 是調節器的超前時間常數。為了讓調節器零點與控制對象中大時間常數極點對消, 于是取, 按超調量, 取, 所以開環增益, 由, 其中晶閘管裝置放大系數, 電樞回路總電阻, 得AFR 的比例系數為檢驗近似條件:勵磁電流環截止頻率。晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件:, 滿足近似條件。勵磁電流環小時間常數近似處理條件: , 亦滿足近似條件。所以 總結本次設計是某軋機主傳動直流電動機晶閘管調速系統設計，是對雙閉環直流電機調速系統的設計，通過幾個月的努力對該電路有了較為深入的研究，也進一步熟悉了雙閉環直流調速系統的結構形式、工作原理及各個器件的作用和設計。本次設計的主要工作是