V-M双闭环不可逆直流调速系统设计报告(含电气原理图)

双闭环直流调速系统课程设计报告摘要：本设计是一个双闭环不可逆直流调速系统，采用了晶闸管---直流调速装置来调节直流电动机的转速。

采用晶闸管的好处是能使该直流电动机进行连续平滑的调速，且具有较宽地转速调速范围（D≥10）。

此装置有可靠的过电压过电流保护措施，该调速装置在5%负载以上变化的运行范围内工作时，晶闸管的输出电流连续，并且具有良好的静特性与动态性能。

关键词：双闭环晶闸管转速调节器电流调节器第1章主电路各器件的选择和计算1．1 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，1U为一次侧电压,I为一次侧电流, 2S为变压器二次侧的容量，2U为二次侧电压，1I为二次侧的电流，1m、2m为相数，以下就是各量的推导和计算过程。

2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U只能在一个较小的范围内变化，2为此必须精确计算整流变压器次级电压U。

2影响2U 值的因素有：(1)2U 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的max d I 。

(2)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T V 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。

(5)电枢电阻的压降。

综合以上因素得到的2U 精确表达式为：max 2max [1(1)]%[]100d N a T d d K d I U r nU I U I CU A B I ε+-+=-⋅ （4-1）式中 20U U A d =表示当控制角00α=时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；d d U U B α=表示控制角为α时和00α=时整流电压平均值之比； C 是与整流主电路形式有关的系数；%K U 为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取5%=K U ，100～1000千伏安的变压器取%510K U =~；ε为电网电压波动系数。

通常取0.9 1.05~,供电质量较差，电压波动较大的情况ε应取较小值；NN a U R I r ∑= 表示电动机电枢电路总电阻∑R 的标么值，对容量为15~KW 150的电动机，通常0.040.08a r =~。

T nU 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。

max d I -- 负载电流最大值；max d dN I I λ=所以max d dNI I λ=,λ表示允许过载倍数。

对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得2U 应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角α应取300为宜。

9.0=ε，34.2=A ，2330cos cos ===O B α，5.0=C ,5%=K U ，（其中A 、B 、C 可以查表4.1中三相全控桥）表4.1 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02/d A U U = 0.9 0.9 0.9 1.17 2.34 2.341.17 0/d d B U U α= cos α 1cos 2α+ cos α cos α 1cos 2α+ cos α cos α C 0.707 0.707 0.707 0.8660.5 0.5 0.5 22/I d K I I = 0.7071 1 0.578 0.816 0.816 0.289 50 1.550.369210N a N I R r U ∑⨯=== （4-2）以下为计算过程和结果：m a x 2m a x [1(1)]%[]100d N a T d d K d I U r nU I U I CU A B I ε+-+=-⋅210[10.369(1.51)]21144.4330.552.34(0.91.5)2100V ⨯+⨯-+⨯==⨯⨯⨯-⨯ （4-3）这里可以取2150U V =。

实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。

根据主电路的不同的接线方式，由表4.1查得220.816I d K I I ==即得出二次侧电流的有效值d I I K I ⋅=22λ,从而求的、出变压器二次侧容量2222S m U I =。

而一次相电流有效值)//(2121U U I I =，所以一次侧容量2222I U m S =。

一次相电压有效值1U 取决于电网电压。

所以变流变压器的平均容量为121()2S S S =+。

2I K 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。

对于本设计2I K 取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故A I K I N I 2.6150816.05.122=⨯⨯=⋅=λ（4-4）根据整流变压器的特性，即222111I U m I U m = m 取3，所以2211I U I U =，所以整流变压器的容量为：1211122222211()()22S S S mU I m U I m U I =+=+= （4-5）KVA I U m S 54.272.611503111=⨯⨯== （4-6） 设计时留取一定的裕量，可以取容量为A KV ⋅30整流变压器。

1．2 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TM U 和额定电流)(AV T I首先确定晶闸管额定电压TM U ，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压RM U ，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则计算公式：RM TM U U )3~2(=（4-7）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226 2.45RM U U U ==，故计算的晶闸管额定电压为 2(23)6(23) 2.4515067351102TM U U V V =~⨯=~⨯⨯=~（4-8）取800V 。

再确定晶闸管额定电流)(AV T I ，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1.5～2倍。

A I I N d 75505.1max =⨯==λ（4-9）A I I d VT 30.433/1max ==（4-10）由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： 16.55~37.4157.1)2~5.1()(==VT AV T I I （4-11）可以取额定电流为50A 。

本设计选用晶闸管的型号为KP （3CT ）-50A额定电压： VDRM 800V 额定电流： IT(AV) 50A 门极触发电压：VGT ≤3.5 V 门极触发电流：IGT ≤300 mA1．3 电抗器设计直流侧电抗器的选择直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续,提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。

直流侧电抗器的主要作用为了限制直流电流脉动；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。

（1）用于限制输出电流的脉动的临界电感m L （单位为mH ） 32102u m d i NS U L f S I π=⨯ （4-12）式中i S -----电流脉动系数，取5%~20%；u S -----电压脉动系数，三相全控桥0.46u S =；d f -----输出电流的基波频率，单位为Z H ，对于三相全控桥300d Z f H =。

即3320.4615010107.3222 3.1430010%50u m d i N S U L mH f S I π⨯=⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯ （4-13） （2）用于保证输出电流连续的临界电感L （单位为mH ） 12minl K U L I =（4-14）式中，min I -----为要求的最小负载电流平均值，单位为A ，本设计中min 5%N I I =；I K -----为计算系数，三相全控桥0.693I K =。

即12min 0.69315041.580.0550l d K U L mH I ⨯===⨯ （4-15） （3）直流电动机的漏电感L α（单位为mH ） 3102D N a p w NK U L n n I =⨯ （4-16）式中，K D ---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K D =8～12，对于快速无补偿绕组电动机K D =6～8，对于有补偿绕组电动机K D =5～6，其余系数均为电动机额定值。

n p ----极对数，取n p =2。

即 3310210101011.6622290050D N a p w N K U L mH n n I ⨯=⨯=⨯=⨯⨯⨯ （4-17）（4）折合到交流侧的漏电抗L B （单位为mH ）L B =N K B I U U K 100%2（4-18）式中，k U %-----变压器短路比，一般取为5%；B K ------为计算系数，三相全控桥 3.9B K =。

即2%3.9150.5810010B K B N K U U L mH I ⨯⨯===⨯ （4-19）（5）实际要接入的平波电抗器电感K Lmax(,)241.5811.6620.58528.75K m l a B L L L L L mH =--=--⨯= （4-20）可取30K L mH =（6）电枢回路总电感 23020.58511.6642.83K B L L L L mH α∑=+⨯+=+⨯+= （4-21）1．4 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。

1．4．1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．交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA 以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。