双闭环直流调速系统课程设计

一、 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。

U1为一次侧电压, I1为一次侧电流, S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，

S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧的电流，m1、m2为相数，以

下就是各量的推导和计算过程。

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U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。 影响U2值的因素有：

(1)U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。

(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VT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U2精确表达式为：

??IUN?1?(rD?rP)dmax?rD??nUTId?? U2???UIA??B?Ckdmax?100Id??式中

??Idmax IdNra?rD?

INR??0.06759 UN??IUN?1?(rD?rP)dmax?rD??nUTId??U2??355.76V

??UIA??B?Ckdmax?100Id??KI2?I2?0.816 IdI2?KI2Id??KI2IN?123.3792A

S?11(S1?S2)?(m1u1I1?m2u2I2)?m2u2I2?133.25KVA 22 变流变压器的计算系数

带平衡电抗三相半波 三相半控桥 三相全控桥 器的双反星形 1.17 2.34 2.34 1.17 整流电路 单相双半波 0.9 单相半控桥 单相全控桥 0.9 A?Ud0/U2 0.9 B?Ud?/Ud0 cos? C 0.707 1?cos? cos? cos? 20.707 1 0.707 1 0.866 0.578 1?cos? 20.5 0.816 cos? 0.5 0.816 cos? 0.5 0.289 KI2?I2/Id 0.707 综上：选择变压器二次侧输出电压为：360V

SCB10－140KVA／380V／360V

S的意思表示此变压器为三相变压器，如果Ｓ换成Ｄ则表示此变压器为单相。

C的意思表示此变压器的绕组为树脂浇注成形固体。

B的意思是箔式绕组，如果是Ｒ则表示为缠绕式绕组，如果是Ｌ则表示为铝绕组，如果是Ｚ则表示为有载调压（铜不标）。

10的意示是设计序号，也叫技术序号。

140KVA则表示此台变压器的额定容量（140千伏安）。 380V的意思是一次额定电压，360V意思是二次额定电压。

二、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UTM 和额定电流IT(AV)

首先确定晶闸管额定电压UTM，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URM，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：

UTM?(2~3)URM

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:

URM?6U2?2.45U2

故计算的晶闸管额定电压为

1764 V——2646 V

取2000V。

再确定晶闸管额定电流IT(AV)，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。

Idmax??IN?2.1?72?151.2A

IVT?1/3Idmax?87.295A

由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：

IT(AV)?(1.5~2)可以取额定电流为100A。

IVT?83.40~111.20A 1.57本设计选用晶闸管的型号为KP100A/2000V

额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV) 100A 门极触发电压：VGT ?3.5 V 门极触发电流：IGT ?300 mA

三、直流侧电抗器设计

直流侧电抗器的选择

直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；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。 (一)限制输出电流脉动的电感量Lm（单位为mH）

Udm/U2?103U2 Lm?2?fdSiId式中Si-----电流脉动系数，取10%；

fd-----输出电流的基波频率，单位为HZ，对于三相全控桥fd?300HZ。 Si?IdM/Id Id?I2/KI2

Udm/U2?103U2Udm?103U2KI2即 Lm???3.465mH

2?fdSiId2?fdU2SiI2（二）输出电流保持连续的临界电感量L（单位为mH）

LL?KLU2/Idmin

式中，Idmin-----为要求连续的最小负载电流平均值，单位为A，本设计中Idmin?5%IN；

KL -----为计算系数，三相全控桥KL?0.693。

即 LL?KLU2/Idmin?69.3mH 取70mH

四、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。

（一）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 阻容吸收装置 接在变压器二次侧 （1） 单相电路

电阻电容串联后并联在绕组两端，其参数估算可以用下列公式

C?KeR?100Sb 2UNRfCf

UC?1.5U2

Pr?R(电阻R的额定功率应选择计算值Pr的2倍。

U22) Xe式中，Ke为系数，单相200V·A以下的电路Ke取700，单相200V·A以下的电路Ke取400；

Sb为整流变压器容量；UN为晶闸管的额定电压；Rf为等效负载电阻；Rf为

额定整流电压UN10?6; f为电源频率；U2为变压器二次侧电压；Xe为容抗，Xe?

额定整流电流IN2?fC 电容器应采用纸质金属膜电容器。 （2） 单相电路

常见的阻容吸收装置有；两种接法，即三角形和星形联接， 其参数 C?KeSb 2UNKe为系数,见下表；

电容器采用应采用纸质金属膜电容器，电阻值计算同单相。

不同联接时的Ke值

变压器的联接型式 Y/Y，初级中点不接地 Y/△，初级中点不接地 所有其他接法 电容器三角形联接Ke值 150 300 900 二次侧过电压保护：

电容器星形联接Ke值 450 900 2700 Ke=2700

C?KeRf?Sb?94.5uf 2UNUN INR?100RfCf?9.8?

IC?2?fCUC?10?6?16.96A

PR?(3?4)ICR?8.629?11.505W

电容取100uf，电阻取10?/10W。 晶闸管电压保护：

2C?(2.5?5)?10?3ITN

VC?(1.1?1.5)VTN

R?(1?3)LK CPR?fCV2m?10?6 VTN为晶闸管的额定电压

LK为变压器的漏抗

C?(2.5?5)?10?3ITN?0.25?0.5uf

VC?(1.1?1.5)VTN?2200?3000V

R?(1?3)LK?62.45?187.35? CPR?fCV2m?10?6?9.7W

电容取0.3uf，电阻取100?/10W。 （二）过电流保护设计

过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。

（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电流。

（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。

（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。

（4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： ① 快速开关的额定电流Il2d额定整流电流IN。 ② 快速开关的额定电压UKld≥额定整流电压UN。

③ 快速开关的分断能力Ifd2d直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值Id20。快速开关的动作电流Ig2d按电动机最大过载电流整定 Ig2d?KIN

式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；IN为直流电动机的额定电流。

（5） 快速熔断器

它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题： ① 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 ② 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。

③ 溶体的额定电流IKN可按下式计算 1.57ITa?IKN?IT 1、一次侧过电流保护设计

1.57ITa?IKN?IT

3U线I线?140KVA

I线?212.7A

取IKN?220A

熔断器的额定电压可选400V，额定电流选220A 2、晶闸管过电流保护设计

1.57ITa?IKN?IT

IT?100A

取IKN?120A

（三）压敏电阻的设计

U1mA?1.1UN?1.1?490?539V

因此，压敏电阻额定电压取550V型压敏电阻。

五、双闭环调速系统调节器的动态设计

本章主要设计转速调节器、电流调节器的结构选择和参数设计。通过软件来实现模拟电路的功能。先设计电流调节器，然后设计转速调节器。在设计过程的时候要注意设计完要校验。在设计转速调节器的时候，校核转速调节量，如果不满足设计要求时候，重新按照ASR退饱和的情况设计超调量。

电流调节器的设计

1. 确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。 （2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。

（3）电流环小时间常数之和T?i。按小时间常数近似处理，取T?i=Ts+Toi=0.0037s。 （4）电磁时间常数Tl的确定。由前述已求出电枢回路总电感。

Ll?KlU2/Idmin?69.3mH

Ll69.3?10?3则电磁时间常数 Ll???0.066S

R?1.052. 选择电流调节器的结构

根据设计要求?i?5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为

WACR(s)?Ki(?is?1)

?is式中 Ki------电流调节器的比例系数；

?i-------电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：Tl0.066??17.84,参照典型I型系统动态抗扰性能，T?i0.0037各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。

3. 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数：电流开环增益：要求

?i?Tl?0.03S

?i?5%时，取KIT?i?0.5，

KI?因此

0.50.5??135.1s?1T?i0.0037s

于是，ACR的比例系数为

Ki?KI?iR135.1?0.03?1.05??1.151 KS?56?0.066式中 电流反馈系数晶闸管专制放大系数4. 校验近似条件

??10V/?IN?KS?56。

10?0.0662.1?72；

?1电流环截止频率：?ci?KI?135.1s

（1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11??196.1s?1??ci 3Ts3?0.0017s满足近似条件。

（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3满足近似条件。

11?3s?1?28.47s?1??ci TmTl0.37?0.03（3） 电流环小时间常数近似处理条件

1111?s?1?180.8s?1??ci

3TsToi30.0017?0.002满足近似条件。 5. 计算调节器电阻和电容

由图6.1，按所用运算放大器取R0?40K?，各电阻和电容值为

Ri?KiR0?1.151?40K??46.04K?, 取46K?

Ci?Coi??iRi?0.03?6?0.65?10F?0.65uF，取0.65uF 346?104?oi4?0.002?6??0.17?10F?0.17uF，取0.2uF 3R046?10按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为?i?4.3%?5%，满足设计要求。

转速调节器的设计

1. 确定时间常数

（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，KIT?i?0.5，则

含滤波环节的PI型电流调节器

1?2T?i?2?0.0037s?0.0074s KI（2）转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s. （3）转速环小时间常数T?n。按小时间常数近似处理，取

T?n?1?Ton?0.0074s?0.01s?0.0174s KI2. 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为

WASR(s)?3. 计算转速调节器参数

Kn(?ns?1)?ns

按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为

?n=hT?n=5?0.0174s=0.087s

则转速环开环增益

KN?h?16?s?2?396.4s?2 22222hT?n2?5?0.0174可得ASR的比例系数为

Kn??h?1??CeTm2h?R?T?n?6?0.066?0.305?0.37?36.51

2?5?0.0067?1.05?0.0174式中 电动势常数，Ce?UN?INRa490?72?0.46??0.305V?min/r

nN1500转速反馈系数。??10V/nN?4.检验近似条件 转速截止频率为

10?0.0067V?min/r 1500?cn?KN?1?KN?n?396.4?0.087s?1?34.5s?1

（1）电流环传递函数简化条件为

1KI1135.1?1?s?63.7s?1??cn

3T?i30.0037满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。

5．计算调节器电阻和电容

根据图6.2 所示，取R0?40k?，则

1KI1135.1?1?s?38.7s?1??cn

3Ton30.01Rn?KnR0?36.51?40?1460.4K?，取1500K?

Cn??nRn?0.087?6?0.058?10F?0.058uF,取0.06uF 31500?104Ton4?0.01??1?10?6F?1uF，取1uF 3Ro40?10Con?

图5.2 含滤波环节的PI型转速调节器

6.校核转速超调量

?n?37.6%，当h=5时，典型?型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。

实际上，由于附表6.3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。 设理想空载起动时，负载系数Z?0，已知IN?72A，

??2.1，nN?1500r/min，

R??1.05?，Ce?0.305V?min/r，Tm?0.37S，T?n?0.0174s。当h?5时，由查得，?Cmax/Cb?81.2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

maxbmaxN?n?n???C??n*?2??C??(??Z)n*T

bbm??????C??n??C??nT式中 电机中总电阻R?Ra?R??0.46?1.05?1.51?； 调速系统开环机械特性的额定稳态速降

?nN?INR72?1.51??356.5r/min； Ce0.305n*为基准值，对应为额定转速nN?1500r/min。

根据式（6-24）计算得

?n?2?81.2%?2.1?满足设计要求。

356.50.0174??3.81%?10% 15000.37

六、驱动电路的设计

晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。

（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A∕us。

（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。

（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 在本设计中最主要的是第1、2条。理想的触发脉冲电流波形如图5.1。

图5.1 理想的晶闸管触发脉冲电流波形

t1~t2-----脉冲前沿上升时间（?1?s）

t1~t3----强脉冲宽度 IM---强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4---脉冲宽度 I--脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

常用的晶闸管触发电路如图5.2。它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它的电路环节。

1234E2DE1VD1R1TMR4VD3VD2R3V1R2CV2 图5.2 触发电路 晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对B来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。 A对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉1234冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图5.3。

O

至VT6至VT5至VT4至VT3至VT2至VT1(15~10脚为6路双脉冲输出)(1~3脚为6路单脉冲输入)

图5.3 三相全控桥整流电路的集成触发电路

脉冲变压器的设计

本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越的、每个触发单元的一个周期内输出两个相隔60°的脉冲的电路。如图5.4中两个晶闸管构成一个“或”门。当V5 、V6都导通时，uc5 约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7 、V8导通就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60°），就可以产生符合要求的双脉冲了。其中VD4和R17的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。此触发脉冲环节的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图5.4电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60°。所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元V6的管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应接VT6器件触发单元的Y端。依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的相互接线。

R15VD11~VD14220V+15VRP2VSR3V1I1cR4V3C2V2R5C1R2R7R8upRP1uco-15VXY-15V接封锁信号R9AVD4R6V4R17C3VD10V6VD5R11C3V5R10VD6R12R13C5V7V836VVD7R14VD9R16C7+C6BVD15TPVD8+15VR18R1TSRVD1QustVD2

图5.4 同步型号为锯齿波的触发电路

图5.4中脉冲变压器TP主要用于完成触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回路（晶闸管主电路）之间的电隔离。

如图可以得出TP脉冲变压器的一次侧电压U1 强触发电压50V弱触发电压15V。取变压器的变比K=5，脉冲宽度??60，脉冲变压器的磁铁材料选择DR320。查阅资料可得铁心材

2料的饱和磁密Bs?1.45BT， 饱和磁场强度HS?1900Am ，剩磁磁密Br?0.02BT

00设计计算步骤为：

U150??10V K5U5 确定变压器的二次侧的强电压U20 U20?1??1V

K5（1）确定变压器的二次侧的强电压U20 U20?（2）确定空载励磁电流I0

I0?(0.2~0.3)I2K?(0.2~0.3)0.65?0.024A~0.036A

?3式中，I2为一般取晶闸管最大触发电流的两倍I2?2IGT?2?300?10?0.6A。

（3）计算脉冲磁导率，选定铁心材料。

?4无偏移绕组时 ???(Bs?Br)Hs?(1.45?0.02)1900?7.5?10Hm

式中，B的单位为T，1T?1Wbm?1A?Hm,H的单位Am，由此得出??的单位为

22Hm。

4）确定铁心体积V 无偏移绕组时 V?U1?I0??50?0.0033?0.3??0.0242

(Bs?Br)2(1.45?0.02)2式中，?为脉冲电压宽度，?与电角度?间的换算关系为

??

0.01o0.01???600?0.0033 o0180180 器件 变压器 晶闸管 电抗器 一次侧电流保护（熔断器） 二次侧电压保护（阻容） 晶闸管电压保护（阻容） 晶闸管过电流（熔断器） 压敏电阻 电流调节器ACR比例系数 电流调节器 Ri 电流调节器 Ci 电流调节器 Coi 转速调节器ACR比例系数 转速调节器Rn 转速调节器Cn 转速调节器Con

要求 SCB10－140KVA／380V／360V KP100A/2000V 70mH 额定电压400V，额定电流220A 电容取100uf，电阻取10?/10W 电容取0.3uf，电阻取100?/10W IKN?120A 额定电压 550V Ki?1.151 Ri?46.04K? Ci?0.65uF Coi?0.17uF Kn?36.51 Rn?1460.4K? Cn?0.058uF Con?1uF [参考文献]

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