晶閘管相控調(diào)速系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上晶閘管相控調(diào)速系統(tǒng)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求分析由設(shè)計(jì)任務(wù)可知，本次課程設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。其輸入為單相交流電源，電壓為220V，頻率為50HZ。通過整流裝置后，直流輸出電壓為0100V可調(diào)，額定電流為50A的指標(biāo)供給直流電動(dòng)機(jī)。對于單相可控整流電路包括單相半波可控整流電路、單相整流電路、單相全波可控整流電路以及單相橋式全控整流電路等，本次課設(shè)采用單相橋式全控整流。因此，本系統(tǒng)主要分為整流電路，觸發(fā)電路和保護(hù)電路。下面將分別具體設(shè)計(jì)。2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)概述2.1 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可改變電動(dòng)

2、機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，采用開環(huán)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，對靜差率有較高要求時(shí)，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時(shí)就要采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實(shí)行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電

3、力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓Udm。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR電流調(diào)節(jié)器，TG測速發(fā)電機(jī)，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un轉(zhuǎn)速給定電壓，Un轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui電流給定電壓

4、，Ui電流反饋電壓。 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)氣的飽和輸出Uim，這時(shí)電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖2示：圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性3. 系統(tǒng)主電路及其元件參數(shù)計(jì)算3.1 晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖3所示：圖3 晶閘管相控整流直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行

5、串行連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā)電路。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)是內(nèi)環(huán)，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；速度調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在給定突加（含啟動(dòng)）的過程中表現(xiàn)為一個(gè)恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)中又表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，可獲得良好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)品質(zhì)。3.2 整流電路及器件參數(shù)計(jì)算3.2.1單相橋式全控整流電路原理分析單相橋式全控整流電路中，晶閘管和組成一對橋臂，和組成另外一對橋臂。在變壓器副邊電壓的正半周時(shí)，若四個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流為零，也為

6、零，和串聯(lián)承受變壓器副邊電壓，設(shè)和的漏電抗相等，則各承受副邊電壓的一半。若在觸發(fā)角處給和加觸發(fā)脈沖，和導(dǎo)通，當(dāng)副邊電壓過零時(shí)，和關(guān)斷。在變壓器副邊電壓的負(fù)半周時(shí)，仍在觸發(fā)角處給和加觸發(fā)脈沖，和導(dǎo)通，當(dāng)副邊電壓過零時(shí)，和關(guān)斷。此后又是和導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為和。當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞（忽略其中的電感）等時(shí)，負(fù)載可看成一個(gè)直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動(dòng)勢負(fù)載。副邊電壓大于E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。當(dāng)時(shí)，觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖有足

7、夠的寬度，保證當(dāng)時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為。稱為停止導(dǎo)通角。其中 （1）單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形如圖4所示VT3VT1u1u2VT4 VT2b)idOEudwtIdOwtaqd圖4 單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形電流波形在一個(gè)周期內(nèi)有部分時(shí)間為0，為電流斷續(xù)。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可

8、由式（2）求出，串聯(lián)一個(gè)平波電抗器后的電壓和電流的波形如圖5所示。 （2）twwOud0Eidtpdaq =p圖5 單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載串平波電抗器電流連續(xù)的臨界情況3.2.2器件參數(shù)計(jì)算單相全控整流電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí) （3）所以，對于變壓器： （4）當(dāng)時(shí)，所以 （5）因此 （6）對于晶閘管，承受的最大正向電壓和最大反向電壓分別為 （7）流過晶閘管的平均電流 （8）對于平波電抗器，其大小為： （9）其中，取額定電流電流的。4. 相控觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。對于晶閘管的觸發(fā)實(shí)現(xiàn)主要有同

9、步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路和由集成觸發(fā)器組成的觸發(fā)電路兩種。下面分別進(jìn)行介紹別進(jìn)行方案比較選擇。4.1 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路再由模擬電子電路構(gòu)成的整流裝置觸發(fā)電路中，以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。圖6所示為同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。此電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單窄脈沖。電路包括三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用?？刂齐妷簎co加在V4基極上，電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與

10、反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等，本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。觸發(fā)電路與主電路的同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定，鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的。V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓決定。V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過零點(diǎn)。V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1。雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)的內(nèi)雙脈沖電路：每個(gè)觸發(fā)單元的一個(gè)周期內(nèi)輸出兩個(gè)間隔60

11、76;的脈沖的電路。V5、V6構(gòu)成一個(gè)“或”門，當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。只要V5、V6有一個(gè)截止，都會(huì)使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角a產(chǎn)生。隔60°的第二個(gè)脈沖是由滯后60°相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）。 圖6 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路4.2 集成觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)電路集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，已逐步取代分立式電路。目前國內(nèi)常用的由KJ系列和KC系列，2個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊，可形成4路雙脈沖，再由4個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可。 其電路連接圖如圖7

12、所示。圖7 集成觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)電路集成觸發(fā)器KJ004各引腳說明如下表1所示表1 KJ004引腳說明功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)地同步輸入綜合比較微分阻容封鎖調(diào)制+Vcc引腳號1、15 2、6、103、45 78911、1213、1416KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。本課設(shè)只需4路脈沖，所以用它其中的4脈沖輸出就可以了。該觸發(fā)電路設(shè)計(jì)中，通過KJ004集成觸發(fā)器控制晶閘管VT1 、VT2、VT3和VT4的導(dǎo)通與截止，使VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通，VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)兩路導(dǎo)通相差180°。KJ004 器件恰好

13、輸出兩路相差180°的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。本次課程設(shè)計(jì)采用KJ系列構(gòu)成單相橋整流電路的觸發(fā)電路。4.3 兩種實(shí)現(xiàn)方案的特點(diǎn)模擬觸發(fā)電路，即同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠；缺點(diǎn)是易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較高，可達(dá)3°4°，精度低。數(shù)字觸發(fā)電路，即集成觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)電路的脈沖對稱度很好，如基于8位單片機(jī)的數(shù)字觸發(fā)器精度可達(dá)0.7°1.5°。其可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。因此，綜合考慮，本次課程設(shè)計(jì)采用集成觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)電路。5. 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)相對于電機(jī)和繼電器，接觸器等控

14、制器而言，電力電子器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時(shí)間的過電流和過電壓就會(huì)把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的暫時(shí)過電流和過電壓的數(shù)值來確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過載能力。因此，保護(hù)就成為提高電力電子裝置運(yùn)行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。5.1直流側(cè)過電壓保護(hù)當(dāng)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓，用壓敏電阻抑制過電壓或用單相VTS。此次設(shè)計(jì)中采用壓敏電阻，壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算，Ud0為晶閘管控制角=00時(shí)直流輸出電壓。保護(hù)措施如圖8所示。 （10）通常作為中小功率整流器操作過電壓保護(hù)時(shí)，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KA。圖8 直流側(cè)過

15、電壓保護(hù)5.2關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路如圖9所示：圖9 關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路即晶閘管換相保護(hù)電路。R、C值根據(jù)工程手冊選取，此設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為15A，故C可取0.3,R可取20。 5.3過電流保護(hù)電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過電流。過電流有過載和短路兩種情況。在該電路的過電流保護(hù)中均采用熔斷器，給每個(gè)晶閘管串連一個(gè)熔斷器。雖然這樣所用熔斷器較多，但由于流過晶閘管的電流有效值相對于負(fù)載電流有效值和電源二次側(cè)電流有效值來說較小，等價(jià)條件下產(chǎn)生熱量最少，同時(shí)熔斷器價(jià)格很便宜，故這樣設(shè)計(jì)過電流保護(hù)電路比較經(jīng)濟(jì)。電路原理圖如下圖10所示：圖10 過電流保護(hù)5.4電流上升率

16、di/dt的抑制晶閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密很大，然后以0.1mm/s的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開通時(shí)電流上升率di/dt過大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。5.5電壓上升率du/dt的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應(yīng)有所限制,如果du/dt過大。由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。該電路中采用進(jìn)線電抗器，在輸入交流側(cè)串聯(lián)電感來抑制電壓變化率。6. 系統(tǒng)主電路的

17、MATLAB仿真結(jié)合上各個(gè)部分的分析和計(jì)算，下面將運(yùn)用MATLAB的simulink模型對系統(tǒng)的主電路進(jìn)行仿真。在仿真過程中，對于觸發(fā)電路的實(shí)現(xiàn)采用雙脈沖產(chǎn)生器來實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于控制好脈沖產(chǎn)生的延遲觸發(fā)時(shí)間，及延遲觸發(fā)角。工頻交流電的頻率為50Hz，而觸發(fā)角的單位為度，因此要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。每一度的時(shí)間為 （11）所以，當(dāng)延遲觸發(fā)角為時(shí)的延遲時(shí)間為 （12）所以對于和構(gòu)成的橋臂，延遲后觸發(fā)，對于和構(gòu)成的橋臂，要多延遲半個(gè)周波觸發(fā)，及 （13）當(dāng)和時(shí)，、和、分別為 （14）下面將分別對和的時(shí)候進(jìn)行仿真。系統(tǒng)的MATLAB的simulink模型如圖11所示。圖11 系統(tǒng)的MATLAB的simulink

18、模型當(dāng)是系統(tǒng)的仿真波形如圖12所示。圖12 當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的仿真波形當(dāng)是系統(tǒng)的仿真波形如圖13所示。圖13 當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的仿真波形仿真圖由上到下分別為變壓器副邊電壓，整流后的電壓，帶反電動(dòng)勢負(fù)載的負(fù)載電流，和構(gòu)成的橋臂的觸發(fā)脈沖信號以及和構(gòu)成的橋臂的觸發(fā)脈沖信號。由仿真波形圖可知，通過改變延遲觸發(fā)角的大小即可改變單相全橋整流電路的輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)，電流大小隨著電壓的變化而變化，其而定電壓為50A。由于平波電抗器的存在，電流的波形實(shí)現(xiàn)了連續(xù)。7.心得體會(huì)電力電子裝置及系統(tǒng)作為我們的專業(yè)課，其重要性可見一斑。電力電子裝置及系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)算是告一段落，雖然忙碌了一陣子，但是卻感覺自己受益良多。

19、在此，總結(jié)一下自己本次課程設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)。不打無準(zhǔn)備之仗。無論做什么事情，都要做好應(yīng)戰(zhàn)的準(zhǔn)備，要肯下功夫，這樣，在面臨問題的時(shí)候不會(huì)慌了手腳，不知所措。本次課程設(shè)計(jì)也是如此，平時(shí)要學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)，要為自己吸收新的知識(shí)打好基礎(chǔ)，在課設(shè)遇到問題時(shí)，才能運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)和自己的積累去查閱資料，找到解決的辦法。因此，課設(shè)過程中，一本良好的指導(dǎo)書和網(wǎng)絡(luò)有用的資料都能給自己很大的幫組和提示。如果平時(shí)學(xué)的不扎實(shí)，也不利用空余時(shí)間補(bǔ)充自己頭腦，那么，當(dāng)真正遇到問題的時(shí)候，便束手無策了。要有戰(zhàn)勝的困難的決心。每個(gè)人在課程設(shè)計(jì)的過程中都會(huì)遇到這樣那樣的問題，當(dāng)我們遇到問題時(shí)，一定要有克服困難的決心。剛開始拿到課設(shè)題目時(shí)，本以為還比較輕松，可沒想到等到自己真的開始去分析時(shí)才發(fā)現(xiàn)很多東西是表面上看不出來的，而且有的東西是平