./摘要電力電子裝置的一個很重要的裝置廣泛使用于電力拖動系統中。電氣傳動又稱電力拖動,是以電動機作為原動機驅動生產機械的系統的總稱。它是為了合理地使用電動機,通過對電動機的控制,使被拖動的機械按照某種預定的要求運行。無論是交流電機還是直流電機,再改變它們的輸入電壓時,電機的轉速將會隨之改變,調節電機的輸入電壓控制電機的轉速,稱為調壓調速。調壓和調速系統的差異就是所控制的對象和目標不一樣。由電力拖動原理可知,當異步電機等效電路的參數不變時,在相同的轉速下,電磁轉矩與定子電壓的平方成正比,因此,改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數關系,從而改變電機在一定負載轉矩下的轉速。本設計中采用晶閘管組成相控交流調速系統,確定了主電路的構成,雙閉環的結構,以及觸發電路的設計。關鍵詞：交流調速、雙閉環、觸發脈沖、晶閘管晶閘管相控交流調壓調速系統概述變壓調速是異步電機調速方法中比較簡便的一種。由電力拖動原理可知,當異步電機等效電路的參數不變時,在相同的轉速下,電磁轉矩與定子電壓的平方成正比,因此,改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數關系,從而改變電機在一定負載轉矩下的轉速。過去改變交流電壓的方法多用自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器,自從電力電子技術興起以后,這類比較笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調壓器取代了。目前,交流調壓器一般用三對晶閘管反并聯或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中,主電路接法有多種方案,用相位控制改變輸出電壓。為了保證相控電路的正常工作,很重要的一點是應保證按觸發角α的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發脈沖,即相控電路的驅動控制。對于相控電路這樣使用于晶閘管的場合,稱為觸發控制,相應的電路稱為觸發電路。本設計從晶閘管相控原理開始,先確定電路的主電路選用三相交流調壓電路,雙閉環按要求選擇電壓電流雙閉環反饋系統,然后進一步確定了晶閘管觸發脈沖形成電路,最后進行了晶閘管參數的計算,并有針對性的設計了保護電路。2.設計任務及要求2.1設計任務及要求采用集成觸發器及調節器構成電壓電流閉環的交流調速系統,設計繪制該系統的原理圖,并且計算晶閘管的額定電壓和額定電流2.3技術參數異步電動機：3.主電路選型和閉環系統的組成3.1.異步電動機的機械特性由電機學的知識可知,異步電機的機械特性方程式為：<3-1>式中,Pm為電磁功率,m1為同步機械角轉速。它表明,當轉速或轉差率一定時,電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。這樣,不同電壓下的機械特性便如圖5-4所示,圖3-1中,UsN表示額定定子電壓。圖3-1異步電動機不同電壓下的機械特性3.2.設計思路異步電動機定子供電頻率不變時,其電磁轉矩與輸入電壓有效值的平方成正比,利用交流調壓電路,可以達到調速目的,但在實際系統中,還必須能控制異步電動機正、反向運轉,一般可在主電路中串入兩個接觸器來改變供電電壓相序。圖2-1是一個簡單的交流調壓調速系統。它主要由給定電源、交流電壓變換器、速度調節器、交流電流變換器、電流調節器,觸發脈沖裝置、晶閘管高壓器、電動機等組成,該系統沒有速度反饋,只有電壓反饋,是個調壓系統,用于對調速精度要求不高的場合,采用6只晶閘管組成調壓器為異步電動機供電。圖3-2晶閘管相控交流調壓調速系統原理框圖3.3.主電路的構成對于供電電路的選擇決定采用三相交流電,通過三相交流調壓器后接入異步電動機。調速時主要采用三相交流調壓電路進行調壓調速,三相交流調壓電路具有多種形式,在這里選擇星形連接的形式,交流調壓器一般用三對晶閘管反并聯或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中,主電路接法有多種方案,在每個半周波內通過對晶閘管開通相位的控制,可以方便地調節輸出電壓的有效值。在這里,選擇的主電路可以為如圖3-2所示電路：圖3-3利用晶閘管交流調壓器變壓調速圖中,TVC——雙向晶閘管交流調壓器3.4.雙閉環系統構成開環交流調速系統調節控制電壓Uc就可改變電動機的轉速。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都能實現一定范圍內的無級調速,但是,對靜差率有較高要求時,開環調速系統往往不能滿足要求。這時就要采用閉環調速系統。采用PI調節的簡單的單個電壓閉環直流調速系統可以保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是,如果對系統的動態性能要求較高,單環系統就難以滿足需要。這是就要考慮采用電壓、電流雙環控制的交流調速系統。為了實現電壓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,分別調節電壓和電流。二者之間實行嵌套〔串聯聯接。因此,控制系統采用電壓、電流雙閉環系統,電壓負反饋環為外環,其作用是保證系統的穩速精度。電流負反饋環為內環,其作用是實現電動機的轉矩控制,同時又能實現限流以及改善系統的動態性能。3.5.確定系統原理圖綜合以上分析在結合所給的技術參數,可以將異步電動機的交流調速系統初步設計如圖3-4所示：由圖6.12可分析主要控制環節的工作原理。其中圖6.12<a>部分為交流-直流電壓器,變壓器PT1原邊接電機定子電壓,副邊輸出經三相橋整流后,從2X2反饋一個與電機定子電壓成正比的直流電壓Uu至速度調節器。圖6.12中<b>部分為速度調節器。它從2X1輸入給定信號U0,并和電壓反饋信號Uu相比較,經速度調節器里德比例積分調節,可改變2R7、2R8、2R5的值,達到最佳控制性能,速度調節器輸出2X3接電流調節器的輸入3X1。圖6.12<c>部分是交流電流變換器,它的信號來自電流互感器<100A/0.1A>,經三相橋式整流后的直流信號從3X1至電流調節器。圖6.12<d>部分為電流調節器,它的給定信號來自3X1<速度調節器的2X3>,反饋信號來自交流電流變換器3X2,兩個信號經電流調節器比例放大后,從3X3輸出控制信號來控制6脈沖觸發器的控制角,即控制異步電動機的定子電壓。4.觸發驅動設計4.1.晶閘管集成觸發電路本設計中采用晶閘管組成的星形連接的三相交流調壓電路中,任一相在導通時必須和另一組構成回路,因此和三相橋式全控整流電路一樣,電流流通路徑中有兩只晶閘管,所以采用雙脈沖或寬脈沖觸發,三相的觸發脈沖應依次相差120度,同一相的兩個反并聯晶閘管觸發脈沖應相差180度。因此,和三相橋式全控整流整流電路一樣,觸發脈沖順序也是VT1～VT6,依次相差60度。對于觸發電路來說,由于集成觸發電路不僅成本低、體積小,而且還有可靠性高、技術性能好、功耗低、調式方便等優點,故本設計采用由3片集成觸發電路芯片KJ004和1片集成雙脈沖發生器芯片KJ041組成的集成觸發電路。KJ004與分立元件的鋸齒波移相觸發電路相似。可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環節。由1個KJ004構成的觸發單元可輸出2個相位間隔180°的觸發脈沖。只需用3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊,即可形成六路雙脈沖,再由六個晶體管進行脈沖放大,即構成完整的三相全控橋觸發電路。如圖4.1所示。圖4-1晶閘管觸發脈沖形成電路KJ041為6路雙脈沖形成器,它是三相交流調壓電路的觸發器。如圖4.1所示,它具有雙脈沖形成和電子開關封鎖等功能。移相觸發器輸出脈沖加到該器件的1~6端,器件內部的12個輸入二極管完成"或"功能,形成互補脈沖,即將6路單脈沖輸入轉換為6路雙脈沖輸出,該脈沖經放大后輸出。當控制端7接邏輯"0”4.2觸發電路的定相向晶閘管整流電路供電的交流側電源通常是來自電網的,電網電壓的頻率不是固定不變的,而是會在允許范圍內有一定的波動。觸發電路除了應當保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外,還應保證每一個晶閘管的觸發脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系,這即是觸發電路的定相。為保證觸發電路和主電路頻率一致,利用一個同步變壓器,將其一次側接入為主電路供電的電網,由二次側提供同步電壓信號,這樣,由同步電壓決定的觸發脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。觸發電路的定相,即選擇同步電壓信號的相位,以保證觸發脈沖相位正確。觸發電路定相的關鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關系。圖4.2三相調壓電路中同步電壓與主電路電壓關系示意圖如圖4.2為主電路電壓與同步電壓的關系示意圖。對于三相交流調壓電路中的晶閘管VT1,其陽極與交流測電壓Ua相接,可簡單表示為所接主電路電壓為+Ua,VT1的觸發脈沖從0°至180°的范圍為ωt1~ωt2。采用鋸齒波同步的觸發電路時,同步信號負半周的起點對應于鋸齒波的起點,通常使鋸齒波上升段為240°,上升段起始的30°和終了的30°線性度不好,舍去不用,使用中間的180°。鋸齒波的中點與同步信號的300°位置對應。對于其他5個晶閘管,也存在同樣的對應關系,即同步電壓應滯后于主電路電壓180°。對于共陰極組的VT4,VT6和VT2,他們的陰極分別與Ua、Ub和Uc相連,可簡單表示他們的主電路電壓分別為-Ua、-Ub和-Uc。表4-1各晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb上述分析了同步電壓與主電路電壓的關系,一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的接法,即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。如圖4.1所示,采用KJ004和KJ041組成的集成觸發電路的同步電壓應滯后于主電路電壓180度。則本設計主電路整流變壓器采用D,y-11聯結,同步變壓器采用D,y-11,5聯結。如圖4.3所示。這時,同步電壓選取的結果如表2所示。圖4.3同步變壓器和整流變壓器接法5.晶閘管的選擇及其保護5.1.晶閘管參數計算晶閘管主要構成相控交流調壓調速系統是中的三相交流調壓器,一般用三對晶閘管反并聯或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中,在每個半周波內通過對晶閘管開通相位的控制,可以方便地調節輸出電壓的有效值。當晶閘管的陽極和陰極之間承正向電壓并且門極加觸發信號晶閘管導通,并且去掉門極的觸發信號晶閘管依然維持導通。當晶閘管的陽極和陰極之間承受反向電壓并且門極不管加不加觸發信號晶閘管關斷。5.1.1

晶閘管額定電壓根據電動機的額定電壓的不同,三相交流調壓電路的結構形式,,晶閘管承受的反向重復峰值電壓URRM和斷態重復峰值電壓UDRM是額定輸入電壓的峰值,當額定輸入電壓U1N為220V時,峰值為311V,以及考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素,晶閘管額定電壓UTN一般取1.5的峰值電壓Um,另外再取2～3倍安全余量,故計算的晶閘管額定電壓計算如下：=466.5V,=<933～1399.5>V,故可以取1200V。5.1.2.為使晶閘管元件不因過熱而損壞,需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。若啟動時定子電流被限定在3倍的額定電流,則：其中IN為14.5A。故I1=30.8A。=19.6A。5.2.晶閘管的保護設計5.2.1啟動時,若給定電壓淡零,電壓調節器人使輸出電壓很高,電機的啟動電流會是額定電流的4～7倍或更高,大電流和機械力的沖擊可能損壞系統元件、部件和測試儀表,使系統不能正常工作。圖6.13為零位啟動保護電路,圖中2X1給定電壓由圖6.12中<b>部分中零位保護電路2X1提供。當主接觸器KM沒通電時,其常閉觸點K1斷開,K1觸點的接觸器KM線圈串聯,主接觸器無法得電,系統不工作。只有Rp1在零位時,主接觸器KM才能得電,常閉觸點自動脫離給定電源,零位保護電路不再起作用,電機啟動并運轉。5.2.2輸入缺相會使電機及主要部件因局部產生過載而燒壞,圖6.14是缺相保護電路。系統正常工作時三相電路對稱,M點電位和中性點N的電位接近,即M、N之間電位UMN近似等于零,后面電路不工作iv輸入三相交流電源缺一相時,M、N間將產生電壓,該電壓經單相橋式整流、光電隔離,由中間繼電器K2控制操作回路、報警電路,對系統進行保護。5.2.3三相調壓器的最大輸出電流可由電流調節器的設定值來限制。將速度調節器的最大輸出值與電流變換器最大電流時的反饋量調至相等,即可實現限流。對于晶閘管,如無保護措施,晶閘管會因過熱而損壞．因此要進行過電流保護。在電路中,對于晶閘管可采用快速熔斷器進行過流保護,這是一種簡單有效地過電流保護方法。快速熔斷器是最簡單有效的保護元件,是防止晶閘管過電流損壞的一種常用措施。通常流過5倍額定電流時,熔斷時間小于20ms,其極限分斷能力可達到數十千安。合理選擇快速熔斷器,就能保證在晶閘管損壞之前,切斷過大的電流。晶閘管串聯快速熔斷器,流過快速熔斷器和晶閘管的電流相等,對晶閘管的保護效果最好,所以被廣泛采用。一般選取快速熔斷器時,主要考慮以下幾個方面：<1>快速熔斷器的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。<2>熔斷器<安裝熔體的外殼>的額定電流應大于或等于熔體電流。<3>熔體的額定電流IRN通常按下式選取：式中,IT為晶閘管的實際工作電流有效值。對于本設計而言,由于=1200V,=14.5A,因此快速熔斷器可取=1200V,=20A。小節與體會晶閘管相控交流調壓調速系統這個課題具有很強的實用性,它除了在工業生產領域得到廣泛應用,在我們日常生活中也無所不在,電力電子技術以發展成為一種應用極其廣泛的技術。該課題屬于電力電子方面,隨著電力電子器件的不斷向大容量化、高頻化、易驅動、降低導通壓降、模塊化、功率集成化的發展,它的應用將更為廣泛。在本次