毕业设计绕线式异步电动机串级调速系统设计

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1、 本科毕业设计说明书（ 题 目：绕线式异步电动机串级调速系统设计-主电路与触发电路设计 学生姓名：xx学 院：xx系 别：xx专 业：xx班 级：xx指导教师：xx二七年六月36摘 要绕线式异步电动机的串级调速系统，属于改变转差功率的调速系统，在我国交流调速技术的发展中，它是结构简单、发展较快、应用较广的一种系统。其基本原理是利用不可控的整流电路将转子交流电动势转成直流电动势，在利用工作的在逆变状态的三相可控整流电路来获得一个可调的直流电压作为附加电动势，以改变转差功率，以实现转速的调节。本设计主要是绕线式异步电动机的串级调速系统主电路和触发电路的设计。其中主电路的设计包括可控整流电路、不可控

2、整流电路和逆变变压器；触发电路主要包括KC系列的移相触发电路和ULN2003。考虑到系统运行时可能出现的问题，相应的设计了系统的保护电路。关键词：串级调速、整流电路、触发电路。AbstractAsynchronous motor cascade speed system, belonging to poor power to change the governing system, In China AC development, it is simple in structure, the development of faster, broader application of a sys

3、tem. Its basic tenets are not controllable using distillation rotor circuit to exchange electromotive force electromotive force DC conversion, in the use of the states three-phase inverter controlled rectifier circuit to obtain an adjustable DC voltage as additional electromotive force, to change th

4、e deteriorating power, to achieve the speed of adjustment. The design is asynchronous motor speed control system Cascade main circuit and a control circuit design. Including the main circuit, the design includes controllable rectifier circuit, controlled rectifier and inverter circuit transformer; C

5、ontrol circuit design is mainly Electricity Regulator speed regulator and the double-loop control system. Take into account when the system problems that may arise in the corresponding design of the system protection circuit. Keywords: cascade speed; Rectifier circuit；Trigger Circuit 目 录引言1第一章 串级调速系

6、统的基本原理31.1串级调速系统的工作原理31.2异步电动机串级调速的机械特性41.3设计的技术参数51.4设计任务5第二章 主电路的设计62.1主电路的设计原则62.1.1 设计思路62.1.2 设计依据62.2逆变变压器的计算与选择72.2.1逆变变压器原副边的接线方式72.2.2逆变变压器二次电压的计算72.3电动机参数的计算92.3.1等效直流电路总阻抗和总电感的计算112.4 整流电路和有源逆变电路的计算与选择122.4.1 转子整流器的计算与元件选择122.4.2 可控硅元件的选择与计算132.5 定子侧变压器的选择14第三章 保护电路的设计与选择163.1 过电压保护163.1.

7、1 交流侧过电压保护163.1.2 压敏电阻保护183.1.3 直流侧过电压保护措施193.1.4 晶闸管两端的过电压保护措施203.2 过电流保护203.3电压和电流上升率的限制213.4 缺相保护：223.5 串频敏电阻保护233.6过载保护24第四章 触发电路的原理及设计254.1 触发电路的选择254.1.1 KC04移相触发器254.1.2 KC41六路双脉冲形成器294.2触发电路的计算304.2.1触发电路移相计算304.2.2脉冲变压器的选择32结论35参考文献37谢 辞38引言随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐渐显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护国内工作

8、量加大，单机容量，最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求，于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。相当长时间内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特別是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可与直流调速相媲美，相竞争。目前，交流调速已进入逐步取代直流调速的时代。随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，现代交流调速技术迈上了新的台阶。

9、目前，它已在冶金、机械、电气牵引、纺织、食品等各个方面得到普遍应用，交流调速时代迈着雄壮的步伐走进了我们的生活。 三相异步电动机是一种将交流电能转换为机械能的电气设备，由于它具有结构简单，运行可靠、价格便宜、维修方便等一系列优点，所以在国民经济各部门得到广泛应用。从结构上看，三相异步电动机有鼠笼式和绕线式两种类型，鼠笼式电机的调速一般只能用改变电源频率、定子电压或定子极对数的方法来实现；绕线式电机也可以用上述方法调速，但最常用的调速方法是改变转差率。 三相绕线式异步电动机通过改变转差率调速时，需要另外附加一些电气装置，其令最常用的是转子附加电阻。由于这种方法所用的附加装置最简单、投资最少、维护

10、也容易，所以其应用十分广泛。但是，采用此法调速是有级的，同时还把转差功率都消耗在转于的附加电阻上，因此调速的性能和经济性都很差。三相绕线式异步电动机还有另一种通过改变转差率进行调速的方法，即通过向转子回路引入附加电势来实现调速。这时，改变附加电势的大小就可以改变电动机的转速，这就是所谓“异步电动机串级调速”。根据引入转子之附加电势的产生方法的不同，串级调速可分为两类。即：电机型串级调速和电气型串级调速。电气串级调速的串级方式又可分两种，即：低同步串级和超同步串级。本次设计的内容主要介绍低同步电气串级调速系统的工作原理、性能及应用等内容。异步电动机可控硅串级调速系统的稳定分析，主要是研究在电动状

11、态下，直流问路的电压、电流，转子整流重叠角，转子侧和逆变器的电流谐波，机械特性，电抗器为非无穷大对机械特性和系统性能的影响以及闭环系统的静特性等。随着可控硅的广泛使用和拖动技术的发展，对作为重要基本单元的移相触发电路的集成化要求愈加迫切。由于集成化触发电路自身不可替代的优点，在最近的几十年里触发电路的集成化发展上了新的台阶。本论文着重介绍低同步串级调速主电路的设计与触发电路的设计。第一章 串级调速系统的基本原理1.1串级调速系统的工作原理在异步电动机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频，可变幅的电压。怎样才能获得这样的电压呢？对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便

12、的方法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。这样，就把交流变压变频这一复杂问题，转化为与频率无关的直流变压问题，使问题的分析与工程实现都方便多了。当然对这一直流附加电动势要有一定的技术要求。首先，它应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。例如，把转差功率回馈交流电网，或把它转换成机械功率传送到电气传动装置的轴上等，关键是不要让它在转子回路中无谓的损耗掉，这样才能提高调速系统的效率。根据以上两点要求，较

13、好的方案是采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源。按照上述原理组成的绕线式异步电动机调速系统原理图如图11所示： 图 11 异步电动机串级调速原理图图中异步电动机M以转差率s运行，其转子电动势经三相不可控整流装置UR整流，输出直流电压。工作在逆变状态的三相可控装置UR除提供一可调的直流输出电压作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整流后输出的电动机转差功率逆变回馈到交流电网中。两个整流装置的电压与的极性以及电流的方向如图所示。为此可在整流转子的直流回路中写出以下的电动势平衡方程式： （1-1） （1-2）式中： -与两个整流装置的电压整流系数-逆变器输出电压-

14、逆变变压器的次级相电压-晶闸管逆变角-转子直流回路的电阻当电动机拖动恒转矩负载稳定运行时，可以近似认为为恒值。控制使它增大，则逆变电压立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以仍维持原值，根据式（1-1）、（1-2）就使转子直流回路电流增大，相应转子电流也增大，电机就加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流减小，直至与依式（1-1）取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小值可以使电机在较低的转速下运行。以上就是绕线式异步电动机串级调速系统的工作原理。1.2异步电动机串级调速的机械特性在串级调速系统中，由于电动机的级对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒

15、定的，但是他的理想空载转速却能够连续平滑地调节。当系统在理想空载状态下运行时（=0），转子直流回路的电压平衡方程式变成: （1-3）其中，为异步电动机在串级调速时对应于某一角的理想空载转差率。取=则 （1-4）由此可得相应的理想空载转速为 （1-5）其中，为异步电动机的同步转速。从以上的式子可知，在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变，越大时，越小，而越高。在系统中，角地调节范围对应于电动机调速范围的上、下限，一般逆变角的调节范围为。其下限是为了防止逆变颠覆而设置的最小逆变角，其具体数值也可根据系统的电气参数来设定。在不同的角下，异

16、步电动机的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速时的机械特性。在串级调速工作时，由于在转子回路中接入两组整流装置、平波电抗器、逆变变压器等（这些器件统称为串级调速装置），再加上线路电阻以后，实际上相当于在转子回路中接入了一定能够数值的等效电阻和电抗。所以，这些因素势必会影响电动机串级调速的机械特性。由于转子回路电阻的影响，使一部电动机在串级调速运行时的机械特性要比电机的固有机械特性软，使电机在额定负载时难以达到额定转速。一般异步电动机在固有机械特性上的额定转差率为，而在串级调速运行时却为0.1左右（时）。另外，由于转回路电抗的影响，再加上转子回路接有整流器，转子绕组漏抗所引起的

17、换向重叠角使转子电流产生畸变，使得电机在串级调速时所能产生的最大转矩比电机固有特性的最大转具有明显的降低。如图12所示： 图 121.3设计的技术参数电动机的铭牌参数给定： 型 号： JRQ1512-10型； 绕线异步电动机， 接法；额定功率： ； 额定转速： ；空载转速： ； 功率因素： 0.81；定子电压： ； 定子电流： ；转子额定线电压： ； 转子额定电流：；过载倍数： 2.3； 效 率： 0.92； 调速范围： D=1.27。1.4设计任务 (1) 设计串级调速主电路； （2）选择和设计串级调速触发电路；第二章 主电路的设计2.1主电路的设计原则 2.1.1 设计思路 基于第一章中对

18、串级电路的分析可知，串级调速相当于在转子侧加入一个可变频，变速电压的调速方法。在实际系统中，把转子交流电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，通过控制直流附加电动势的幅值，调节异步电动机的转速。基于以上要求，所设计的串级调速系统的主电路应该包括三相绕线式异步电动机、串级调速装置和逆变变压器。其中，串级调速装置主要包括三相桥式（不可控）整流器、有源逆变整流器和平波电抗器。其主回路的接线图如图1-1所示。2.1.2 设计依据一.串级调速装置：（1）整流装置：该装置的作用是将转子侧的交流电动势转换为直流电压，为三相不可控。（2）逆变装置：提供一个可调的直流电压作为调速所需的附加电动势

19、，同时将电动机产生的转差功率功率经逆变变压器回馈回电网。（3）平波电抗器：在可控硅串级调速系统中，电动机转子整流回路中必须串接平波电抗器，其主要原因有如下几点：a、电流脉动分量在电机转子中造成的附加损耗限制在允许范围内；b、使电动机在最小工作电流时任能保证电流的连续，避免电流断续对电动机的影响。c、限制短路电流的上升率，是快速开关能及时动作，尽可能避免损坏快速熔断器。二.触发电路装置：（1）KC系列移相触发电路：该装置是将同步变压器转换过来的同步电压根据需要转换为所需的脉冲电压，通过控制晶闸管门极的关断控制逆变电路的通断。（2）脉冲变压器：脉冲变压器使用来传递脉冲功率，升高或降低脉冲电压，使触

20、发电路与主电路隔离。2.2逆变变压器的计算与选择对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围，要求有不同的逆变变压器二次侧电压，同时也希望有源逆变与电网隔离。因此需要配置逆变变压器。因此需要确定逆变变压器的二次电压、容量、接线方式。2.2.1逆变变压器原副边的接线方式 如果逆变变压器二次侧绕组接成星形，并将其中点与电网的中点相连，则当一次侧加入正弦波电压时，将由于变压器磁化曲线的非线性，而使各相激磁电流也为非正弦的 ，其中包含三次谐波分量，该三次谐波电流可以通过中线流回。如图21所示：图 21 逆变变压器原理图 如果变压器中点不与电网中点相连，则三次谐波没有回路，逆变变压器的激磁电流中也就

21、没有三次谐波分量。不含三次谐波的激磁电流特产生具有平顶波形的磁通，该磁通在变压器的绕组中产生具有尖顶波形的电压，从而使电压为非正弦的。具有尖顶波形的电压之幅值可以达到正常值的，这对逆变变压器的绝缘是不利的。为了避免出现这种现象，逆变变压器的一次绕组一般应接成三角形，以使激磁电流的三次谐波在三角形中以环流形式存在，从而使二次绕组的感应电势是正弦的。 如果一次绕组接成星形，则根据同样的道理，二次绕组应接成三角形，或者再附加一个三角形绕组。这样，在三角形绕组中便流有三次谐波电流，从而使每相绕组中的电压是正弦的。因此，选择逆变变压器的一次测采用三角形接法，二次侧采用星形接法。2.2.2逆变变压器二次电

22、压的计算 逆变变压器的二次电压，可以根据使最低转速下转于最大整流电势与逆变器最大逆变电势相等的原则来确定。设串级调速系统最大理想空载转差率为，它对应着理想空载最低转速，则按三相桥式整流接线时，转子最大整流电势为： （2-1）由于 （2-2）式中: 调速范围最大调速范围根据公式（2-1）、（2-2）可以得： 三相桥式逆变器的最小逆变角取；则最大逆变电压为： （2-3）且 （2-4）联立以上公式可知逆变变压器二次侧的线电压为： 根据串级调速系统的能量关系粗略地估算逆变变压器的容量，为了便于估算，可在忽略各种损耗的情况下，逆变变压器的容量可以近似为： （千伏安）逆变变压器参数的计算：变压器的短路电压

23、为6%，所以折算到二次侧的每相漏抗为：（欧/相）按欧/相进行计算；折算到二次侧的每相电阻为0.06欧/相。根据以上计算和现场实际情况，选用现有变压器作为逆变变压器，其技术据如下：额定容量：160千伏安；原边线电压：380伏；副边线电压：183伏；副边线电流：236安；折算成丫接的每相漏抗为0.02欧，每相电阻约为0.006欧逆变变压器的型号选择为：ZHS160-10。逆变变压器的接线原理图为： 图 22 逆变变压器的接线原理图故逆变变压器应接为形。2.3电动机参数的计算额定转差率： （2-5）临界转差率： （2-6）额定相电压与额定转子折算相电流之间相位差角正切为 （2-7）额定理想空载电流的

24、标幺值为： （2-8）定子与转子的电压变比为： （2-9）修正系数为:电动机的短路漏抗为： 定子的每项电阻为：折算到定子侧的转子每相电组为：定子每相漏抗和折算到定子侧的转子每相漏抗为： （欧姆/相）因此：折算到转子侧的电动机每相漏抗和每相电阻为：（欧姆/相）（欧姆/相）2.3.1等效直流电路总阻抗和总电感的计算逆变变压器折算到直流侧的电抗和电阻为： 平波电抗器的直流电阻为：所以总电阻为： （2-10）电动机的等效电感为： （2-11）逆变变压器的等效电感为： （2-12）所以实际串入电抗器的电感量为：考虑限制电流连续式的电感量为： （2-13）其中 （等效直流回路中电流）考虑限制电流连续式的电

25、感量为：其中：-最低次谐波电压幅值 -最低次谐波频率，对于三相桥式电路 -电流脉动系数，要求 （三相桥式电路）所以实际串入电抗器的电感量为： ，取 所以2.4 整流电路和有源逆变电路的计算与选择2.4.1 转子整流器的计算与元件选择转子整流器用的硅整流二极管，是在低频率、大电流下工作，所承受的电压与调速范围有关，这就是整流二极管的工作特点。下面，讨论在上述条件下通过计算选择硅整流二极管的方法。硅整流整流二极管的反相重复峰值电压为： （2-14）有公式可以算出转子整流桥每条臂上的串联元件数，取；每个桥臂上并联的整流元件数； 考虑网压升高而引入的系数，其值可取1.1；均压系数，一般取值为；电压储备

26、系数，取值为3；电机转子额定线电压。则: （2-15）由以上结果可以选取 转子侧整流电流可表示为： （2-16）则： （2-17）取: 每个桥臂上并联的整流元件数，取=1；低频系数，取=之间；电流储备系数。取=2；三相桥式线路系数，=0.367；均流系数，其值可取=1；转于回路的最大直流电流，其值应取与系统中可能出现的最大转矩所对应的电流值。故：根据以上计算可以选择整流二极管的型号为：2CZ32H-720A/1000V的整流二极管，全桥共用6只元件。2.4.2 可控硅元件的选择与计算 2.4.2.1可控硅的反向重复峰值电压 “”的确定 可控硅反向重复峰值电压，是指在触发极断路的情况下，可施加的

27、重复频率为50赫兹、持续时间不大于10毫秒的反向最大脉冲电压，其值规定为反向不重复电压的80%，一般约等于可控硅的阻断重复峰值电压。 由于可能出现操作过电压和系统中可能出现事故过电压等：所以可控硅的反相重复峰值电压，应选为比线路正常电压的峰值高倍，即 （2-18）式中，是线路正常时的反相峰值电压，对变压器来说，通常为则: 选取为反相峰值电压。可控硅元件的额定电流为： （2-19）每个桥臂上并联的可控硅元件数，取=1；电流储备系数。取=2；三相桥式线路系数，=0.367；均流系数，其值可取=1； 则： （2-20）选择 =670 A故： 根据以上计算选择可控硅的型号为KP670-10D（K400

28、10-0.7）的6只元件管子。2.5 定子侧变压器的选择 忽略漏磁通和绕组电阻所造成的压降，则依次绕组的感应电动势即一次侧电压即为电网电压，而二次绕组的感应电动势为，则有：K定子侧变压器的变比；变压器原绕组的额定电压；、定子侧的额定电压；如果忽略变压器的损耗，其输入功率与输出功率相等。即：、变压器原边和电动机定子侧的额定电流；且变压器原边电流为：忽略各种损耗，变压器的容量为：取变压器的容量为：；变压器的型号选取为：S7-1200/10，铁芯直径为245mm，芯柱面积为,芯柱中心矩为435mm。 第三章 保护电路的设计与选择 晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会使器件

29、损坏。为了使晶闸管能够可靠地长期运行，除了在选择时留有充分的裕量外，还必须针对过电压、过电流产生的原因采取恰当的保护措施。3.1 过电压保护 过电压一股可分为操作过电压和浪涌过电压，操作过电压是由晶闸管电路的分、合闸和器件关断等电磁过程引起的；浪涌过电压是由于雷击等原因从电网侵入的，它可能比操作过电压还要高。过电压保护措施不仅可使发生的操作过电压限制在器件的正反向重复峰值电压以下，使偶然性的浪涌过电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压以下。按保护部位可分为交流保护、直流保护和器件保护。3.1.1 交流侧过电压保护 常用的交流测过电压保护措施有阻容保护和非线性电阻保护。阻容保护主要用于吸收操作

30、过电压，非线性电阻保护主要用于抑制浪涌过电压。本设计中主要采取阻容保护，其中包括两组阻容保护装置：一组是电动机侧的阻容保护装置，另一组是逆变变压器侧的阻容保护装置。其具体接法如下图31所示：图 3-1 阻容保护接对于单相电路，阻容参数的计算公式为： （3-1）电容的耐压 （3-2）电阻功率: （3-3） （3-4）式中变压器容量； -变压器二次相电压有效值； -通过电阻的电流； -变压器励磁电流百分数，的变压器，对应的 -变压器的短路比，的变压器，对应的； -阻容两端正常工作时的交流电压峰值。表1：对于三相电路，和的数值可按下表进行换算：变压器二次测联结方式单相三相联结三相联结阻容装置联结方式

31、跨接电 容CCC/33CC电 阻RR3RR/3R所以a.根据公式（3-1）可知，电动机测的阻容保护和值为：电容耐压根据公式（3-2）可知电阻值为： 根据公式（3-3）、（3-4）可知电阻功率： 根据上述计算结果，选择电容，且其耐压达到;选择电阻，电阻功率为15W。b.根据公式（3-1）可知逆变变压器侧的阻容保护和值为：电容耐压 电阻功率: 根据上述计算结果，选择电容，且其耐压达到;选择电阻，功率为15W。 根据以上计算的电容、电阻有效值可根据实际情况作适当的修改。如，在整流电路中有其他过电压保护措施时，选取的电容值可略小于以上的计算值在通常情况下，增大电容量能降低作用于晶闸管上的过电压和电压上

32、升率，但若电容量太大，不仅电容器体积很大，而且会增加电阻的损耗，便电阻的体积加大，造成整个阻容装置体积过大，电容量增大还会增加晶闸管导通时的电流上升率对晶闸管不利。左通常情况下，增大电阻值有利于抑制振荡；但若电阻值太大，不仅抑制震荡的作用不大，反而会影响电容抑制过电压的效果，并使正常工作时电阻损耗增大，因此，一般希望电阻小一些。3.1.2 压敏电阻保护 压敏电阻是一种非线性电阻元件，它具有正反向相同且很陡的伏安特性，如图32所示：在未击穿时，漏电流很小(微安级)，而放电容量很大，可通过数千安培的冲击电流。它对浪涌电压反应快，而本身体积又也是一种较好的过电压保护元件。压敏电阻保护电路的接法如图3

33、3所示，由于压敏电阻的正反向特性对称，因此三相电路用三个压敏电阻，接成三角形。 图 3-2 压敏电阻的伏安特性 图 3-2 压敏电阻伏安特性 图 3-3 压敏电阻保护压敏电阻的参数计算：a . 标称电压 ：指漏电流为1mA时，压敏电阻上的电压；b . 流通量： 在规定冲击电流波形下，允许通过的浪涌峰值电流；c . 残压： 压敏电阻两端正常工作电压有效值。标称电压： 流通量： 应大于实际可能产生的浪涌电流值，一般取5 KA以上；根据以上计算可以得知压敏电阻的型号为MYD-20K201型号。3.1.3 直流侧过电压保护措施直流侧的过电压主要是由感性负载的通断以及电源侧或负载侧侵入的浪涌电压引起的。

34、为了使其达到快速性，采用压敏电阻做过电压保护，其标称电压为： 取 根据计算可以选择压敏电阻的型号为MYD-20K751型号。其电路图如图所示3-4： 图 3-4 直流侧过电压保护 图 3-5 晶闸管两端过电压保护3.1.4 晶闸管两端的过电压保护措施晶闸管在导通期间，其内部充满载流子。换相时，晶闸管因承受反向电压而在关断的过程中，正向电流下降到零时，晶闸管内部仍残存着载流子。这些载流子在反向电压作用下瞬时产生反向电流，使残存载流子迅速消失，晶闸管立即阻断，这时反向电流减小的速度较快，即didt很大。因此即使和晶闸管串联的线路电感L很小，它所产生的感应电动势didt也很大，可达工作电压峰值的几倍

35、，如不予抑制，很可能导致器件反向击穿。晶闸管关断过电压的常用抑制措施是在它的两端并联阻容吸收装置，如图35所示。阻容的参数较难计算，一股可按下表所述经验公式选取。表2：关断过电压阻容保护的经验数据晶闸管额定电流(A) 1020501002005001000电 容C（）0.10.150.20.250.512电 阻R（） 1008040201052根据经验值可以选择：， 则： 电容耐压一般为加在晶闸管两端工作电压的峰值的倍。 即： 电容耐压为电阻功率为:电源频率（Hz）；C 与电阻串联的电容值()；晶闸管工作电压峰值(V)。3.2 过电流保护 晶闸管电路发生过电流的主要原因是：过载、直流侧短路、晶

36、闸管击穿短路、可逆系统逆变失败或误触发等。主要有采用快速熔断器保护。快速熔断器保护的特点：当直流侧短路或晶闸管击穿短路以及可逆系统逆变失败时，流过晶闸管的过电流可达其额定电流的10倍以上，此时必须在电漏电压的半个周期内消除过电流。在这种情况下，采用快速熔断器进行保护。快速熔断器的断流时间在10ms以内，它是晶闸管电路中使用最普遍的过电流保护装置。快速熔断器可以装设在交流侧、直流侧，或与晶闸管直接串联。装设在交流侧对器件短路和直流侧短路都起保护作用，但因正常时流过快速容断器的电流大于流过晶闸管的电流，故应选用额定电流较大的快速熔断器，这样在过电流时对晶闸管的保护作用就减弱了，装设在直流侧只对负载

37、短路或过载起保护作用，对器件短路不起保护作用；与晶闸管直接串联，则因流过它们的电流相同，所以对晶闸管的保护作用最好。因此选择下图3-6的连接方式： 图 3-6 过电流保护1.快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。2.快速熔断器(或熔体)的额定电流应按下式选取，即为正常运行时晶闸管通过的电流有效值故：选择快速熔断器的型号为RS3A-750，额定电压为750V。3.3电压和电流上升率的限制（1）电压上升率du/dt的限制 加到晶闸管两端的正电压上升率过大时，会使晶闸管误导通。因此应对du/dt进行限制，使其小于晶闸管的断态电压临界上升率du/dt。产生过大的原因有如下两个方面：1)交

38、流侧产生的dudt 由电网侵入的过电压和电源合闸都是造成dud t过大的原因。对于带有整流变压器和交流侧阻容保护晶闸管装置，由于变压器的漏感和阻容保护电路的作用，使作用于晶闸管的正向电压上升率dudt不会过大。在无整流变压器的情况下，应在电源进线端串联进线电抗器，以限制作用于晶闸管的dudt。2)晶闸管换相对产生的dudt 晶闸管整流电路在换相重叠角期间，两相晶闸管同时导通，相当于线电压短路，使电源电压出现缺口，产生很大的dudt。防止dudt造成误导通的方法是在每个桥臂上串接一个电抗器L。利用R、C、L串联电路的滤波特性，使晶闸管上的电压缺口变平，从而把dudt降低到晶闸管的断态电压临界上升

39、率dudt 以下。 （2）电流上升本didt的限制 晶闸管从阻断到导通时，如电流上升率太大，虽然电流值未超过器件的额定通态平均电流，由于晶闸管内部电流还来不及扩大到PN结的全部面积，可能在门极附近的PN结发生过热而损坏因此，作用于晶闸管的正向电流上升率di/dt，应小于晶闸管的通态电流临界上升率didt。didt过大一般是由换相电流和阻容保护装置中电容的充放电电流产生的。限制didt的措施如下： a. 交流侧和直流侧可采用阻容式保护电路，使电容放电电流不流经晶闸管。b. 在每个桥臂上与晶闸管串联一个电抗器。电抗器可以是空心电抗器、铁心电抗器或若干个磁性圆环。采用空心电抗器时，其电感通常，采用铁

40、心电抗器时，其电感值可再大一些。这里采用空心电抗器取值为。其电路图为下图3-7所示： 图 3-7 电压和电流上升率保护电路3.4 缺相保护：所谓的缺相就是指三相供电电源中缺少一相（如三根火线中任何一根断开），或者是三相绕组中缺少一相。对于绕组为星型接法的电动机来说，如果电源一线断开，就会使其他两项绕组串联，并联于电网中，此时电动机为单相运行；如果绕组一相断开，则另两相接于三相电源上，有两相交流电供电，此时称为两相运行。无论单相运行还是两相运行，电机绕组中的电流均将超过正常值。因此，在电路中设缺相保护装置是很必要的。 本设计中的缺项保护设在逆变变压器的一次侧，具体电路图如下图3-8所示：图 3-

41、8 缺相保护电路3.5 串频敏电阻保护 在设计串级调速系统时转于整流器的硅二极管和逆变器的晶闸管的耐压是按最低转速下转子电压确定的因此串级调运装置的容量成本似调速范围之间有密切关系。如果器件耐压是按转子额定电压选取(当然要考虑一定的容量)、那就可以直接利用串级调速装置起动电动机，而不需另设起动设备，不过这时串级调速装置容量差不多与电动机容量相等，设备费用比较高，这种起动方法只适于要求调速范围很大，需要从零开始调速的场合。如果负载要求的调速范围较小，但为了直接利用串级装置起动电动机，也按来选取元件的耐压及逆变变压器容量等，显然是不合理的；如果按此时要求的调速范围来选择逆变变压器二次绕组电压一般会

42、显著小于电动机转子电动势，则采用串调装置直接起动电动机就会出现很大的起动冲击电流，冲击电流值往往超过允许的限度，为此可采用下图所示用频敏变阻器启动。如图3-9所示，电动机先通过接触器KMl接入附加起动频敏变阻器，而起动加速，当起动加速到串级调速装置设计考虑的调速范围的最低速时，才将KM2接通，这时投入串级调速装置的逆变角应为最小逆变用。即产生最高的逆变反电压，然后把KM1断开，逐渐增加角，使电动机继续加速到所需转速。采用这种起动方式，虽然增加了一套附加起动设备，但对于调运范围较小的串级调速系统。其主要设备的容量和耐压可显著降低，从设备总投资来看，仍然是经济的。 采用并联附加起动设备的切换起动方

43、式还有一个好处，就是但串级调速装置发生意外故障时，异步电动机仍可利用附加起动设备正常起动到高速运行。其中所用的接触器的型号为CJ2-1000系列；图 3-9 附加频敏变阻器启动3.6过载保护 在交流异步电动机的调速系统中，为了防止电动机由于过载而损坏，常采用热继电器进行保护。热继电器的选择主要更具电动机额定电流来确定热继电器的型号及热元件的电流等级。在本设计中，热继电器主要是加在电动机的定子侧，其额定电流为61.5A。所以可以选择型号为JR-150/3D的热继电器。并且该继电器还有断相保护的功能。 第四章 触发电路的原理及设计4.1 触发电路的选择随着电子技术的发展、晶闸管的广泛使用和晶闸管拖

44、动技术的发展，对作为重要基本单元的移相触发电路的集成化要求愈加迫切由于集成化触发电路有体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠等优点，我国有关部门于1977年研制成功KC型单片集成移相触发电路近几年在此基础上形成KC系列，有10余个品种，它适用于晶闸管拖动系统、中小容量变流装置、整流供电装置、交流无触点开关以及交、直流的调压、调速、调光等范围。下面分别介绍不同型号的集成触发器4.1.1 KC04移相触发器(1)功能与特点 这种集成触发电路主要用于单相、三相全控桥变流装置，用作双路(相位差180度)脉冲移相触发，具有输出负载能力大、移相性能好且范围宽、对同步电压要求低等特点。它的主要技术数据如下：

45、1）电源电压 直流+15V、-15V，允许波动5(10时功能正常)；2) 同步电压 任意值(一般为交流30V)；3) 电源电流 正电流15mA； 负电流8mA；4) 同步输入端允许最大同步电流 6 mA(有效值)；5) 移相范围 (同步电压30V，同步输入电阻15)；6) 锯齿波幅度 10V(幅度以锯齿波平顶为准)；7) 输出脉冲 宽度为，脉冲宽度可通过改变阻容元件数值而达到，幅度13v；最大输出能力为100mA(输出脉冲电流)，输出管反压18V(测试条件100)；8) 脉冲相位 正负半周脉冲相位不均衡；9) 封装 KC04采用16脚陶瓷双列直插式封装；10)允许使用环境温度 度；(2)电路的

46、组成及工作原理 KC04应用实例见图4-1，其电路原理如图4-2所示。图4-1中，同步电压可为任意值，串联电阻R4为： 图 4-1 KC04应用实例 图 4-2 KC04内部电路图图4-2的虚线框内为KC04的集成电路部分。它与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及功放几个环节。VTl-VT4等组成同步环节。同步电压经限流电阻R20加到VTl、VT2基极上。在的正半周，VTl导通，电流从+15VR3VDlVTl接地端。在的负半周。VT2、VT3导通，电流从+15VR3VD2VT3R5R21-15V流通。因此，在正、负半周期内VT4基本上处于截止状态

47、。只有在同步电压|0.7V时，VT1到 VT3截止VT4从电源+15V经R3、R4取得基极电流才能导通。如图中所示。电容C1接在管VT5的基极和集电极之间，组成一电容负反馈的锯齿波发生器，又称密勒积分电路。在VT4截止期间，电流+15VR6C1R22RP-15V对C1充电。在4端形成线性增长的锯齿波。锯齿波的斜率取决于流过R22、RP的充电电流和电容C1的大小。根据VT4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，把正弦波的同步电压变换成锯齿波的同步电压，如图中的所示。VT6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压偏移电压，移相控制电压分别经R24、R23、R26在VT6基极上叠加。当

48、0.7V时，VT6导通，改变移相控制电压即可改变VT6的导通时刻。从而使脉冲得以移相。 VT7等是脉冲形成环节，平时VT7经电阻R25获得基极电流而得以导通，而电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、VT7基-射结充电。当VT6由截止变为导通时，C2所充电压通过VT6成为VT7基极反向偏压使VT7截止。此后C2经+15V R25VT6地反向充电，当其充电电压(12端) 1.4V时，VT7复又导通，如图中，所示。这样在VT7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度取决于充电时间常数R25和C2的大小。VT8、VTl2为脉冲分选环节。在同步电压的一个周期内VT7集电极输出两个脉冲。这两个脉冲相位差

49、。如何区分并检出脉冲去触发全波整流电路同一相中在正半周和负半周工作的两个晶闸管呢?由图4-2可看出。通过正负半周同步电压来分选脉冲。例如，在的正半周VTl导通时，图中A点是低电位，B点是高电位，使vT8截止，VT12导通。VT12把来自VT7的正脉冲钳位在零电位。此时，VT7正脉冲通过二极管VD7，经组成的功放级放大，由1端输出。在同步电压负半周，则情况相反，VT8导通，VT12截止。VT7正脉冲经VT13到VT15功放级放大，由15端输出。KC04中的稳压管VSl、VS2、VS3、VS4、VS5可提高VT8、VT9、VT12、VTl3的门限电压，从而增强电路的抗干扰能力。VD1、VD2、VD

50、6、VS7、VD8是隔离二极管。整个分析过程的波形如下图4-3所示.Uc1c1 本科毕业设计说明书图 4-3 KCO4内部工作波形图4.1.2 KC41六路双脉冲形成器KC41是三相全控桥触发线路中的必备环节，KC41属脉冲逻辑电路，其内部结构如下图4-4，图4-5所示 ： 图 4-4 KC41（KC41C）接线图 图 4-5 KC41原理图 主要技术数据如下： 1)电源电压 直流+15V，允许波动为功能正常； 2)电源电流 20mA； 3)输出脉冲 最大输出能力为20mA(流出脉冲电流)：幅度13V；4)输入端二极管反压 18V，5)控制端正向电流 8mA；6)封装 KC42电路采用16脚陶

51、瓷双列直插封装；7)允许使用环境温度为 。(2)原理及波形如上图所示 当触发脉冲加入端时，由输入二极管完成补脉冲，再经把电流放大，分六路输出。补脉冲+U-W+V-U+W-V+U的顺序排列组合。VT7是电子开关，当控制端7接0电平时，VT7截止，各路均有触发脉冲输出，若接1电平(+15V)，则VT7导通，各路均被封锁。输出功率放大若用3DK4触发电流可800mA。4.2触发电路的计算4.2.1触发电路移相计算移相电路的电路图如图4-7所示：图 4-6 移相电路图同步电压与主电路的关系可如图所示：0 图 4-7 移相电路原理图对上图分析如下：逆变变压器的三相电压为，触发电路的同步变压器的同步电压落

52、后于三相电压，触发电压落后同步电压为为。根据公式根据以上分析得：，取， 则： 得：取电容值为，电阻值为。在主电路中整流变压器采取D/Y-11点钟的联结方法，变压器二次侧超前一次侧30。由于KC04要求同步电压相位滞后晶闸管阳极电压30而触发电路中滤波电路恰好滞后30，所以同步变压器的结法采用与整流变压器相同的联结方法，即D/Y-5点钟的联结方法。因触发电路控制有源逆变整流桥电路，其同步电压与电网电压的相序相反，即上图4-7所示，触发电路的同步电压与逆变变压器二次侧的接线原理图4-8如下： 图 4-8 触发电路同步变压器的接线图图中、为触发电路的同步电压，与逆变变压器形成同步移相触发电压。彼此相

53、位相差。逆变变压器的二次侧电压为183V，同步变压器的同步电压为30V。由于同步变压器采用D/Y-5点钟的联结方法，一次侧相电压为183V，触发电路中的KC04要求的同步电压为30V，所以变压器二次侧的向电压为30V，由此可得同步变压器的变比为。已知同步变压器给定铁心的截面积为，铁心磁密。所以原边的匝数 副边匝数电流密度原边导线尺寸，取直径为0.018mm的导线。副边导线尺寸 ，取直径为0.028mm的导线。4.2.2脉冲变压器的选择脉冲变压器是用以传输脉冲的变压器，她广泛应用于晶闸管触发电路，电子仪器，电视及无线通信等。集成触发电路的脉冲变压器接在ULN2003的输出端，其接法如图4-9所示

54、：图 4-9 脉冲变压器接线原理图当KC41的输出脉冲到达三极管的基极后，三极管导通，。此时，电流经脉冲变压器的原边和三极管的集-射极接地，形成回路。与此同时，脉冲变压器的副边形成一个上正下负的感应电压。通过二极管VD2和电阻，送给晶闸管门极一个触发压，从而触发晶闸管导通。根据晶闸管的型号KP400-10D可知其参数如下：门极触发电流：；门极触发电压： ；门极不触发电压：。因为在脉冲变压器的副边感应电动势即电压为5V，而触发晶闸管门极的电压，电流，导通后管压降为0.7V左右，现取电流为。故：根据计算取电阻的阻值为脉冲变压器的原边电压为30V，副边电压为5V，则脉冲变压器的变比为K=6，脉冲变压

55、器的一次侧电流为：电阻为： 当KC41没有脉冲输出时，三极管关断。此时，因为脉冲变压器的原边上存储有能量，因此要沿着原电流方向释放能量，此时的电流的方向为R1变压器原边DWD1R1，形成回路，因为稳压管DW的电压值是固定的，所以电流不断的变减小。由于电路的放电时间常数很小，脉冲变压器原边存储的能量在瞬间释放完毕，在下个脉冲到来时原边的磁路磁通为零，因此在此选择稳压管。在原边放电的同时，脉冲变压器副边感应出一个下正上负的感应电动势，而此时二极管D2由于电压反向而截止，使脉冲变压器的输出只有正向脉冲电压。触发电路原理图5699756附录一 触发电路原理图附录二 主电路原理图结论本文针对绕线式异步电

56、动机串级调速系统进行分析和设计，根据系统本身的原理特性，主要针对串级调速系统的主电路和触发电路进行了设计。主电路设计包括不可控整流和有源逆变整流及其逆变变压器，根据给定的设计要求需要对主电路所需器件进行计算选择，同时必须选择计算相应的保护电路。如晶闸管的保护，缺相保护等。触发电路的设计在主要包括同步变压器的设计，移相电路和脉冲变压器的设计。串级调速在异步电动机调速方面以其结构简单，节能，高效，操作方便。随着晶闸管技术的不断发展，串级调速在异步电动机调速方面的优势将会更加明显。触发电路的发展将逐渐向集成化，智能化方向发展。由于本人能力的限制以及时间的局限性，在设计中出现的不足之处还望各位老师谅解，我定会再接再厉。参考文献 1.陈伯时