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1、直流调速系统主电路设计 学校： 系部： 班级： 姓名： 学号： 2011年12月20日目录1 直流调速系统31.1直流调速系统种类31.2调速系统选择31.3系统结构32主电路设计与分析42.1 整流电路设计42.2参数计算与器件选择53触发驱动电路6.触发电路同步信号选择5.2同步电源的选择5.初始信号的确定54保护电路94.1保护电路必要性94.2过压保护104.3过流保护125回转窑主驱动装置的选型与常见故障分析135.1装置构成及控制原理135.2选机型145.3回窑控制方案155.4直流驱动故障分析16整流主电路连接结构问题1.BB才整流设备存在问题和原因1.同轴式结构.整流器件和快
2、速熔断器心得体会附件1 直流调速系统1.1直流调速系统种类变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：1） 旋转变流机组。用交流电动机和直流发动机组成机组，获得可调的直流电压。2） 静止式可调整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。3） 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。1.2调速系统选择直流斩波器最初用在简单的单管控制，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，即脉宽调制变换器。如今常用的脉宽调制电路一般为桥式电路，由电力电子器件组
3、成，主电路线路简单，开关频率高，电流容易连续，谐波少，低速性能好，因为这一系列优点，直流PWM调速系统应用日益广泛。综合以上内容，本设计为不可逆调速系统，故采用静止式可调整流器实现调速，整流电路采用三相半控桥式电路。1.3系统结构为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，常采用单闭环系统，而对调速要求较高的地方则采用多闭环系统。常见的反馈方式有转速反馈，电流反馈和电压反馈等。单闭环系统中，转速单闭环使用较多。本直流电动机不可逆调速系统要求不高，故采用转速单闭环调速结构，系统框图如下所示：图1-1 单闭环调速系统2主电路设
4、计与分析2.1 整流电路设计在中等容量的整流装置或要求不可逆调速的电力拖动系统中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路。它由共阴极接法的三相全波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是自然换流点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相中去，而共阴极组三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一相中去。整流输出电压波形Ud是三组整流电压波形之和，改变共阴极组触发晶闸管的控制角，可以获得的直流可调电压。三相半控整流电路基本电路图如下所示：图2-1 三相半控桥式整流电路类似于三相桥式全控整流电路
5、，将共阳极的三支晶闸管替换为整流二极管就构成了半控整流电路。因此按照顺序VT1到VT3的顺序导通，共阳极组三个整流二极管总是自然换流点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相中去。对应三相半控整流电路，60的触发角是电流断续和连续的分界点，在触发角大于60以后，就会出现电流断续，这样对负载是电动机的系统，电动机的机械特性将会很软。因此为了保证电动机的稳定工作，需要保证触发角在60以内。这样在Ie。整流装置所需的过流能力已从可控硅元件的选择上做了保证。如：北京整流器厂的KGSF系列可控硅传动装置在设备说明书中对于起动性能的描述如下：在任意给定转速下，均可满负荷起动。 可控硅元件的额定电流：带较大电感
6、性负载时，整流装置输出的电流波形连续，流过可控硅元件的平均电流为整流输出平均电流的1/3，即：IT=Id/3。式中：IT可控硅元件的平均电流;Id直流调速装置输出的平均电流。 决定可控硅元件允许电流大小的是温度，具体说是指管芯PN结的温度。此指标主要与电流的有效值有关。但可控硅的额定电流是指在常温和正常的冷却条件下，带电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通时结温不超标所允许的最大平均电流。因此需要在电流有效值相等的原则下，将实际允许的平均电流与额定电流进行换算,考虑裕量,可控硅的额定电流： ITa=(ITdKf/1.57)Kt 式中：ITa可控硅实际允许的平均电流，实际计算中可选为电动
7、机最大过载倍数电流的1/3; Kf整流波形系数（对于电感性负载,三相全控整流桥,其值取为1.73）; Kt电流裕量系数，一般可取1.52倍。 整流装置的额定输出电流的大小应与可控硅元件相匹配。 直流调速器实际选型中应充分考虑回转窑的起动特性，调速器的容量与电动机的过载能力应相一致，从而最大有效地发挥二者的能力。 直流调速装置的选型实例： 某厂的1、2号窑为年产熟料35万t的湿法窑。回转窑的主传动采用双传动方式，2台电动机的电枢相串联。窑主电动机的主要参数如下：单机功率：220kW 电枢电压:220V；电枢电流：960A 所选的直流调速装置如下: 型号:KSF221000/440 额定输入电压:
8、380V额定输出电压:440V 额定输入电流：816A额定输出电流:1000A 生产厂商：西安电力整流器厂 从该设备的选型可见，基本满足前面所述的选型要求，运行情况良好。 四川双马水泥集团的7号窑，为年产水泥50万t的湿磨干烧窑，窑中主传动电动机采用单传动方式，窑主电动机参数如下： 型号：ZSN4220kW 额定电枢电压：440V；额定电枢电流：550A 电动机过载倍数：2.53 双马厂选用的直流调速器为西门子公司的全数字直流调速装置6RA70系列1200AR产品。 由公式Id3Ie/k=3550/1.5=1100A可见,该选型是比较合理的。实际的运行情况也不错。 5.3 回窑控制方案 直流调
9、速装置一般是做双闭环运行，即流调、速调，回转窑在直流驱动系统正常时，运行非常平稳。但在停窑时，由于回窑产生较高反电势，会对系统造成一定的危害。故控制系统应有较为完善的解决方案。现提出一些观点，以供商榷： 1)本桥逆变：停窑时，电动机高速反转，产生的反电势较高，此时可使导通角90,即使整流电路进入有源逆变状态工作，实现直流逆变交流，将电能回送电网。 2)减弱激磁：停窑时，分断主接触器，并在同时将激磁电流大幅减小以限制反电势。 3)能耗制动：停窑时，整流装置封锁脉冲，主接触器分断，同时在电枢主回路中串入能耗制动电阻以消耗回窑反电势能量，并可与第二种方案作互补控制，进一步减小回窑对直流驱动装置的影响
10、。 实例：西门子的6RA70系列产品本身就具有方案1和方案2的功能，其中方案1为此套系统的标准功能，无需外加器件，即可完成:方案2也无需外加器件，只要通过对直流调速装置内部参数的设定来完成，从而达到主回路一掉电，励磁电流成倍减少，从而成倍减少反电势。2种方案可以同时运用，以达最佳效果在四川双马水泥厂的6号和7号线上均运用了此2种回窑控制方案，效果比较理想。 5.4 直流驱动装置故障分析 1)电流波动，窑速不稳。由直流调速理论可知，直流电动机转速(窑速)电流与整流电压、激磁磁通都有关系，二者发生故障对窑速和电流均有影响。 电动机内部的激磁电源线有破损，在电动机运行中随着电动机振动有瞬时碰壳现象，
11、电动机的转矩下降，转速降低，电动机转动发生困难，现场表现为窑速波动。 实例：我厂4号窑窑速波动，时不时发生转动困难。当时一度怀疑触发装置故障，但在现场检测中，触发脉冲完全正常，后拆开电动机发现是激磁线破损，处理完后开机正常。 由于调速装置整流柜上的冷却风机引起的振动，造成电路印制板上的相关元件焊点松了，或是相关的电子元件发生故障，脉冲时有时无，可控硅元件的触发不可靠，用示波器观察会发现电压波形1个以上的波头不稳定、闪动的情况。 此故障在我厂的3、4号窑多次发生，尤其是在每年的夏季，天气炎热、潮湿，我厂收尘效果又不是太好，粉尘相对较大，对电气元件的影响较大。 外部给定信号，由于电气元件的接触不可
12、靠，从而造成触发脉冲不可靠，引起电流和窑速的波动。 2)窑速突然下降，但之后窑主机能稳定运行 造成这种情况主要是以下2种原因：1)触发脉冲丢失，比如触发回路的相关器件脱焊，相应的可控硅回路无法导通，造成输出整流电压下降；2)可控整流桥桥臂上的可控硅元件故障，或是熔断器熔断，造成输出电压下降，常见故障的有一臂、两臂及一相断开，其对整流输出电压的影响如表2所示。注：Ud：整流桥无故障输出的直流电压；同组是指同一阴极组或同一阳极组。 我厂的3、4号窑曾多次发生此类故障。主要是熔断器熔断引发故障。 3)窑主电动机无法起动 此种情况有以下原因：外部联锁控制设备故障，主电动机控制回路无法接通；多个整流元件
13、或是触发回路故障，输出电压低，整流装置提供的起动电流太小，起动力矩不够，不能起动。由于检修后触发脉冲出线接线不慎，造成可控桥整流元件的触发顺序混乱，电压波形异常。 实例1：我厂的4号窑主电动机直流传动装置柜的控制脉冲分配板上的触发脉冲出线由于整流柜上的风机振动，多个接线松动，造成不能开机。后将出线插头全部改成焊接，此类故障大大减少。 实例2：我厂的1号窑主电动机直流传动装置检修完后，发现电动机不能起动，将装置带上电炉作负荷，观察电压波形，发现波形紊乱，另换上1块脉冲分配板，故障依旧。测脉冲分配器所产生的脉冲，幅度及移相均正常，仔细检查脉冲分配板的出线，发现6个脉冲的出线有顺序接反的现象。将误接
14、线纠正，重测波形正常。 6整流主电路连接结构问题 6.1 BBC整流设备存在的问题和原因分析 中铝青海分公司一电解，年产电解铝100kt。整流电源设备是在1985年由当时的瑞士BBC提供，也是BBC自1958年生产电化学用硅整流设备以来，承接的第330份订单。整个系列有260台电解槽，系列电流160kA，系列电压1150V，由四个电流为56kA，电压1150V的整流机组并联供电。这在当时称得上是世界上功率最大，技术最先进的电化学用整流设备了。至今，经过1617年的运行，就整流器本身而言，与后来国内其他各厂从德国西门子，瑞典ASEA，法国西吉莱克，意大利安萨尔多以及日本富士电机等国际著名公司引进
15、的同类整流器相比，仍不逊色。 图1和图2分别是整流主电路连接原理图与整流装置结构示意图。由图2可知，整流装置的结构特点是将整流的正、负极分成两个独立单元，以避免整流装置内部发生直流侧短路。不仅如此，其母线结构的整体性和动态稳定性也非常优越。然而，经过十多年的运行证明，该整流装置的优点是以增加整流变压器的制造难度和缩短整流变压器使用寿命为代价获得的。其主要表现为： 1）变压器噪声过大，达到90dB以上； 2）运行温升偏高，最高可达到85； 3）绝缘过快老化，现在最严重的地方，表面已出现焦裂现象； 4）自饱和电抗器调压范围不够，只有20V左右。图1 整流主电路连接原理图图2 整流装置结构示意图 由
16、于BBC当时是第一次制造这么大容量的整流变压器，对于大电流交变磁场所产生的危害认识不足。由图1可见，当强大的交流电流通过阀侧交流母线时，所产生的交变磁场不能被相互抵消；而阀侧母线的连接方式使得自饱和电抗器的引出线之间有过多的相互交叉，结构非常复杂，因此，不得不过多地采用软连接，使之没有足够的支撑；在大电流交变磁场的作用下，产生的振动，局部涡流发热和对自饱和电抗性能的影响就很突出，以致于超出允许范围，加速设备老化。 另外，或者是受运输尺寸的限制，或者是为了节省材料，BBC将本应做成两个器身的整流变压器合二为一成一个。并且取消了中间的共轭铁心，使变压器结构特别紧凑，变成了分裂式变压器。分裂式变压器
17、的电磁特性还与其穿越阻抗的大小有关，所产生的负面影响也不能被轻易忽视。 .2. 同轴式结构 法国阿尔斯通和西吉莱克的做法是将整流装置的各个整流臂做成同轴式结构。整流主电路连接原理图和整流臂结构示意图如图3和图4所示。这种结构是将交流母线穿过直流母线框窗口，再把器件和快熔以交流母线为轴线对称分布安装在交流母线上，然后经连接母排汇接到后面的直流母线框上。图3 同轴式三相桥式整流主电路连接原理图图4 同轴式整流臂电流流向示意图 由图4可见，在整流装置这一部分，按电流流向和磁场分布规律，交变磁场的大部分能够被抵消。但是，直流母线框后面去整流变压器一段的交变磁场不能被抵消。 采用同轴结构，整流变压器的引
18、出线结构相对来说比较简单。 在西吉莱克的整流装置中，4英寸整流二极管采用单面水冷却，将4英寸器件当3英寸器件使用。这样，有利于减小整流装置损耗，简化水路结构。但设备造价要相应地提高。.2. 同相逆并联结构 同相逆并联结构方式是日本富士电机及中国各主要整流器制造厂家普遍采用的结构方式。整流主电路连接原理图和整流臂结构示意图如图5和图6所示。图5 三相桥式同相逆并联整流主电路连接原理图图6 同相逆并联整流臂电流流向和磁场分布示意图 同相逆并联技术的应用始于上世纪70年代。是从根本上消除大电流交变磁场负面影响的一种治本的办法。从整流变压器绕组引出端开始，到整流装置直流汇流点为止，除饱和电抗器一段（在
19、饱和电抗器以前）之外，所产生的交变磁场的大部分能够被相互抵消掉。对消除涡流发热，降低阀侧母线电抗压降和减小交变磁场对电流分配的影响都特别有效。采用同相逆并联技术，必须处理好两个同相逆并联连接的整流臂之间绝缘问题，以防止发生短路故障。经过不断地研究和改进，现在这个问题已经得到了解决，不再是影响同相逆并联技术应用的障碍。如果不受快熔分断能力的限制，采用同相逆并联结构继续增加整流机组单机电流的空间最大。6.3 整流器件和快速熔断器 整流器件和快速熔断器都是整流装置中的核心元器件，其技术水平和性能指标是保证整机技术水平的关键。二者之间选配得合理与否对于整个整流机组是至关重要的。3.1 整流器件参数名称
20、 4英寸二极管 4英寸晶闸管 5英寸电触发晶闸管 5英寸光触发晶闸管 管芯直径/mm 3.2 快速熔断器及其选配 按照电解铝供电电源的运行特点，快速熔断器的主要作用是隔断故障支路，保护完好的整流臂，防止事故扩大。表5列出了几种在电化学用整流装置中大量使用的大电流快熔的主要技术参数。 从保护方面而言，快速熔断器的熔断I2t和极限分断能力是两个非常重要的参数，选型时必须满足以下几点要求： 1）要求快速熔断器的熔断I2t必须小于器件管壳不破裂能承受的最大I2t。当整流臂的某支路整流器件因击穿而发生阀侧短路时，要求与该故障支路器件串联的快熔必须在器件管壳可能爆裂之前就要熔断，以防止器件管壳爆裂引起电弧
21、造成事故扩大。如表4所列，ABB4英寸二极管管壳不破裂能承受的最大I2t=85MA2s，要求所选配的快熔的熔断I2t必须小于这个值。 2）要求快速熔断器的极限分断电流必须大于故障（整流）臂能产生的最大预期短路电流。例如，一个额定直流输出（372）kA1220V的整流机组，发生阀侧短路时，最大预期短路电流约186kA。所以，要求快熔的极限分断能力必须大于186kA。如果快熔分断能力达不到这个要求，有可能发生管壳爆裂引起电弧造成事故扩大。 3）要求每个整流臂上各并联整流器件的浪涌电流平方时间积（即每个器件的I2t）之和必须大于与器件串联的快熔的I2t。按图7所示电路，查表4和表5，3只ABB器件（
22、4680A/5000V）的I2t之和26.63=79.8MA2s大于一个Bussmann快熔（4500A/1100V）的I2t=67.5MA2s。因此，要求每个臂的并联元件数不得少于3只。图7 整流器件击穿时短路电流流向示意图表5 几种快速熔断器主要技术参数型号 额定电压/V 额定电流/A 结构 熔断I2t/MA2s 极限分断能力/kA 制造商 RS41100/3600 1100 3600 单体 22.8 230 西整二分厂 RS81250/5000 1250 5000 双体 60.2 230 西整二分厂 RS81250/4500 1250 4500 单体 49.8 205 西整二分厂 5SB
23、KN/115 1100 5000 单体 93.0 197 Bussmann 5SBKN/115 1100 4500 单体 67.5 197 Bussmann 5SBKN/130 1300 3000 单体 27.5 197 Bussmann 1250 4000 双体 47.0 220 FERRAZ 4）按标准要求，当直流侧发生故障短路时，要求整流柜里的整流器件和快速熔断器在高压开关跳闸之前不得损坏，能够承受持续时间不小于2s的直流侧短路冲击。 按照器件供应商（ABB和株洲所）提供的资料，二极管整流器件在时间不超过2s（即100个周波）以内，允许通过约5倍的浪涌电流。Bussmann快熔（4500
24、A/1300V）在2s之内，可通过7倍以上的电流。再考虑整流机组本身还有不小于3倍的安全裕量，至少有不小于10倍以上的抗短路过流能力。对于10kV以上的供电电网，调压整流变压器的总短路阻抗，一般不小于12.5，最大的直流短路电流在8倍以下。所以，当直流侧发生故障短路时，器件和快熔在高压开关跳闸之前（时间不超过2s）不会损坏。7心得体会本次的设计为直流电机的不可逆调速系统，首先就涉及到三相桥式整流电路的设计，这也是整个电路设计的关键与主要部分。整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。根据题目的要求选择了三相桥式半控整流电路的主结构。对于一个电路的设计，首先应该对
25、它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。在这次课程设计过程中，首先碰到的难题就是保护电路的设计。因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。经过查阅大量资料和文献，还有同学的帮助，最终选择了一个较合适的保护电路。其次遇到的困难是电路中一些参数的计算。桥式整流电路的分析需要结合图形，一步一步仔细分析，加之带了反电动势负载，在分析计算中又多了一个困难。最后是根据整流电路的指标来选择晶闸管的参数。这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还
26、是逐步解决了。每次做课程设计都是一个很重要的培养过程，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，因此，不管怎样，都要迎难而上。首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，先把主要设计任务分析清楚，才能更好地展开工作。接下来就是找相关资料，资料的来源是丰富的。在这繁杂的资料中筛选出有用的东西还是要费些力气的，而且需要极大的耐心阅读与分析。 通过这次课程设计我对于文档的编排格式又有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，在更深程度上又理解了一下这么课程。附件：（1）分立元件构成的晶闸管触发电路（2）带保护的主电路附录A 主电路图附录B 控制电路原理图三主电路设计原理图30