閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)
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摘要：基于直流V-M雙環(huán)不可逆調(diào)速設(shè)計(jì)步驟，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成調(diào)速系統(tǒng)，主電路元部件的確定，包括驅(qū)動(dòng)控制電路的選型，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算。
關(guān)鍵詞：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制，動(dòng)態(tài)參數(shù)
引言
直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前運(yùn)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適合的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)常使用比例積分調(diào)節(jié)器同時(shí)采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)來(lái)限制了起制動(dòng)時(shí)的最大電流這樣就解決了起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的情況。直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為比較成熟且能夠滿足大部分設(shè)備需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
1.1過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)
過(guò)電壓保護(hù)主要分為側(cè)過(guò)電壓保護(hù)和直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)[1,2]。對(duì)于交流側(cè)有效的保護(hù)措施有金屬氧化物壓敏電阻、硒堆吸收裝置、阻容吸收裝置等。容吸收裝置使電容器兩端電壓不能發(fā)生突變來(lái)吸收瞬間的浪涌能量。其主要接線方式如圖1。圖1（a）單相整流的阻容保護(hù)；圖1（b）三相整流的阻容保護(hù)；圖1（c）可控硅元件的阻容保護(hù)。金屬氧化物壓敏電阻是一種損耗低體積小的金屬氧化物加工燒制的非線性壓敏元件，它的伏安特性具有正反向相同、陡峭的特點(diǎn)，正常工作的情況下只允許毫安以下的電流通過(guò)，并且如果發(fā)生過(guò)電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大（kA）的放電電流將線路中的電壓抑制在允許的范圍內(nèi)。對(duì)過(guò)電壓反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)因此它的伏安特性是連續(xù)和遞增的，因此不存在續(xù)流的遮斷問(wèn)題。硒堆吸收裝置由摻入適量雜質(zhì)的硒串聯(lián)組成硒堆得到與齊納二極管類似的轉(zhuǎn)折特性來(lái)抑制浪涌電壓?，F(xiàn)在10kV以下的電力設(shè)備系統(tǒng)中過(guò)電壓保護(hù)經(jīng)常采用的保護(hù)方式綜合示意圖如圖2。直流側(cè)整流器如果在快速關(guān)斷和橋臂快速熔斷時(shí)也會(huì)發(fā)生過(guò)電壓，所以在直流側(cè)采用阻容保護(hù)電路，也可以采用非線性元器件來(lái)控制過(guò)電壓（如壓敏電阻），因?yàn)閴好綦娮鑼?duì)沖擊電壓十分靈敏，體積小價(jià)格較低。
1.2過(guò)電流保護(hù)措施
電力系統(tǒng)中可能會(huì)發(fā)生相間短路故障及負(fù)載超負(fù)荷運(yùn)行、絕緣等級(jí)下降的狀況，這時(shí)電流就會(huì)突變并且達(dá)到一個(gè)超過(guò)設(shè)備所能承受的電流值，按照線路的選擇特性，過(guò)流保護(hù)有選擇的切斷故障電路，然后啟動(dòng)時(shí)間繼電器，在經(jīng)過(guò)時(shí)間繼電的延時(shí)后，觸點(diǎn)閉合斷路器的跳閘，故障就被切除。過(guò)電流保護(hù)有短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)。其中繼電器和熔斷器就是很常見(jiàn)的短路保護(hù)元件，具有整定電流大，動(dòng)作時(shí)間短的特性。熱繼電器、延時(shí)電磁電流繼電器屬于過(guò)載保護(hù)元件，具有反時(shí)限，整定電流小的特點(diǎn)。過(guò)電流保護(hù)的措施：（1）電流互感器在直流側(cè)或交流側(cè)接入過(guò)電流繼電器，在發(fā)生故障時(shí)斷開(kāi)主電路。（2）為了能夠限制短路電流用交流進(jìn)線中串接電抗器或使用漏抗大的變壓器。（3）直流快速開(kāi)關(guān)可以幫助大中容量的設(shè)備及出現(xiàn)逆變的狀況，進(jìn)行過(guò)載或短路保護(hù)。（4）電流檢測(cè)裝置在交流側(cè)，發(fā)出過(guò)電壓信號(hào)然后觸發(fā)器動(dòng)作后移或抑制了脈沖直流開(kāi)關(guān)的額定電壓應(yīng)大于額定整流電壓。直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路的電流平均值I2d和快速開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗄芰fd2d，它的動(dòng)作電流Ig2d需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的可以過(guò)載的最大電流整定，即Ig2d＝KIN，式中K是電動(dòng)機(jī)可以過(guò)載的最大倍數(shù)，要小于等于2.7，IN是電動(dòng)機(jī)的額定電流。一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)在調(diào)速系統(tǒng)中常根據(jù)變壓器的一次側(cè)線電壓來(lái)選擇熔斷器額定電壓它的額定電流也需要大于或等于正常的電流，還需有對(duì)三相交流電路變壓器的一次側(cè)進(jìn)行串聯(lián)熔斷器的操作。
1.3快速熔斷器
快速熔斷器可以對(duì)半導(dǎo)體元件和整流裝置進(jìn)行短路保護(hù)，快速熔斷器具有快速反應(yīng)的特性和反時(shí)限電流保護(hù)特性，可以提供快速熔斷和適應(yīng)多種類型保護(hù)對(duì)象需求的能力?？焖偃蹟嗥鞯膬?nèi)部結(jié)構(gòu)與封閉式熔斷器基本的結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別是材料和形狀的不同?？焖偃蹟嗥髟O(shè)置在交流或直流側(cè)裝設(shè)在直流側(cè)的快速熔斷器需要與元件串聯(lián)并且快速熔斷器的額定電壓要大于正常電壓的有效值，快速熔斷器的額定電流要大于正常時(shí)的額定電流。
1.4晶閘管保護(hù)設(shè)計(jì)
因?yàn)榫чl管具有易受干擾發(fā)生誤導(dǎo)通的特性—在出現(xiàn)過(guò)電壓后晶閘管的正向電壓會(huì)發(fā)生誤導(dǎo)通的情況從而引發(fā)電路故障。晶閘管是半導(dǎo)體器件具有體積和熱容量都很小的優(yōu)點(diǎn)，所以在類似晶閘管這種遇到高電壓、大電流的功率器件時(shí)晶閘管的選擇必須嚴(yán)格控制。如果這時(shí)候外加的反向電壓大于它的反向重復(fù)峰值電壓UDRM時(shí)，晶閘管就會(huì)瞬時(shí)損壞，晶閘管被擊穿。所以過(guò)電壓也會(huì)引起供給的電壓功率發(fā)生劇烈變化時(shí)系統(tǒng)的電磁能量造成破壞。因此閘管不光需要具備電壓保護(hù)，還有過(guò)電流保護(hù)。晶閘管對(duì)于過(guò)電流的保護(hù)措施在這里主要有快速熔斷器、過(guò)載截止保護(hù)、過(guò)電流繼電器等。這里特別解釋一下過(guò)載截止保護(hù)，它利用的是過(guò)電流信號(hào)引起晶閘管觸發(fā)信號(hào)后將晶閘管的導(dǎo)通角縮小或關(guān)斷觸發(fā)來(lái)保護(hù)晶閘管。對(duì)于晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)有交流側(cè)過(guò)電壓及其保護(hù)（壓敏電阻）以及阻容保護(hù)。
2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
2.1驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路在主電路與控制電路之間進(jìn)行信號(hào)發(fā)大的電路。一般的半控型器件只能導(dǎo)通控制信號(hào)而全控型器件具有導(dǎo)通和關(guān)斷控制信號(hào)的能力。驅(qū)動(dòng)電路提供了系統(tǒng)的可靠性和變換效率，減小開(kāi)關(guān)器件的損耗。驅(qū)動(dòng)電路要根據(jù)安全規(guī)定進(jìn)行絕緣。
2.2晶閘管觸發(fā)電路
晶閘管觸發(fā)電路一般是由控制相位電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)組成。它的觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)需要有一定的條件即脈沖的寬度要足夠可靠可以使晶閘管順利導(dǎo)通，其中三相全控橋式電路一般大于60o。觸發(fā)脈沖還需要有充足的幅度來(lái)面對(duì)苛刻的工作環(huán)境一般為最大觸發(fā)電流的3～5倍。脈沖的前沿陡度要適量增加，不超過(guò)晶閘管的門極電壓。需要較強(qiáng)的抗干擾能力進(jìn)行電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖3。構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖4。脈沖變壓器結(jié)構(gòu)和普通變壓器類似基本原理是將鐵心的磁飽和性把正弦波電壓整定成窄脈沖進(jìn)行輸出。脈沖變壓器的設(shè)計(jì)一般需要考慮波形傳送的問(wèn)題脈沖變壓器設(shè)計(jì)如圖5。
3結(jié)語(yǔ)
電力元器件可以承受的電壓電流與一般的半導(dǎo)體器件相比要大許多，但是相對(duì)于其他電氣設(shè)備要脆弱很多，瞬時(shí)的過(guò)電流和過(guò)電壓都會(huì)造成元件損壞，不利于系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生裝置的故障。簡(jiǎn)而言之在選擇器件的容量的同時(shí)還需有可靠的保護(hù)裝置來(lái)保證運(yùn)行的安全。
參考文獻(xiàn)
[1]龍志文.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[2]莫正康.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
作者：張城 單位：山東科技大學(xué)