3主电路设计与计算

3主电路设计与计算3.1主电路的设计由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电。如图3-1所示。在图3-1中，SB1为停止按扭，SB2为启动按扭。主电路的工作过程为：先合上开关QS1，接通三相电源，经整流变压器变压后，一路经整流二极管VD1~VD6组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电，作为直流电机的励磁电源。当励磁电流达到最小允许值后，过电流继电器吸合，此时按下启动按扭SB2，接触器KM得电吸合，其主触头闭合，从整流变压器输出的三相电压经热继电器后加到由晶闸管VT1~VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。3.2整流变压器的设计3.2.1变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会图3-1晶闸管三相全控整流电路MVISB1SB2KMKAKA2KML1L2L3NFU1T11R1--1R31C1--1C3KMFR11RV1--1RV31R41R51R61R71R81R91C41C51C61C71C81C91VT11VT21VT31VT41VT51VT6LdFU2FU3FU4FU5FU6FU7VD1VD2VD3VD4VD5VD6RW1RW2KA2QS1UWVV1U1W1IKA1FR1TA1TA2TA3UVW造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：BAUUd2.1~12（3-1）式中:A—理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B—延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；ε—电网波动系数，通常取ε=0.9；1～1.2——考虑各种因数的安全系数；对于三相全控整流电路A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985，由式（3-1）可得VU133~111985.09.034.22302.1~12，取2U=125V。电压比K=U1/U2=380/120=3.04。3.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算整流变压器一次、二次相电流与负载电流dI之比分别为：KI1=I1Id⁄（3-2）KI2=I2Id⁄（3-3）考虑变压器的励磁电流时，1I应乘以1.05左右的系数，即：KIKIdI1105.1（3-4）对于三相全控整流电路KI1=0.816,KI2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得：AKIKIdI9.5804.3209816.005.105.111AIKIdI54.170209816.0223.2.3变压器容量的计算1111IUmS；（3-4）2222IUmS；（3-5）)(2121SSS；（3-6）式中m1、m2--一次侧与二次侧绕组的相数；对于三相全控挢式整流电路m1=3，m2=3，则有：S1=m1U1I1=3×380×58.9=67.146kVAS2=m2U2I2=3×120×170.54=61.394kVAS=0.5(S1+S2)=0.5×(67.146+61.394）=64.27kVA取S=64.3kVA3.3晶闸管元件的选择3.3.1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压mU，并考虑（2～3）倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压TNU，即TNU=（2～3）mU在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为26UUm，则mTNUU)3~2(=26)3~2(U=1256)3~2(V=56.918~37.612V（3-8）这里UTN取800V。3.3.2晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TNI大于实际流过管子电流最大有效值TI，即:TNI=1.57)(AVTITI或)(AVTI57.1TI=57.1TIddII=KdI（3-9）考虑到（1.5～2）倍的裕量)(AVTI=（1.5～2）KdI（3-10）式中K=TI/（1.57dI）——电流计算系数。对于三相全控整流电路K=0.368，考虑1.5～2倍的裕量n2~5.12~5.1KIKIIdAVTA8.153~4.115209368.02~5.1取AIT150。故选晶闸管的型号为KP150晶闸管元件。3.4主电路的保护设计与计算在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。3.4.1过电压保护以过电压保护的部位划分，可分为交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器件两端过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护①阻容保护即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护，如图3-1中的1R1—1R3和1C1-1C3。对于单相电路226emSCIU(3-11)电容C的耐压1.5mU222.3shemUURSI(3-12)PR≥（3~4）IR2R（3-13）IC=2πfCUC（3-13）式中：S—变压器容量（VA）2U—变压器二次相电压有效值RI—通过电阻的电流（A）emI—变压器励磁电流百分比，10~100KVA的变压器，对应的emI=10~4；shU——变压器的短路比，10~1000KVA的变压器，对应的shU=5~10；mU——阻容两端正常工作时交流电压峰值（V）。对于相电路，R和C的数值可按表3-1进行换算。表3-1变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值变压器接法单相三相、二次Y联结三相、二次D联结阻容装置接法与变压器二次侧并联Y联结D联结Y联结D联结电容CC1/3C3CC电阻RR3R1/3RR本系统采用D-Y连接。S=64.3kvA,U2=125VIem取值：当S≥10KVA时，取Iem=4。26USICem=231253.641046µF=98.76µF耐压≥1.5Um=1.5×125×6=459.28V由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZ32-2型金属化纸介电容器，电容量160uF，耐压500V。emshIUSUR223.2=45103.641253.232Ω=0.62Ω，取R=1Ω6102CCcUfI=610125100502=3.93ARIPRR2)4~3(=193.3)4~3(2W=8.61~3,46。W选取1、75W的金属膜电阻。②压敏电阻的选择压敏电阻标称电压mAU1=223.1U=1.3×2×125=398V取电流量5KA，选MY41-400/5型压敏电阻。允许偏差+10％（440V）。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。MaU1(1.8～2)DCU=(1.8～2.2)×230=414～506V选MY31-500/5型压敏电阻，允许偏差+10％。（500V）。（3）晶闸管及整流二极管两端的过电压保护抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。如图3-1中的1R4~1R9、1C4~1C9。阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2表3-2阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/μA1020501002005001000电容/μF0.10.150.20.250.512电阻/Ω1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值mU的1.1～1.15倍。由于AIT160由上表得C=0.5µF，R=10Ω，电容耐压≥1.5mU=1.5×26U=1.5×6×125=459.28V选C为0.15µF的CZJD-2型金属化纸介质电容器,耐压为500V。62210cRfcUP=50×0.15×6210)1203(=0.324W选R为80Ω，1W的普通金属膜电阻器。3.4.2过电流保护本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。如图3-1中的FU1-FU7。（1）交流侧熔断器的选择在交流则设有熔断器FU1，对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护，整流变压器一次侧的电流有效值为1I=56.49A。故可选取RW06-80低压熔断器，熔体的额定电流选为80A（2）晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值3/2093/nIIT=120.7A选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A。（3）过电流继电器的选择因为负载电流为209A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×209=261.25A≈260A。3.4.3缺相与无励磁或弱磁保护在发生缺相故障时，会使输出电压降低，电流和电压波动增大，使电机运行时振动加大，增大了对生产机械的冲激，有必要设置缺相保护电路。对于他励直流电动机，启动时必须先加励磁电源，然后才能加电枢电压，以及在弱磁时，会使系统不稳定，因而应设置无励磁或弱磁保护。（1）缺相保护缺相保护采用带缺相保护功能的热继电器实现，如图3-1中的FR。热继电器FR既作缺相保护，也可作过载保护。当发生缺相故障或负载过载时，热继电器FR动作，其常闭触头断开，KM线圈失电，KM的主触头断开整流电路的电源，从而实现缺相和过载保护。整流变压器二次侧的电流有效值为2I=170A.，可选用JR60，热元件选用4U，整定电流为180A。（2）无励磁或弱磁保护无励磁或弱磁保护采用欠电流继电器实现，如图3-1中的KA2。当发生无励磁或弱磁（励磁电流没达到最小允许值）时，KA2的常开触头断开，接触器KM失电，其主触头切断全控整流器的电源，从而实现无励磁或弱磁保护。励磁电流为1.6A，可选用JT18型欠电流继电器，额定电流取4.6A，吸合电流整定为1.2A。3.5平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器dL，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量1L可用下式计算，单位mH。min211dIUKL（3-14）式中1K－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；mindI－最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。根据本电路形式查得1K=0.695所以1L=%8209125695.0=5.20mH（2）限制输出电流脉动的临界电感量2L由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量2L（单位为mH）可用下式计算diISUKL222（3-15）式中2K－系数，与整流电路形式有关，iS－电流最大允许脉动系数，通常三相电路iS≤（5～10）％。根据本电路形式查得2K=1.045,所以diISUKL222=209%8125045.1=7.81mH（3）电动机电感量DL和变压器漏电感量TL电动机电感量DL（单位为mH）可按下式计算3102DDdDpnIUKL（3-13）式中DU、DI、n—直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p—电动机的磁极对数；DK—计算系数。一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。本设计中取DK=10、DU=230V、DI=8