閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動保護電路設計
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摘要：基于直流V-M雙環(huán)不可逆調(diào)速設計步驟，分析論證并確定主電路的結構，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)動控制電路的選型，設計動態(tài)參數(shù)計算。
關鍵詞：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，驅(qū)動控制，動態(tài)參數(shù)
引言
直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種當前運用廣泛，經(jīng)濟，適合的電力傳動系統(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)器同時采用電流截止負載環(huán)節(jié)來限制了起制動時的最大電流這樣就解決了起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的情況。直流電動機雙閉環(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備需要的自動控制系統(tǒng)。
1.1過電壓保護設計
過電壓保護主要分為側過電壓保護和直流側過電壓保護[1,2]。對于交流側有效的保護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；圖1（b）三相整流的阻容保護；圖1（c）可控硅元件的阻容保護。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，正常工作的情況下只允許毫安以下的電流通過，并且如果發(fā)生過電壓時會產(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)。對過電壓反應快等優(yōu)點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)折特性來抑制浪涌電壓。現(xiàn)在10kV以下的電力設備系統(tǒng)中過電壓保護經(jīng)常采用的保護方式綜合示意圖如圖2。直流側整流器如果在快速關斷和橋臂快速熔斷時也會發(fā)生過電壓，所以在直流側采用阻容保護電路，也可以采用非線性元器件來控制過電壓（如壓敏電阻），因為壓敏電阻對沖擊電壓十分靈敏，體積小價格較低。
1.2過電流保護措施
電力系統(tǒng)中可能會發(fā)生相間短路故障及負載超負荷運行、絕緣等級下降的狀況，這時電流就會突變并且達到一個超過設備所能承受的電流值，按照線路的選擇特性，過流保護有選擇的切斷故障電路，然后啟動時間繼電器，在經(jīng)過時間繼電的延時后，觸點閉合斷路器的跳閘，故障就被切除。過電流保護有短路保護和過載保護。其中繼電器和熔斷器就是很常見的短路保護元件，具有整定電流大，動作時間短的特性。熱繼電器、延時電磁電流繼電器屬于過載保護元件，具有反時限，整定電流小的特點。過電流保護的措施：（1）電流互感器在直流側或交流側接入過電流繼電器，在發(fā)生故障時斷開主電路。（2）為了能夠限制短路電流用交流進線中串接電抗器或使用漏抗大的變壓器。（3）直流快速開關可以幫助大中容量的設備及出現(xiàn)逆變的狀況，進行過載或短路保護。（4）電流檢測裝置在交流側，發(fā)出過電壓信號然后觸發(fā)器動作后移或抑制了脈沖直流開關的額定電壓應大于額定整流電壓。直流側穩(wěn)態(tài)短路的電流平均值I2d和快速開關的分斷能力Ifd2d，它的動作電流Ig2d需要根據(jù)電動機的可以過載的最大電流整定，即Ig2d＝KIN，式中K是電動機可以過載的最大倍數(shù)，要小于等于2.7，IN是電動機的額定電流。一次側過電流保護在調(diào)速系統(tǒng)中常根據(jù)變壓器的一次側線電壓來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，還需有對三相交流電路變壓器的一次側進行串聯(lián)熔斷器的操作。
1.3快速熔斷器
快速熔斷器可以對半導體元件和整流裝置進行短路保護，快速熔斷器具有快速反應的特性和反時限電流保護特性，可以提供快速熔斷和適應多種類型保護對象需求的能力。快速熔斷器的內(nèi)部結構與封閉式熔斷器基本的結構相似，主要區(qū)別是材料和形狀的不同?？焖偃蹟嗥髟O置在交流或直流側裝設在直流側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的額定電流。
1.4晶閘管保護設計
因為晶閘管具有易受干擾發(fā)生誤導通的特性—在出現(xiàn)過電壓后晶閘管的正向電壓會發(fā)生誤導通的情況從而引發(fā)電路故障。晶閘管是半導體器件具有體積和熱容量都很小的優(yōu)點，所以在類似晶閘管這種遇到高電壓、大電流的功率器件時晶閘管的選擇必須嚴格控制。如果這時候外加的反向電壓大于它的反向重復峰值電壓UDRM時，晶閘管就會瞬時損壞，晶閘管被擊穿。所以過電壓也會引起供給的電壓功率發(fā)生劇烈變化時系統(tǒng)的電磁能量造成破壞。因此閘管不光需要具備電壓保護，還有過電流保護。晶閘管對于過電流的保護措施在這里主要有快速熔斷器、過載截止保護、過電流繼電器等。這里特別解釋一下過載截止保護，它利用的是過電流信號引起晶閘管觸發(fā)信號后將晶閘管的導通角縮小或關斷觸發(fā)來保護晶閘管。對于晶閘管的過電壓保護有交流側過電壓及其保護（壓敏電阻）以及阻容保護。
2驅(qū)動電路設計
2.1驅(qū)動電路
驅(qū)動電路在主電路與控制電路之間進行信號發(fā)大的電路。一般的半控型器件只能導通控制信號而全控型器件具有導通和關斷控制信號的能力。驅(qū)動電路提供了系統(tǒng)的可靠性和變換效率，減小開關器件的損耗。驅(qū)動電路要根據(jù)安全規(guī)定進行絕緣。
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面對苛刻的工作環(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，不超過晶閘管的門極電壓。需要較強的抗干擾能力進行電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖3。構成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖4。脈沖變壓器結構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行輸出。脈沖變壓器的設計一般需要考慮波形傳送的問題脈沖變壓器設計如圖5。
3結語
電力元器件可以承受的電壓電流與一般的半導體器件相比要大許多，但是相對于其他電氣設備要脆弱很多，瞬時的過電流和過電壓都會造成元件損壞，不利于系統(tǒng)運行的可靠性產(chǎn)生裝置的故障。簡而言之在選擇器件的容量的同時還需有可靠的保護裝置來保證運行的安全。
參考文獻
[1]龍志文.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.
[2]莫正康.電力電子應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.
作者：張城 單位：山東科技大學