闭环调速系统驱动保护电路设计

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摘要：基于直流V-M双环不可逆调速设计步骤，分析论证并确定主电路的结构，闭环调速系统的组成调速系统，主电路元部件的确定，包括驱动控制电路的选型，设计动态参数计算。

关键词：闭环调速系统，驱动控制，动态参数

引言

直流闭环调速系统是一种当前运用广泛，经济，适合的电力传动系统。由单闭环直流调速系统和双闭环调速系统。调速系统常使用比例积分调节器同时采用电流截止负载环节来限制了起制动时的最大电流这样就解决了起动和堵转时电流过大的情况。直流电动机双闭环调速系统已经发展成为比较成熟且能够满足大部分设备需要的自动控制系统。

1主电路保护电路设计

1.1过电压保护设计

过电压保护主要分为侧过电压保护和直流侧过电压保护[1,2]。对于交流侧有效的保护措施有金属氧化物压敏电阻、硒堆吸收装置、阻容吸收装置等。容吸收装置使电容器两端电压不能发生突变来吸收瞬间的浪涌能量。其主要接线方式如图1。图1（a）单相整流的阻容保护；图1（b）三相整流的阻容保护；图1（c）可控硅元件的阻容保护。金属氧化物压敏电阻是一种损耗低体积小的金属氧化物加工烧制的非线性压敏元件，它的伏安特性具有正反向相同、陡峭的特点，正常工作的情况下只允许毫安以下的电流通过，并且如果发生过电压时会产生很大（kA）的放电电流将线路中的电压抑制在允许的范围内。对过电压反应快等优点因此它的伏安特性是连续和递增的，因此不存在续流的遮断问题。硒堆吸收装置由掺入适量杂质的硒串联组成硒堆得到与齐纳二极管类似的转折特性来抑制浪涌电压。现在10kV以下的电力设备系统中过电压保护经常采用的保护方式综合示意图如图2。直流侧整流器如果在快速关断和桥臂快速熔断时也会发生过电压，所以在直流侧采用阻容保护电路，也可以采用非线性元器件来控制过电压（如压敏电阻），因为压敏电阻对冲击电压十分灵敏，体积小价格较低。

1.2过电流保护措施

电力系统中可能会发生相间短路故障及负载超负荷运行、绝缘等级下降的状况，这时电流就会突变并且达到一个超过设备所能承受的电流值，按照线路的选择特性，过流保护有选择的切断故障电路，然后启动时间继电器，在经过时间继电的延时后，触点闭合断路器的跳闸，故障就被切除。过电流保护有短路保护和过载保护。其中继电器和熔断器就是很常见的短路保护元件，具有整定电流大，动作时间短的特性。热继电器、延时电磁电流继电器属于过载保护元件，具有反时限，整定电流小的特点。过电流保护的措施：（1）电流互感器在直流侧或交流侧接入过电流继电器，在发生故障时断开主电路。（2）为了能够限制短路电流用交流进线中串接电抗器或使用漏抗大的变压器。（3）直流快速开关可以帮助大中容量的设备及出现逆变的状况，进行过载或短路保护。（4）电流检测装置在交流侧，发出过电压信号然后触发器动作后移或抑制了脉冲直流开关的额定电压应大于额定整流电压。直流侧稳态短路的电流平均值I2d和快速开关的分断能力Ifd2d，它的动作电流Ig2d需要根据电动机的可以过载的最大电流整定，即Ig2d＝KIN，式中K是电动机可以过载的最大倍数，要小于等于2.7，IN是电动机的额定电流。一次侧过电流保护在调速系统中常根据变压器的一次侧线电压来选择熔断器额定电压它的额定电流也需要大于或等于正常的电流，还需有对三相交流电路变压器的一次侧进行串联熔断器的操作。

1.3快速熔断器

快速熔断器可以对半导体元件和整流装置进行短路保护，快速熔断器具有快速反应的特性和反时限电流保护特性，可以提供快速熔断和适应多种类型保护对象需求的能力。快速熔断器的内部结构与封闭式熔断器基本的结构相似，主要区别是材料和形状的不同。快速熔断器设置在交流或直流侧装设在直流侧的快速熔断器需要与元件串联并且快速熔断器的额定电压要大于正常电压的有效值，快速熔断器的额定电流要大于正常时的额定电流。

1.4晶闸管保护设计

因为晶闸管具有易受干扰发生误导通的特性—在出现过电压后晶闸管的正向电压会发生误导通的情况从而引发电路故障。晶闸管是半导体器件具有体积和热容量都很小的优点，所以在类似晶闸管这种遇到高电压、大电流的功率器件时晶闸管的选择必须严格控制。如果这时候外加的反向电压大于它的反向重复峰值电压UDRM时，晶闸管就会瞬时损坏，晶闸管被击穿。所以过电压也会引起供给的电压功率发生剧烈变化时系统的电磁能量造成破坏。因此闸管不光需要具备电压保护，还有过电流保护。晶闸管对于过电流的保护措施在这里主要有快速熔断器、过载截止保护、过电流继电器等。这里特别解释一下过载截止保护，它利用的是过电流信号引起晶闸管触发信号后将晶闸管的导通角缩小或关断触发来保护晶闸管。对于晶闸管的过电压保护有交流侧过电压及其保护（压敏电阻）以及阻容保护。

2驱动电路设计

2.1驱动电路

驱动电路在主电路与控制电路之间进行信号发大的电路。一般的半控型器件只能导通控制信号而全控型器件具有导通和关断控制信号的能力。驱动电路提供了系统的可靠性和变换效率，减小开关器件的损耗。驱动电路要根据安全规定进行绝缘。

2.2晶闸管触发电路

晶闸管触发电路一般是由控制相位电路、触发脉冲的放大和输出环节组成。它的触发脉冲的放大和输出环节需要有一定的条件即脉冲的宽度要足够可靠可以使晶闸管顺利导通，其中三相全控桥式电路一般大于60o。触发脉冲还需要有充足的幅度来面对苛刻的工作环境一般为最大触发电流的3～5倍。脉冲的前沿陡度要适量增加，不超过晶闸管的门极电压。需要较强的抗干扰能力进行电气隔离。理想的触发脉冲电流波形如图3。构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图4。脉冲变压器结构和普通变压器类似基本原理是将铁心的磁饱和性把正弦波电压整定成窄脉冲进行输出。脉冲变压器的设计一般需要考虑波形传送的问题脉冲变压器设计如图5。

3结语

电力元器件可以承受的电压电流与一般的半导体器件相比要大许多，但是相对于其他电气设备要脆弱很多，瞬时的过电流和过电压都会造成元件损坏，不利于系统运行的可靠性产生装置的故障。简而言之在选择器件的容量的同时还需有可靠的保护装置来保证运行的安全。

参考文献

[1]龙志文.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2007.

[2]莫正康.电力电子应用技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

作者：张城 单位：山东科技大学