1、毕业设计（论文）（ 2013 届本科）题 目： 学 院：专 业：班 级：姓 名： 学 号：指导教师：2013 年 06 月上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统的设计I 目 录1 概述 .21.1 课题的来源及意义 .21.1.1 课题的来源 .21.1.2 课题的意义 .21.2 课题的背景 .21.3 课题的基本要求 .22 整流器的设计要求 .32.1 整流器的工作环境 .32.2 整流器总技术要求 .32.3 整流器的技术标准 .32.4 整流器保护措施 .32.5 控制与信号回路 .42.6 整流器状态数据采集 .52.7 二十四整流脉波技术 .52.8 整流器工作
2、原理 .52.9 设备材料要求 .63 整流器电路的设计 .63.1 各部分的设计与介绍 .63.1.1 主电路原理图 .63.1.2 主电路器件选型 .73.1.3 直流侧过压保护电路 .83.1.4 交流侧过压保护电路 .93.2 硬件辅助设备 .93.3 硬件结构图 .93.4 系统的元件清单 .103.5 结温计算: .103.5.1 额定工作时的结温 .103.5.2 过载 1.5 倍时的结温 .113.5.3 过载 3 倍时的结温 .11上海海洋大学 200届毕业设计（论文） 毕业设计报告（论文）题目II3.6 PLC 的选型与设计 .123.6.1 PLC 的选型 .123.6.
3、2 软件所需要实现的主要功能 .123.6.3 PLC 的接线 .133.6.4 PLC 程序设计 .144 整流器电路的仿真 .154.1 pspice 的优点 .154.2 辅助电路的 pspice 仿真 .154.2.1 电源部分 .154.2.2 触发脉冲部分 .164.3 主电路的 pspice 仿真 .174.3.1 pspice 主电路的的输出波形图 .175 闭环系统的设计 .185.1 闭环系统的优势 .185.2 闭环系统的原理 .186 结论 .19谢辞 .20参考文献 .21附录 A .22附录 B .37上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第
4、1 页 共 42 页地铁整流系统的设计摘要：城市地铁牵引供电系统采用二极管整流获得 750V 或 1.5 kV 直流供电方式，二极管整流系统在实际的运行过程之中不可控，并且直流电压在交流侧存在大量谐波以及无功，不但浪费能源，而且对电网造成污染。本文基于现有的晶体管水平以及 PWM 技术完全能够运用晶闸管来代替普通二极管来实现整流，通过实际数值的运算来算出整流器各个部件的具体参数，并用 PLC 作为保障整流器安全运行的监控装置。接着运用 pspice 对整流器的运行进行仿真，最后通过闭环系统的控制来确保新型的整流器具有可控，输出电压稳定，安全系数高等诸多优点。关键词：地铁整流系统；Pspice；
5、闭环系统控制； Design of subway rectifier systemAbstract：City metro traction power supply system using diode rectification get 750V DC power supply or 1.5 kV, diode rectifier systems running in the actual process of being uncontrollable, and the DC voltage at the AC side of the large number of harmonics an
6、d reactive power exists, not only a waste of energy, but also for power pollution. Based on the existing level and transistor PWM technology is fully able to use to replace the ordinary SCR rectifier diodes to achieve, through the actual numerical computation to calculate the specific parameters of
7、the various components of the rectifier and rectifier with PLC as a guarantee safe operation monitoring device. Then run the rectifier using pspice simulation, and finally through the closed-loop control of the system to ensure the new rectifier with controlled output voltage stability, high safety
8、factor advantages.Key words：Metro rectification system；Pspice；Closed-loop system control ；上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第 2 页 共 39 页1 概述1.1 课题的来源及意义1.1.1 课题的来源目前城市地铁整流系统中都采用二极管作为整流器件，二极管整流器虽然能基本满足平时的日常所需，但是二极管整流器也存在着诸多问题，比如说输出电压不可控,并且直流电压在交流侧存在大量谐波以及无功,不但浪费能源,而且对电网造成污染。基于目前电子半导体技术的发展我设想利用晶闸管来代替普通的整流
9、二极管，并与运动控制理论相结合从而使得地铁整流系统能够平稳，安全的输出可控电压，以满足科技进一步发展的需求。1.1.2 课题的意义地铁牵引供电系统多采用直流制，牵引直流电源是由牵引变电所通过整流机组降压整流而获得，因此，变流设备成为该系统中的重要设备，起着举足轻重的作用，是地铁牵引供电系统的核心。牵引变压器与硅整流器组成一套整流机组，其作用是将交流电变压整流为 750V 或 1500V 的直流电，作为牵引变电所向电动车辆供电的电源。整流机组的设计、结构特点和保护方式，将关系到整个直流牵引供电系统能否正常运行。鉴于我国轨道交通的发展状况，我国开始大力研究和推广应用国产设备。地铁整流机组就是目前国
10、产化设备的代表之一。充分研究整流机组技术的特点、保护方式及运行维护要点，对于直流牵引供电系统可靠运行具有重要意义 1。1.2 课题的背景如今地铁供电系统普遍采用二极管整流获得 750V 或 15 kV 直流供电方式，用二极管整流的弊端是直流电压在交流电网侧存在大量的无功和谐波因而对电网造成了严重的污染。在高压大容量应用领域，晶闸管整流器拥有明显的优势。与更高电平整流器相比，其控制相对简单，电压可调。基于现有的晶闸管的水平，采用晶闸管作为整流器件并与运动控制理论相结合的整流器可以稳定、可靠地实现 15 kV 的直流供电。1.3 课题的基本要求（1）整流器的硬件设计（2）器件的选型（3）pspic
11、e 的仿真试验（4）PLC 保护程序的设计（5）闭环系统的设计上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第 3 页 共 39 页2 整流器的设计要求2.1 整流器的工作环境（1）环境温度： 10+40（2）相对湿度： 月平均值不大于 90% 日平均值不大于 95% （3）饱和蒸气压： 日平均值不大于 2.25x10-3Mpa月平均值不大于 1.85x10-3Mpa 有凝露（4）海拔高度： 1000m（5）地震裂度： 7 度2.2 整流器总技术要求（1） 负荷性质： 电动机车组（2） 额定频率： 50Hz。（3） 额定交流电压：1180V（4） 额定直流输出电压：1500V（5
12、） 额定直流空载电压：1650V（6） 最高直流输出电压： 1800V（7） 额定直流输出电流： 2400A（8） 整流方式： 二十四脉波整流2.3 整流器的技术标准整流器及其零部件应满足下列标准GB10411 地铁直流牵引供电系统GB3859 半导体变流器 GB4939 普通整流管IEC600028 铜电阻GB/T13926 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性GB10236 半导体电力变流器与电网互相干扰及其防护方法导则GB13422 半导体电力变流器电气试验方法IEC60255 电气保护继电器上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第 4 页 共 39 页2.4 整流器
13、保护措施(1) 内部短路保护 当晶闸管失去单向性能时，回路中将产生短路电流，此时应由晶闸管熔丝熔断来保护。快速熔断器应带有接点，熔断后能给出信号用于报警或跳闸 当一个臂内只有一个熔丝熔断时，发出报警信号，多于一个熔丝熔断时，发跳闸信号，熔丝熔断后，熔断指示器应可靠动作。(2) 外部短路保护： 中压断路器(3) 过电压保护交流侧：交流侧设置RC吸收回路抑制交流侧开关操作过电压，兼吸收二极管换相过电压。直流侧过电压保护主要采用RC吸收回路和压敏电阻保护。RC吸收回路连接型式为阻断式。对于直流侧过电压保护回路，它不仅对直流侧起保护作用，同时它对交流侧过电压也有吸收作用，这是由于主回路的形式所决定的，
14、直流侧的过电压保护主要是针对直流侧开关操作过电压。当直流快速开关操作时产生的过电压先通过RC回路吸收，残剩的电压则通过压敏电阻释放 2。直流侧： 压敏电阻，RC 回路(4) 温度保护温度传感装置通常安装在整流器运行时温度最高部位，通常是在两个桥臂的中间位置。温度传感装置所测得的温度数据送到PLC中，在PLC中可设定两个标准量，其中一个标准量作为报警温度，另外的一个标准量作为跳闸温度，标准量可以通过改变程序里的数值进行调节。在整流器中另外还有两个温度保护装置，一个是用来防止母线超温；另一个是用来防止晶闸管元件超温。温度传感装置是通常放在整流器最热部位的母线和晶闸管散热器上。母线及二极管温度保护分
15、别各设两个定值，一个作为报警温度，另一个作为跳闸温度，为整流装置的过热起到保护作用。一般来说当散热器的温度140 时，发出报警信号；散热器温度150 时，发出跳闸信号；母排上的报警温度为80，跳闸温度为90。2.5 控制与信号回路（1）整流晶闸管故障指示回路。整流器柜内同一整流桥的一个整流晶闸管故障及不同整流桥的两个整流晶闸管故障时不跳闸，但不影响整流器 100%额定电流运行，整流晶闸管故障信号能通过接点在当地和远方显示。（2）整流晶闸管故障跳闸控制回路整流器柜内同一整流桥的两个整流晶闸管故障时，能发出跳闸信号，当地和远方显示故障信号。（3）整流器温度报警和跳闸指示回路上海海洋大学 2013
16、届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第 5 页 共 39 页当整流器中设置的温度传感器件检测到的温度超过设定值时，发出报警或跳闸信号，当地和远方能显示报警及跳闸信息。（4）辅助电源失电保护整流器辅助电源失电，发出报警信号，当地及远方均能显示。（5）压敏电阻指示回路整流器在直流侧过电压保护中设置了压敏电阻保护，当压敏电阻动作时，发出熔断跳闸信号，信号可在当地和远方显示。2.6 整流器状态数据采集（1）整流器各种报警及跳闸信息，变电所综合自动化系统应能对其进行实时监测。（2）整流器与外部连接的所有报警、跳闸信号均采用无源硬接线方式，采集数据暂定为桥臂熔断器熔断报警、桥臂熔断器熔断跳闸、整流管过热报
17、警、整流管超温跳闸、母排过热报警、母排超温跳闸、压敏电阻动作跳闸、控制电源失电报警、门控信息。2.7 二十四整流脉波技术如今，正在建造和已经建造完地铁的每个牵引变电所都装备有两套整流装置。由于地铁所采用的直流电压比较高(北京和武汉是用 750V 直流电，其它的城市均采用 1 500V 直流电)，因此整流装置基本都是运用三相桥式整流电路，同时为了尽可能的消除地铁的谐波电流对城市电网的污染，除了北京的部分地铁运用三相桥式六脉波的整流装置外，其余的新建地铁整流装置均采用三相桥式并联成的十二脉波整流电路，采用两台阀侧电压相位差 30 度的双绕组整流变压器与两台三相桥式整流器构成的等效十二脉波整流电路用
18、一台三绕组或四绕组整流变压器，阀侧电压相位差同样为30 度，与一台双三相桥式整流器构成一套十二脉波整流机组，两套十二脉波整流机组并联工作并不会改变整流脉波数，只有当两套机组的整流变压器网侧绕组分别移相+750，一 750 并联工作时，才形成等效二十四脉波整流 3。2.8 整流器工作原理（1）地铁整流器的两个整流装置各相输入电压之间的相位角差 30。通过两个三相桥式整流电路的并联组成一个 12 脉波的整流电路。 地铁整流变压器的网侧绕组采用延长三角形接线的方法，一个晶闸管整流装置移相7.5，另一个晶闸管整流装置移相-7.5，这样的两组晶闸管整流装置并联成了 24 脉波整流。（2）晶闸管整流装置的
19、交流输入侧接有由电阻和电容组成的交流操作过电压抑制电路，抑制整流变压器空载或轻载时断开交流开关所产生的过电压，兼抑制整流元件的换相过电压。晶闸管整流装置的直流侧接有压敏电阻等组成的过电压抑制电路，抑制直流回路中电感所引起的过电压兼抑制交上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第 6 页 共 39 页流操作过电压。（3）晶闸管整流装置采用快速熔断器，交流开关和直流开关作综合过载，短路保护。当整流管反向击穿引起内部短路时，快速熔断器熔断以防止事故扩大。（4）晶闸管整流装置采用温度继电器作为附加保护，当母排温度超过 90或整流管散热器温度超过 150时，温度继电器触点闭合，接通跳
20、闸回路，交流开关跳闸。（5）快速熔断器用熔断器上的微动开关来监控。当快速熔断器熔断时，微动开关的触点信号送出，当一只快速熔断器熔断时，发出报警信号，能继续以额定直流电流工作。当整流桥中任意两只快速熔断器熔断时，发出跳闸信号。压敏电阻用与其串联的熔断器上的微动开关监控。2.9 设备材料要求（1）柜体材料应是新生产的优等产品，并应选用使用寿命长和在规定工作条件下维修最少的材料。（2）所有材料必须具有低烟无卤和阻燃特性。（3）制作结构用的钢材必须是热浸电镀产品。不进行喷塑或喷漆的钢部件，必须进行采取镀锌或镀镉钝化处理。（4）铜材料必须符合有关国家标准。用做母排的铜排必须进行镀银或镀锡处理，增加连接部
21、位的导电性能。5) 不允许用石棉板做绝缘材料。当使用合成树脂绝缘板时，所有的切边均要漆封。3 整流器电路的设计3.1 各部分的设计与介绍3.1.1 主电路原理图主电路采用三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路将其中阴极连接在一起的三个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管称为共阳极组。整流晶闸管的导通顺序依次为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。并且保证每个时刻均需两个晶闸管同时导通，其中一个是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管，从而形成向负载供电的回路。六个整流晶闸管的脉冲按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的顺序，相位依次相差 60；共阴极组三个相的脉
22、冲依次相差 120，共阳极组三个相的脉冲也依次相差 120，同一相的上下两个桥臂，脉冲相差1806。整流输出电压 ud一周期脉动六次，每次脉冲的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。采用两台阀侧电压相位差 30的双绕组整流变压器与两台三相桥式整流器构成的等效十二脉波整流电路用一台三绕组或四绕组整流变压器，阀侧电压相位差同样为 30 度，与一台双三相桥式整流器构成一套十二脉波整流机组。两套十二脉波整流机组并联工作并不会改变整流脉波数，只有当两上海海洋大学 2013 届毕业设计（论文） 地铁整流系统设计第 7 页 共 39 页套机组的整流变压器网侧绕组分别移相+750，一 750并联工作时便形成等
23、效二十四脉波整流。图 3-1 主电路原理图3.1.2 主电路器件选型主电路采用双桥并联,每个桥臂并联两个整流管,快速熔断器上的微动开关接入 PLC 中，作为逻辑保护。1w,1u,1v,2w,2u,2v,为三相交流的输入端 1 与 2 的相位相差 30。L+与 L-为直流侧输出，直接接到地铁供电系统中 4。（1）晶闸管的选用UARM1.41U VO1.4112001692（V）式中 UVO额定交流电压，我们选用晶闸管的反向重复峰值电压为 4600V，所以有足够的电压裕度。（2）快速熔断器的选型在每个晶闸管支路都上串联一个快速熔断器，其作用是当整流器的晶闸管发生短路故障的情况时，快速熔断器能够有效
24、的隔离短路的晶闸管，因为单个晶闸管的短路而使得整机的毁坏。快速熔断器主要作用是隔离发生短路的晶闸管，因此在确定熔断器的额定电流时必须考虑躲开负荷电流及外部短路电流，同时，需要使用厂家提供的安一秒特性曲线，即在规定的条件下，熔断器的预期开断电流与弧前时间的对应关系曲线。在安一秒特性曲线的基础上，根据相应标准(如IECl466)，可得到熔断器的过载能力曲线。根据这条过载能力曲线，可校验熔断器是否满足过载能力要求 5。整流器输出功率为 3600kW，快熔计算在一个晶闸管损坏时，依据设计设定需额定输出，此时流过快速熔断器的电流为最大：I dN2400A。设定两桥的电流不平衡度为 2%，则：流过一个桥的最大电流为 24001.02/21224A，流过快速熔断器电流的有效值为 1224/1.732707A。环境温度为 50时，额定电流的修正系数为 0.894，接触修正系数为 0.9，则快速熔断器的最大额定电流为 707(0.8940.9)878A。我们选用快速熔断器额定电流为 900A, 所以，我们选用熔断器为 Bussmann 公司熔断器,其额定电
