直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計綜述

1、目錄概述 21 設(shè)計任務與分析 31.1 任務要求31.2 任務分析32 方案選擇及論證42.1 三相可控整流電路的選擇42.2 觸發(fā)電路的選擇42.3 電力電子器件的緩沖電路52.4 電力電子器件的保護電路53 主電路設(shè)計73.1 整流變壓器計算73.1.1 U2 的計算73.1.2 一次側(cè)和二次側(cè)相電流 I1 和 I2 的計算 83.1.3 變壓器的容量計算 83.2 晶閘管元件的參數(shù)計算 93.2.1 晶閘管的額定電壓 93.2.2 晶閘管的額定電流 93.3 電力電子電路保護環(huán)節(jié) 103.3.1 交流側(cè)過電壓保護 103.3.2 直流側(cè)過電壓保護 113.3.3 晶閘管兩端的過電壓保護

2、 113.3.4 過電流保護 114 觸發(fā)電路設(shè)計 114.1 觸發(fā)電路主電路設(shè)計 114.2 觸發(fā)電路的直流電源 135 電氣原理圖 14小結(jié)與體會 15參考文獻 16附錄 161摘要直流電動機具有良好的起動和制動性能，廣泛應用于機械、紡織、冶金、化 工、輕工等工業(yè)系統(tǒng)。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 晶閘管在直流電動機的調(diào)速系 統(tǒng)中得到廣泛應用。 晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)， 可實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速， 具 有調(diào)節(jié)范圍寬，控制精度高，使用壽命長、成本低等優(yōu)點。正確掌握晶閘管直流 電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法，對系統(tǒng)的可靠運行及應用有重大意義。本設(shè)計以晶閘管直流電動機調(diào)速裝置為主， 介紹了系統(tǒng)的各個部件

3、的組成及 主要器件的參數(shù)計算。 調(diào)速裝置以可控整流電路作為直流電源， 把交流電變換成 大小可調(diào)的單一方向直流電。 通過改變觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)脈沖送出的早晚來 改變直流電壓的平均值。關(guān)鍵詞： 可控整流 晶閘管 觸發(fā)電路 保護電路直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1 設(shè)計任務與分析1.1 任務要求初始條件： 輸入交流電源：三相 380V，頻率 50Hz。 要求完成的主要任務 : 設(shè)計直流電動機采用調(diào)壓方式的調(diào)速可控整流電源，要求達到：1、采用晶閘管可控整流電路。2、直流輸出 0100V，直流輸出額定電流 50A。3、設(shè)計出完整的調(diào)壓調(diào)速電路。4、完成總電路設(shè)計和晶閘管額定電壓和電流設(shè)計。1.2 任務分析無論

4、直流電機還是交流電機，在改變他們的輸入電壓時，電機的轉(zhuǎn)速將隨 之改變， 調(diào)節(jié)電機的輸入電壓控制電機轉(zhuǎn)速， 稱為調(diào)壓調(diào)速。 調(diào)壓和調(diào)速系統(tǒng)的 差異就是所控制的對象和目標不一樣。直流電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。由圖可知，本系統(tǒng)由給定電壓、觸 發(fā)電路、晶閘管整流等環(huán)節(jié)組成。 直流電動機的調(diào)速采用開環(huán)工作方式， 調(diào)節(jié)給 定電壓，即可調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的控制電壓， 從而調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角， 實現(xiàn)調(diào)相調(diào) 壓，控制電動機的轉(zhuǎn)速。 電動機的轉(zhuǎn)速由外部給定的電壓決定， 實現(xiàn)了電動機的 調(diào)壓調(diào)速。圖 1 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖2 方案選擇及論證2.1 三相可控整流電路的選擇當整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較

5、小時，應采用三相整流，其 交流側(cè)由三相電源供電。 三相可控整流電路中， 最基本的是三相半波可控整流電 路。三相半波可控電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的元器件少，觸發(fā)電路簡單。但整流輸出 電壓脈動大， 變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量， 造成變壓器鐵芯直流磁化。 為 使變壓器鐵芯不飽和， 需增大鐵芯截面積， 增大設(shè)備的容量。 并且要求晶閘管耐 壓高，需要平波電抗器容量大。 而三相橋式整流電路整流輸出電壓脈動小， 對平 波電抗器的要求低， 變壓器二次繞組電流中沒有直流分量、 利用率高。 但需要的 整流器件多，觸發(fā)電路也比較復雜，主要應用于要求較高的場合。由于直流電動機的容量較大， 又要求電流的脈動小， 故選用三

6、相全控橋式整 流電路。電動機額定電壓為 100V，為保證供電質(zhì)量，應采用三相降壓變壓器 , 將 電源電壓降低，為避三次諧波電動勢的不良影響，主變壓器采用 /Y 接法。2.2 觸發(fā)電路的選擇晶閘管觸發(fā)電路以前是由分立元件構(gòu)成的，它的控制精度差，可靠性低， 不便于維修， 因此，現(xiàn)在常用集成化的晶閘管觸發(fā)電路。 集成電路具有移相線性 好、移相范圍寬、 溫漂小、可靠性高、相位不均衡度小等優(yōu)點。 本系統(tǒng)采用 KJ004J 和KJ041組成六路雙脈沖移相觸發(fā)電路，其優(yōu)點是體積小、性能穩(wěn)定，移相范圍 可達 170，廣泛應用于各種晶閘管觸發(fā)電路中。 TC787和TC788是采用獨有的先 進IC工藝技術(shù)，并參照

7、國外最新集成移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計的單片集成電路。 它可單電源工作， 亦可雙電源工作， 主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率 晶體管脈寬調(diào)制電路， 以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。 它們是目前國內(nèi)市場上 廣泛流行的 TCA785及KJ（ 或KC）系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與 TCA785及 KJ（或KC）系列集成電路相比， 具有功耗小、 功能強、輸入阻抗高、 抗干擾性能好、 移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一只這樣的集 成電路，就可完成 3只 TCA785與1只KJ041、 1只 KJ042或5只KJ（3只KJ004、 1 只 KJ041、1只KJ042）（ 或

8、KC）系列器件組合才能具有的三相移相功能。 因此本系統(tǒng)采 用TC787集成電路，實現(xiàn)六路晶閘管的觸發(fā)控制。2.3 電力電子器件的緩沖電路用于電能變換的電力半導體器件絕大多數(shù)工作在開關(guān)工作模式， 開關(guān)損耗是 影響其正常運行的重要因素。 在硬開關(guān)工作方式下， 增加緩沖電路是正確使用器 件的有效措施，其主要作用是：抑制開關(guān)器件的 、 ，改變開關(guān)軌跡， 減少開關(guān)損耗，使之工作在安全工作區(qū)內(nèi)。由于緩沖電路對自關(guān)斷器件的安全運行起著至關(guān)重要的作用， 因此人們研究 了多種緩沖電路。 開關(guān)器件在開通時， 緩沖電路電感中儲存有磁能， 而開關(guān)器件 關(guān)斷時，關(guān)斷緩沖電路中電容儲存有電能， 這些能量都以熱的形式消耗在

9、緩沖電 路的電阻上。在普通晶閘管的應用中， 通常選用無極性緩沖電路。 在晶閘管回路中串入電 感以抑制關(guān)斷時瞬時過電壓， 并且防止因過大而引起的誤觸發(fā)。 采用 GTO、BJT、IGBT等自關(guān)斷器件時，由于它們的工作頻率比 SCR高得多，因此有必要采 用有極性緩沖電路，以便加快電容或者電感的抑制作用。應該指出，耗能式緩沖電路能夠減小開關(guān)器件的開關(guān)損耗， 是因為把開關(guān)損 耗從器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖器內(nèi)， 然后再消耗在電阻上， 也就是說， 開關(guān)器件的損 耗減少了，安全運行得到了保證，但總的開關(guān)損耗并不一定減少。為了回收這部分能量， 人們還研究出了各種饋能式緩沖電路， 以減少實際的 電能損耗。 但是由于整機

10、體積的限制和附加元件的成本問題， 使饋能式緩沖器推 廣應用受到了很大的限制。2.4 電力電子器件的保護電路電力電子器件均有安全工作區(qū)的限制， 也就是說都有電流、 電壓和瞬時功耗 的極限值。 盡管在設(shè)計時會合理選擇器件， 但一些不可預見的故障會威脅到器件 的安全，所以必須采取保護措施，主要包括：（1）過電流保護：為了防止橋臂中兩個開關(guān)器件直通，通常對兩個開關(guān)器 件的驅(qū)動信號進行互鎖并設(shè)置死區(qū)。 由于負載短路、 元器件損壞等原因， 電力電 子裝置會出現(xiàn)過電流或短路故障，應該在過載及短路時對裝置進行保護。（2）電流信號的檢測：電流檢測信號用于反饋控制及保護環(huán)節(jié)，要求取樣 可靠、準確。 電流信號的檢測

11、與傳送對電力電子裝置是一個很重要的環(huán)節(jié)。 電流 信號檢測的關(guān)鍵是正確選擇和使用檢測元件。 根據(jù)響應速度的快慢， 電流檢測元 件可分為慢速型電流檢測元件和快速型電流檢測元件。（3）輸出過壓保護：如果裝置反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，輸出電壓可能過高，影 響負載的安全， 此時應該采取封鎖驅(qū)動信號的保護措施； 但負載突變往往也會引 起輸出端電壓短時變化，為了不出現(xiàn)誤保護，過壓保護一般應具有反延時特性， 即過壓越多，保護延時越短， 反之則較長。反延時的保護思想也適用于過流等保 護。輸出過電壓檢測應該設(shè)置在輸出端， 輸出是交流電壓時可使用電壓互感器 （變 壓器）檢測；輸出是直流電壓則可采用電阻分壓或電壓霍爾取樣。（

12、4）輸入瞬態(tài)電壓抑制：交流電網(wǎng)上使用的用電設(shè)備由于受電磁感應、雷 電天氣的影響， 常常會遭受瞬態(tài)高壓的襲擊， 尤其在強烈的雷電發(fā)生時電網(wǎng)上瞬 時產(chǎn)生數(shù)千伏高壓是常有的事， 其時間雖短， 但它攜帶的能量足以在瞬間內(nèi)損壞 開關(guān)電源中的電子器件。 應付這種瞬態(tài)電壓的方法很多， 一種簡單的方法是在交 流線路間放置金屬氧化物壓敏電阻 MOV，這種器件是一種可變電阻，當瞬態(tài)電壓 出現(xiàn)時，其阻值迅速地下降到最低值， 將輸入電壓限制在安全范圍內(nèi)， 讓瞬態(tài)能 量消耗在電阻體內(nèi)。 選擇這種器件必須遵守兩條原則： 一是 MOV器件的額定電壓 應大于電源穩(wěn)態(tài)最大工作電壓的 20%左右；二是應計算或估算電路可能遇到的瞬

13、 時沖擊能量的大小以確定 MOV器件吸收瞬態(tài)沖擊電流的額定值， 然后根據(jù)器件制 造商提供的產(chǎn)品說明書選擇合適的器件。（5）輸入欠壓保護：如果輸入電壓過低，開關(guān)器件的工作電流將過大，可 能超過其最大電流值而燒壞。 如果蓄電池過低壓供電， 放電電流必然過大， 可能 造成蓄電池永久損壞。因此對有些裝置需要設(shè)置欠壓保護電路。（6）過溫保護：如果裝置內(nèi)部溫度過高，可能是散熱系統(tǒng)發(fā)生故障，也可 能是嚴重過載，這樣會威脅開關(guān)器件的安全， 應該采取封鎖驅(qū)動信號等保護措施。 溫度檢測可以采用不同溫度等級的常開或常閉溫度開關(guān)。例如， 70 度的常閉溫 度開關(guān)是指：開關(guān)一般情況下閉合，溫度達到或超過 70 度開關(guān)就

14、斷開。（7）器件控制極保護：電力電子裝置中所用的主開關(guān)器件以電壓型開關(guān)器 件占主導地位， 它們的控制特性好， 驅(qū)動功率小， 但控制極比電流型開關(guān)器件容 易損壞，應該注意控制極的保護。 此外，開關(guān)管控制極的狀態(tài)會影響器件的耐壓 水平。如 BJT的基極反偏的集 - 射極擊穿電壓比基極開路時大的多。因此，開關(guān) 管斷態(tài)時，控制極最好加上反偏壓。（8）自鎖式保護電路：如果在電路發(fā)生故障時，封鎖驅(qū)動信號，故障消失 后，立即放開驅(qū)動信號， 不一定能夠?qū)ρb置起到保護作用。 因為封鎖了驅(qū)動信號 裝置就停止運行，檢測到的信號反映不出故障，裝置可能會反復起、停，因此， 對于短路等嚴重故障，應該采用自鎖式保護電路。保

15、護電路的類型和控制方法比較多，應根據(jù)裝置的特點和用戶要求設(shè)計。3 主電路設(shè)計晶閘管調(diào)壓調(diào)速電路如圖 2 所示圖 2 調(diào)壓調(diào)速主電路3.1 整流變壓器計算3.1.1 U2 的計算是一個重要參數(shù)，選擇過低，無法保證輸出額定電壓。選擇過高，又會 造成控制角 加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本 在要求不高的場合或近似估算時，可用下式計算：式中：理想情況下， 時整流電壓 與二次側(cè)電壓 之比，即，見附表 ；B控制角為 時，輸出電壓 Ud與Ud0之比，即B= Ud /Ud0，見附表 1； 電網(wǎng)波動系數(shù)，通常取 ； 考慮各種因素的安全系數(shù)角考慮 裕量：取 ，變比：由附表 查得： ，取3.

16、1.2 一次側(cè)和二次側(cè)相電流 I1 和 I2 的計算式中： KI1、KI2由附表 1 選取變壓器一次側(cè)與二次側(cè)匝數(shù)比。由附表 查得： ，考慮變壓器的勵磁電流時，應乘以 左右的系數(shù)。3.1.3 變壓器的容量計算8式中： 、 一次側(cè)、二次側(cè)繞組的相數(shù)，對不同接線方式可由表選取。由附表 查得： ，考慮變壓器的勵磁功率，取 ， ， ， ，3.2 晶閘管元件的參數(shù)計算選擇晶閘管時主要考慮晶閘管的額定電壓和額定電流是否滿足電路的要求，同時要留有一定的裕量3.2.1 晶閘管的額定電壓 三相橋式全控整流電路中，晶閘管承受的最大峰值電壓 為 實際選 用時，額定電壓要留有一定裕量， 一般取額定電壓為正常工作時晶閘

17、管所承受峰 值電壓的 倍。參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓 。取。3.2.2 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值 ，即變壓器二次側(cè)電流即晶閘管電流的有效值為由上面式 和式 得考慮安全裕量，3.3 電力電子電路保護環(huán)節(jié) 電力電子電路的保護環(huán)節(jié)可分為過電壓保護和過電流保護。 其中過電壓保護 按保護部位又可分為交流側(cè)過電壓保護， 直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓 保護三種。3.3.1 交流側(cè)過電壓保護 阻容保護：即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容進行保護，主要作用是抑制浪 涌過電壓。其接線方式如圖 所示。(2) 壓敏電阻

18、保護：壓敏電阻是其電阻值與外施電壓有關(guān)的一種非線形半導體器 件。當壓敏電阻兩端的外施電壓低于某一定值(壓敏電阻值)時，通過壓敏電阻 的電流幾乎近于零；而當外施電壓超過該值后，電流將突然增大。因此，壓敏電 阻對于外施電壓有限幅的作用。 壓敏電阻主要是抑制浪涌電壓和電流， 保護電器 中的電磁線圈和觸頭，保護半導體元器件等。壓敏電阻的接線如圖4 所示：103.3.2 直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如圖 所示：圖 直流側(cè)過壓保護圖3.3.3 晶閘管兩端的過電壓保護在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路可以抑制晶閘管的

19、關(guān)斷過電壓， 延長使用壽 命。接線如圖 所示。圖 晶閘管保護電路3.3.4 過電流保護 過電流分為過載和短路兩種情況。本系統(tǒng)采用快速熔斷器作過載與短路保 護，用過流繼電器切斷故障電流， 提高保護的可靠性。 快速熔斷器是電力電子裝 置中最有效、 應用最廣泛的過電流保護措施。 快速熔斷器其中與元件串聯(lián)的接法 對于保護晶閘管最為有效。 過電流繼電器作為局部電路的保護措施。 當電動機出 現(xiàn)故障時，過電流繼電器動作，使電動機停止轉(zhuǎn)動。4 觸發(fā)電路設(shè)計4.1 觸發(fā)電路主電路設(shè)計本系統(tǒng)采用 TC787作為驅(qū)動電路的主控芯片。 TC787和 TC788主要適用于三11 相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制

20、電路， 以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流 裝置, 具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元 件少等優(yōu)點，而且裝調(diào)簡便、使用可靠 .TC787 芯片特點如下：(1) TC787適用于主功率器件是晶閘管的三相全控橋或其他拓撲結(jié)構(gòu)電路的系統(tǒng) 中作為晶閘管的移相觸發(fā)電路?？赏瑫r產(chǎn)生六路相序互差 60的輸出脈沖。(2) TC787 在單、雙電源下均可工作，它們輸出三相觸發(fā)脈沖的觸發(fā)控制角可在 0180范圍內(nèi)連續(xù)同步改變。它們對零點的識別非?？煽浚顾鼈兛煞奖愕赜?作過零開關(guān)，同時器件內(nèi)部設(shè)計有移相控制電壓與同步鋸齒波電壓交點(交相 )的鎖定電路，抗干擾能力極強。電路自身具有輸出禁止端，使

21、用戶可在過電流、 過電壓時進行保護，保證系統(tǒng)安全。(3) TC787分別具有 A型和 B 型器件，使用戶可方便地根據(jù)自己應用系統(tǒng)所需要 的工作頻率來選擇 (工頻時選 A型器件，中頻 100400Hz時選 B型器件 )。同時， TC787輸出為脈沖列，適用于觸發(fā)晶閘管及感性負載；(4) TC787 可方便地通過改變引腳 6 的電平高低來設(shè)置其輸出為雙脈沖列還是單 脈沖列。由 TC787構(gòu)成的三相六脈沖觸發(fā)電路如圖 7 所示。 TC787采用單電源供電， 為 +15V。 380 三相交流電經(jīng)過同步變壓器變壓為 30V的同步信號 a，b，c 后， 經(jīng)過電位器 RP1，RP2，RP3及 RCT 型網(wǎng)絡(luò)

22、濾波接入到 TC787的同步電壓輸入端， 通過調(diào)節(jié) RP1，RP2，RP3可微調(diào)各相電壓的相位， 以保證同步信號與主電路的匹 配。 Ca， Cb，Cc 為積分電容， TC787芯片的鋸齒波的線性、幅度由 Ca、Cb、Cc 電容決定，為了保證鋸齒波有良好的線性及三相鋸齒波斜率的一致性，選擇Ca、Cb、Cc 時要求其 3 個電容值的相對誤差要小，以產(chǎn)生的鋸齒波線性好、幅度大 且不平頂為宜。 Ca、Cb、 Cc 電容量的參考值為 0.1 。連接在 13 腳的電容 Cx 決定輸出脈沖的寬度， Cx越大，脈沖越寬，可得到 0 度-80 度范圍的方波。 Cx 參考值為 3300 0.1 。調(diào)節(jié) RP可以使輸入 4腳的電壓 0-15V 之間連續(xù)變化， 從而使輸出脈沖在 0180 度之間變化，712 腳的輸出端有大于 25mA的輸出能力， 采用 6只三極管擴流，經(jīng)脈沖變壓器隔離后將脈沖接到晶閘管的控制極 (g) 和陰 極 (k) 之間，以觸發(fā)晶閘管。12圖 7 三相六脈沖觸發(fā)電路圖4.2 觸發(fā)電路的直流電源觸發(fā)電路中要用到 +15V和 +24V兩路電壓，這里選用和 三端集成穩(wěn)壓芯片作為觸發(fā)電路電源，電源原理圖如圖 所示。圖 8 直流穩(wěn)