直流電動機調壓調速可控整流電源設計-課程設計

1、課程設計報告課程名稱 電力電子技技術 設計題目 直流電動機調速調壓可控整流電源設計 學生姓名 學號 XXXX 起止日期 2014年2月2014年3月 指導教師 摘要現今直流電動機調壓調速可控整流電源對調壓范圍、響應速度、工作效率、穩(wěn)定性等各方面提出了很高的要求。本文通過三相橋式全控整流裝置為直流電機提供可調電壓，詳細計算了滿足設計要求的包括晶閘管、平波電抗器在內的主電路元器件參數，提供了一種集成的信號觸發(fā)電路的設計方案，并且設計了通過并聯阻容保護電路和快速熔斷器實現過壓過流保護的解決方案。在本文的最后提供了主電路所用元器件的明細表。關鍵詞： 直流調速； 三相橋式可控整流； 過壓過流保護目錄摘要

2、I目錄II1緒論11.1研究背景11.2系統(tǒng)概述11.3系統(tǒng)設計指標要求11.4本文的工作12系統(tǒng)方案的確定32.1主電路的方案選擇32.1.1整流裝置32.1.2整流電路形式32.1.3整流變壓器42.1.4保護元件與平波電抗器42.1.5主電路原理圖42.3對觸發(fā)脈沖的要求52.4系統(tǒng)工作原理53主電路的計算103.1整流變壓器額定參數的計算103.2整流元件的選擇124保護電路的設計144.1晶閘管保護設計145觸發(fā)電路的設計165.1觸發(fā)信號方式選擇165.2觸發(fā)電路性能要求165.3觸發(fā)電路選型176結論197元器件明細表20參考文獻21致謝22I1緒論1.1研究背景現今，自動控制系

3、統(tǒng)已被廣泛應用于人類社會的各個領域，而自動調速控制系統(tǒng)的應用在現代化生產中起著尤為重要的作用，直流電動機自從1834年問世以來，就以調速范圍廣、靜差小、穩(wěn)定性好以及良好的動態(tài)性能被廣泛使用，是自動控制系統(tǒng)的主要形式?？煽毓枵餮b置以晶閘管等電力電子功率器件為基礎，以數字控制電路為核心，具有效率高、無機械噪聲和磨損、響應速度快、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點。而由可控硅整流裝置提供可調電壓的直流調速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變流裝置相比，不僅在經濟性和可靠性上有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。1.2系統(tǒng)概述本文設計的直流電動機調壓調速可控整流電源，由晶閘管三相橋式全控整流電路構成系統(tǒng)的主電路，由以鋸

4、齒波為同步信號的觸發(fā)電路構成控制電路，并設計了保護電路。1.3系統(tǒng)設計指標要求（1）輸入：三相交流電壓380V±10% ，頻率 f = 50Hz。（2）輸出：直流電壓：0220V。（3）要求：50200 V范圍內，直流輸出電流額定值100A。（4）要求：直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A。1.4本文的工作（1）整流電路的選擇（2）整流變壓器額定參數的計算（3）晶閘管電流、電壓額定的選擇（4）平波電抗器電感值的計算（5）保護電路的設計（6）觸發(fā)電路的設計（7）畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖（8）列出主電路所用元器件的明細表2系統(tǒng)方案的確定2.1主電路的方案選擇2.1.1整流裝置本

5、系統(tǒng)采用由晶閘管整流裝置供給可調電壓進行直流調速，與傳統(tǒng)的旋轉變流機組和離子拖動變流裝置及其他靜止變流裝置相比，在經濟性和可靠性上都有很大的提高，并且在技術上也顯示出較大的優(yōu)越性。由于晶閘管是只具備控制接通、無自關斷能力的半控型器件，因此在本文所設計直流調速系統(tǒng)中，采用的是晶閘管可控整流器。晶閘管可控整流電路的功率放大倍數在104以上，其門極電流可由電子信號直接控制，不需要如同直流發(fā)電機的大功率放大器。此外在控制的時效性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大的提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。2.1.2整流電路形式通常，對于晶閘管整流裝置均采用三相整流電路。三相整流電路的類型很多，包括三相半波

6、可控整流電路、三相橋式全控整流電路等，本文采用后一種。因為三相半波可控整流電路不管是共陰極還是共陽極接法，都只用三個晶閘管，其繞組利用率低，且電流是單方向的，為防止鐵心飽和必須加大變壓器鐵心的截面積，因而引起附加損耗。整流的負載電流要流入電網零線，亦引起額外損耗，特別是增大零線電流，須加大零線的截面。此外其變壓器二次側電流中含有直流分量，為此在應用中較少。而三相橋式全控整流電路，由于共陰極組在正半周導電，流經變壓器的是正向電流；共陽極組在負半周導電，流經變壓器的是反向電流。因此變壓器繞組中沒有直流磁通勢，可有效的避免直流磁化作用，每相繞組正負半周都有電流流過，提高了變壓器繞組的利用率。2.1.

7、3整流變壓器晶閘管變流設備一般都是通過變壓器與電網連接的，因此其工作頻率為工頻，初級電壓即為交流電網電壓。經過變壓器耦合，晶閘管主電路可以得到一個合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數下運行，變流主電路和電網之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網的諧波成分，減小電網污染。在變流電路所需的電壓與電網電壓相差不多時，有時會采用自耦變壓器，當變流電路所需的電壓和電網電壓一致時，也可以不經變壓器而直接與電網連接，不過要在輸入端串聯進線電抗以減小對電網的污染。此次設計中在主電路前端需要配置一個整流變壓器，以得到與負載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網隔離，可起到降低或減小晶閘管變流裝置對電網和其

8、他用電設備的干擾作用。2.1.4保護元件與平波電抗器在變壓器二次側并聯電阻和電容構成交流側瞬態(tài)過電壓及濾波，晶閘管并聯電阻和電容構成關斷緩沖；快速熔斷器直接與晶閘管串聯，對晶閘管起過流保護作用。當晶閘管的控制角增大，會造成負載電流斷續(xù)，當電流斷續(xù)時，電動機的理想空載轉速將抬高，機械特性變軟，負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化，負載電流要維持導通，必須加平波電抗器來存儲較大的磁能。2.1.5主電路原理圖綜上所述主電路原理圖見下圖2-1。圖2-1 三相橋式全控整流主電路圖2.3對觸發(fā)脈沖的要求本設計中直流電動機采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機的可調直流電源。通過調節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制

9、輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機的電源電壓。三相橋式全控整流電路的特點是：每個時刻均需2個晶閘管同時導通，形成向負載供電回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。對觸發(fā)脈沖也有一定的要求，6個晶閘管的脈沖按VT1-VT2-VT3 -VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°，共陰極組的VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽極組VT2、VT4、VT6也依次差120°，同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180°。2.4系統(tǒng)工作原理三相橋式全控整流電路相當于一組共陰極的三相半波和一組共陽極的三相半波可控整流電路串聯起

10、來構成的。習慣上將晶閘管按照其導通順序編號，共陰極的一組為VT1、VT3和VT5，共陽極的一組為VT2、VT4和VT6。先分析若是不可控整流電路的情況，即把晶閘管都換成二極管，這種情況相當于可控整流電路的時的情況。即要求共陰極的一組晶閘管要在自然換相點1、3、5點換相，而共陽極的一組晶閘管則會在自然換相點2、4、6點換相。因此，對于可控整流電路，就要求觸發(fā)電路在三相電源相電壓正半周的1、3、5點的位置給晶閘管VT1、VT3和VT5送出觸發(fā)脈沖，而在三相電源相電壓負半周的2、4、6點的位置給晶閘管VT2、VT4和VT6送出觸發(fā)脈沖，且在任意時刻共陰極組和共陽極組的晶閘管中都各有一只晶閘管導通，這

11、樣在負載中才能有電流通過，負載上得到的電壓是某一線電壓。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最小（負得最多）的相電壓，輸出整流電壓Ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓Ud波形為線電壓在正半周的包絡線。由于負載端接得有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感對電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時，在其兩端產生感應電動勢Li，它的極性事阻止電流變化的。當電流增加時，它的極性阻止電流增加，當電流減小時，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無窮大時趨于一條平直的直

12、線。工作波形如圖2-2。圖2-2 =0時的工作波形為便于分析，可以將一個周期分成6個區(qū)間，每個區(qū)間60°。6個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖2-3給出了=30°時的波形。從t1角開始把一個周期等分為6段，每段為60°與0°時的情況相比，一周期中Ud波形仍由6段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30°，組成Ud 的每一段線電壓因此推遲30°，Ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側a相電流 Ia&

13、#160;的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120°期間，Ia為正，由于大電感的作用，Ia波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120°期間，Ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負值。圖2-3 =30°時的工作波形由以上分析可見，當60°時，Ud波形均連續(xù)，對于帶大電感的反電動勢，Id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當60°時，如90°時電阻負載情況下的工作波形如圖2-4所示，Ud平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使得Ud的值出現負值，當電感足夠大時，Ud中正負面積基本相等，Ud平均值近似

14、為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的角的移相范圍為90°。圖2-4 =90°時的工作波形3主電路的計算主電路主要是對電動機電樞和勵磁繞組進行正常供電，對他們的要求主要是安全可靠，因此在部件容量的選擇上、在經濟和體積相差不太多的情況下，盡可能選用大一些的，并在保護環(huán)節(jié)上對各種故障出現的可能性，都要有足夠的估計，并采取相應的保措施，配備必要的報警、顯示、自動跳閘線路，以確保主線路安全可靠的要求。3.1整流變壓器額定參數的計算一般情況下，整流裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓不一致，因此需要使用整流變壓器。此外，整流變壓器還可以減小電網和整流裝置的相互干擾。（1）

15、二次相電壓的計算通常我們在計算U2時是在理想條件下進行的，但實際上許多影響是不可忽略的。如電網電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內阻造成的壓降等。所以設計時U2應按下式計算：式中：Ud最大整流電壓，本設計為220V；Ut整流元件的正向導通壓降，一般取1V；n電流回路所經過的整流元件（VT及VD）的個數，本文為橋式電路n取2；A理想情況下=0º時Ud0與U2的比值，查表3-1可知A=2.34；電網電壓波動系數，一般取0.9；最小移相角，在自動控制系統(tǒng)中總希望U2值留有調節(jié)余量，對于可逆直流調速系統(tǒng)取30º35º，不可逆直流調速系統(tǒng)取10º15

16、86;，本設計取30º；C線路接線方式系數，查表3-1知三相橋式C取0.5V； Udl變壓器阻抗電壓比，100KV及以下取Udl=0.05，100KV以上取Udl=0.050.1；I2/I2n二次側允許的最大電流與額定電流之比，本設計取1.2。表3-1 幾種整流線路變壓器電壓的計算系數線路形式AC單相全波0.30.707單相橋式0.90.707三相半波1.170.866三相橋式2.340.50根據計算公式及本設計要求的參數，計算得到U2=124V因此整流變壓器的變比3（2）一次與二次相電流的計算整流變壓器的一次和二次側的相電流計算公式為：而在本設計的三相橋式全控整流電路中因此，變壓器

17、的一次和二次相電流分別為I1=27.2AI2=81.6A（3）變壓器容量的計算變壓器二次側容量為：變壓器一次測容量為：變壓器容量為：3.2整流元件的選擇（1）晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值故橋臂的工作電壓幅值為：保留一定裕量，額定電壓取為：（2）晶閘管的額定電流晶閘管電流有效值為：考慮裕量，因此晶閘管的額定電流應為：（3）晶閘管的選型通過以上計算，取晶閘管額定電流取60A，額定電壓取800V。因此晶閘管型號為KP6-8。3.3電抗器參數的計算為了限制輸出電流脈動和保證最小負載電流時電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯平波電抗器。

18、為了使輸出電流在最小負載電流仍能連續(xù)，對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載系統(tǒng)，有：其中K1整流電路形式有關系數，取0.693；Idmin為最小負載電流，設計要求直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A?？傻玫捷敵鲭娏鬟B續(xù)的臨界電感4保護電路的設計為了保護設備安全，必須設置保護電路。保護電路包括過電流與過電流保護，大致可以分為兩種情況：一種是在適當的地方安裝保護器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數值。本設計中的

19、三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護方案，分別對晶閘管、交流側、直流側進行保護設電路的設計。4.1晶閘管保護設計（1）過電壓的產生及過電壓的保護晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流。當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過恢復電流的電感會因高電流變化率產生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯RC電路。如圖4-1所示。圖4-1 晶閘管兩端并聯阻容保護電路吸收電容計算公式為：其中，式中IT(AV)為晶閘管中通過的通態(tài)電流平均值。系數(24)表示2、3、4三數字中自

20、選。電容交流電壓選晶閘管兩端交流有效值的1.5倍。如電容以直流電壓標稱，則選晶閘管兩端交流有效值的5倍。本設計取C=0.2F。電容的耐壓值1.5Un=1.5×800=1.2kV吸收電阻計算公式為：取R=15。電阻R的功率PR為其中f為電源頻率50Hz；UFM是晶閘管工作峰值。（2）過電流保護晶閘管的熱時間常數小，過電流能力差，所以應該采取有效措施對晶閘管及由它組成的可控整流電路進行保護。過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護措施。對于晶閘管初開通時引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯入電感進行抑制；對于整流橋內部原因引起的過流以及逆變器負載回路接地時可以采用接入快

21、速熔短器進行保護。保護措施中最后一道防線必須采用快速熔斷器。快速熔斷器的接法如圖4-2所示。（a）交流測快熔 （b）元件串聯快熔圖4-2 快速熔斷器的接法在本設計中，接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值60A，考慮到快速熔斷器額定電壓應大于線路的工作電壓的有效值，其電流應略小于晶閘管的有效值。故選RLS60的熔斷器，額定電壓500V，額定電流60A的快速熔斷器9只。5觸發(fā)電路的設計5.1觸發(fā)信號方式選擇三相全控橋整流電路在任何時刻都必須有兩只晶閘管同時導通，而且其中一只是在共陰極組，另外一只在共陽極組。為了保證電路能起動工作，或在電流斷續(xù)后再次導通工作，必須對兩組中應導通的兩只晶閘

22、管同時加觸發(fā)脈沖，為此可采用以下兩種觸發(fā)方式：（1）采用單脈沖觸發(fā)：如使每一個觸發(fā)脈沖的寬度大于60º而小于120º，這樣在相隔60º要觸發(fā)換相時，當后一個觸發(fā)脈沖出現時刻，前一個脈沖還未消失，因此均能同時觸發(fā)該導通的兩只晶閘管。（2）采用雙窄脈沖觸發(fā)：如觸發(fā)電路送出的是窄的矩形脈沖，在送出某一晶閘管的同時向前一相晶閘管補發(fā)一個脈沖，因此均能同時觸發(fā)該導通的兩只晶閘管。5.2觸發(fā)電路性能要求觸發(fā)電路性能的好壞，不但影響系統(tǒng)的調速范圍和調速精度，而且對系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準確、可靠的送出脈沖。為達到這個目的，正確選用或設計觸發(fā)電路是很

23、重要的，一個觸發(fā)電路性能的優(yōu)劣常用下列幾條來衡量：（1）觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個周期都在相同的延遲角處觸發(fā)導通晶閘管。（2）觸發(fā)脈沖應能在一定的范圍內移相。對于不同的主電路要求的移相范圍也不同。對于三相全控橋式電路，電阻負載時為0º120º，既要整流又要逆變時，其移相范圍為30º150º，為保證逆變可靠，對最小逆變角應加以限制。（3）觸發(fā)信號應有足夠的功率（電壓和電流）。為使所有合格的器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓UGT和觸發(fā)電流IGT。觸發(fā)電壓在4V以上、1

24、0V以下為宜，這樣就能保證任何一個合格的器件換上去都能正常工作。在觸發(fā)信號為脈沖形式時，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時間內可大大超過額定值。（4）不該觸發(fā)時，觸發(fā)電路的漏電壓小于0.150.2V，以防誤觸發(fā)。（5）觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時將造成晶閘管的觸發(fā)時間不準確。設脈沖的幅值為Um，脈沖前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的時間，一般要在10s以內為宜。（6）觸發(fā)脈沖應有一定的寬度。一般晶閘管的開通時間為6s左右，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應在6s以上，最好應有2050s。對于三相橋式全控整流電路，若采用寬脈沖觸發(fā)，則脈沖寬度應大于60º，一般設計成90º（5ms）。5.3觸發(fā)電路選型本設計采用集成觸發(fā)器，集成觸發(fā)電路具有體積小、功耗低、調試方便、性能穩(wěn)定可靠等特點。三相橋式全控觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊（KJ041內部是由12個二極管構成的6個或門）及部分分立元件構成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖5