單相全控橋式晶閘管—電動機系統(tǒng)設(shè)計

1、單相全控橋式晶閘管電動機系統(tǒng)設(shè)計1 設(shè)計要求及分析1.1 設(shè)計要求電動機負載，直流電動機額定參數(shù)為：PN=3KWUN=220V,IN=17A,nN=1500r/min,Ra=0.2Q,勵磁：它勵，勵磁電壓220V,進線交流電源：三相380V,電流過載倍數(shù)入=1.5,使用單相可控整流電路，工作于電動狀態(tài)。要求設(shè)計出單相全控橋式主電路、觸發(fā)電路、晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路，并且提供系統(tǒng)總的電路圖。1.2 設(shè)計分析設(shè)計要求中提供的電動機為直流電動機，因此需要用到整流電路。整流電路是電力電子電路中經(jīng)常用的一種電路，它將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。這里要求設(shè)計的主電路為單相全控橋式晶閘管電路，接電動機負

2、載。由于電動機是阻感負載，且工作時相當(dāng)于反電動勢負載，因此要分別予以分析考慮。晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。在電力電子電路中，可能會出現(xiàn)一些突發(fā)情況，比如電壓過大、電流過大、電壓電流變化速率過快等等，這些都會使晶閘管燒壞，導(dǎo)致整個電路不能正常工作，因此，需要額外的設(shè)計保護電路對晶閘管進行過電壓過電流保護，從而保證電力電子電路正常工作。他勵直流電動機是由其他直流電源單獨供給勵磁電流的電動機，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。從整個系統(tǒng)來看，單相橋式全控整流電路將交流電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)變成直流電，直流電驅(qū)動直流電動機工作，但為了保護晶閘管正常工作，需

3、要圍繞晶閘管設(shè)計觸發(fā)電路、過電壓和過電流保護電路。2晶閘管一電動機系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求可以畫出系統(tǒng)總體框圖如圖1所示交流電網(wǎng)交流電整流變壓器單相橋式全控整流電路晶閘管觸發(fā)電路直鐮電動機負載晶閘售過電壓保護晶閘管過電流保護圖i系統(tǒng)總體框圖品閘管可控整流裝置帶電動機負載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣上稱為晶閘管直流電動機系統(tǒng)，是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。這里用到的控制電路為單相橋式全控。整流電路直流電壓的平衡方程為:Ud=EmRIdU式中，Rg為電路總的阻抗，它包括變壓器等效電阻、電樞電阻以及重疊角引起的阻抗。由于電流斷續(xù)對電動機負載是很不利的，因此需要串聯(lián)一平波電抗器來保證電流連續(xù)

4、。當(dāng)電流連續(xù)時，電動機轉(zhuǎn)速與電流的關(guān)系如下式所示。UdRid：uCeCeee由于單相全控橋式整流電路中，Ud=0.9U2cosd所以,O9U2cos：CeRid ，UCe式中，AU為晶閘管正向壓降，一般為1V左右;Ce為電動機在額定磁通下的電動機轉(zhuǎn)速比;eR為電路總的阻抗；3單相全控橋式整流電路單元電路模塊分析從系統(tǒng)總體框圖可以看出，單項全控橋式晶閘管一電動機系統(tǒng)包含整流變壓器、全控橋式主控電路、觸發(fā)電路、保護電路、電動機負載幾個部分，下面將分別對每個電路模塊進行詳細分析。3.1 單相全控橋式整流電路所謂整流電路就是利用電力電子器件（例如晶閘管）對電路進行控制，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷囊环N電力電

5、子電路。而單相橋式全控整流電路主要利用品閘管這一電力電子器件對電路進行控制，形成直流電壓或電流，從而為直流電動機提供直流電。單相全控橋式整流電路圖如圖2所示。圖2單相全控橋式整流電路由于電動機是阻感負載，并且?guī)Х措妱觿?，因此需要對這兩種情況分別予以考慮分析。3.1.1 帶阻感負載時的工作情況所謂阻感負載就是負載中既有電阻，又有電感。其電路圖如圖3所示。圖3單相全控橋帶阻感負載為了便于討論，假設(shè)電路已工作與穩(wěn)態(tài)在u2正半周,觸發(fā)角a處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通，ud=u2。負載中有電感存在使負載電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設(shè)負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一

6、水平線，其波形如圖4所示。u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id,并不關(guān)斷。至兇=九+0(時亥|J,給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。VT2ffiVT3#ffl/t,u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。至下一周重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去。ud波形如圖4所示。其平均值為：1 :y一Ud=2U2sintd(t)n乜U 2 cos - - 0.9U 2 cos-ji2 2單相橋式全控整流電路帶阻感負載時，晶閘管承受的最大正

7、反向電壓均為應(yīng)U2。圖4單相全控橋式整流帶阻感負載時的工作波形變壓器二次電流12的波形為正負各180一的矩形波，其相位由口決定，有效值I2=Id。電流1d波形如圖4所示。3.1.2 帶反電動勢負載時的工作情況所謂反電動勢負載就是當(dāng)負載為蓄電池、直流電動機的電樞(忽略其中的電感)等時，負載可看成一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負載。直流電動機工作時會產(chǎn)生反電動勢，因此可以看作是反電動勢負載。具電路圖如圖5所示。圖5單相全控橋帶電動機反電動勢負載忽略主電路各部分的電感時，只有在u2瞬時值的絕對值大于反電動勢即u2AE時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。晶閘管導(dǎo)通之后，ud=u2,

8、id=(ud-E)/R,直至u2=E,id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E。與電阻負載相比，晶閘管提前了電角度占停止導(dǎo)電。3.1.3 晶閘管電路對電網(wǎng)的影響隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，但電力電子裝置也有其不好的地方，比如其帶來的無功和諧波會對電網(wǎng)帶來很不利的影響。晶閘管作為一種電力電子裝置，也難免會對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，突出表現(xiàn)為以下幾個方面。品閘管電路中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的危害包括：(1)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，例如使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱等等。(2)諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，甚

9、至?xí)咕€路過熱而發(fā)生火災(zāi)。(3)諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使危害大大加大，甚至引起嚴(yán)重事故(4)諧波會對鄰近通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。(5)諧波還會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電器測量儀表計量不準(zhǔn)確。品閘管電路產(chǎn)生的無功功率對電網(wǎng)帶來的不利影響包括：(1)無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。(2)無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。(3)使線路的壓降增大，沖擊性無功負載還會使電壓劇烈波動。3.1.4晶閘管電路參數(shù)計算分析1 .晶閘管電壓定額的確定通常取晶閘管的U

10、DRM(斷態(tài)重復(fù)峰值電壓)和URRM(反復(fù)重復(fù)峰值電壓)中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般額定電壓3小)為正常工作時品閘管所承受峰值電壓(UTM)的23倍，即：UTN=(23)utm2 .晶閘管電流定額的確定品閘管允許通過的額定電流有效值ITN大于實際流過晶閘管電流最大有效值IT,即：ITN=1.57It(av)IT其中，IT(AV)為通態(tài)平均電流It(AV)=(1.52)KId其中，1d為實際電流有效值。3 .整流變壓器參數(shù)計算整流變壓器二次側(cè)電壓U2的計算整流變壓器二次側(cè)電壓U2的計算公式如下：UdmaxnUTU2=-I2Az(coscmin-cUsh.

11、)I2N式中，Udmax一整流電路輸出電壓最大值。Udmax=UN+RaIN=227.1VnUT一主電路電流回路n個晶閘管正向壓降。nUT=2*1=2VC線路接線方式系數(shù)。這里c=0.707Ush變壓器短路比，Ush=0.050.1,取Ush=0.05I2/I2N一變壓器二次側(cè)實際工作電流與額定電流之比，取最大值，這里I2/I2N=1.5A一理想情況下，即已=0二時整流電壓Udo與二次側(cè)電壓U2之比，這里取A=0.9w電網(wǎng)波動系數(shù)，通常取8=0.9綜上所述，整流變壓器二次側(cè)電壓U2為：UdmaxnUT_2001.5*0.2*172*1u2A,(cosamin-cUshI2)0.9*0.9(co

12、s10J0.707*0.05*1.5)I2N301V整流變壓器二次側(cè)電流i2的計算整流變壓器二次側(cè)電流i2的計算公式如下:I2=K121d這里由于是單相橋式全控電路，所以KI2=1.11所以，I2=1.11Id4.系統(tǒng)功率因素的計算單相全控整流電路中基波和各次諧波的有效值為:1nHn 二n=1,3,5,因此可得基波電流有效值為:22I二=Idi2的有效值I=Id,可得基波因數(shù)為：_:0.9a所以位移因素為:Ii22v=I二又因為，電流基波與電壓的相位差就等于控制角1=cos1=cos：所以，功率因數(shù)為：_Ii,221=1=cos1=cos-:0.9cos-3.2 平波電抗器負載為直流電動機時，

13、如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機的機械特性將很軟。導(dǎo)通角a越小，則電流波形的底部就越窄。電流平均值是與電流波形的面積成比例的,因而為了增大電流平均值，必須增大電流峰值，這要求較多的降低反電動勢。因此，當(dāng)電流斷續(xù)時，隨著1d的增大，轉(zhuǎn)速n（與反電動勢成比例）降落較大，機械特性較軟，相當(dāng)于整流電源的內(nèi)阻增大。一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導(dǎo)通的時間。有了電感，當(dāng)u2小于E時甚至U2值為負時，品閘管仍可導(dǎo)通。因此，帶反電動機電動勢負載時，要在直流輸出側(cè)串聯(lián)一個大電感，平穩(wěn)負載電流的脈動，保證整流電流連續(xù)，如圖6所示。圖6帶平波電抗器的電動機反電動勢負載電路圖3.3

14、 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計及定相3.3.1 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計所謂晶閘管觸發(fā)電路就是產(chǎn)生符合品閘管門極所需的觸發(fā)脈沖，保證品閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。由于全控橋式整流電路帶電動機負載，而電動機負載中含有電阻和電感，由于電動機電樞電感較小，基本可以不予考慮，但要保證電動機電流連續(xù)，則通常在電樞回路中串聯(lián)一個平波電抗器，平穩(wěn)負載電流的連續(xù)，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。這相當(dāng)于在回路中串聯(lián)了一個大電感。因此設(shè)計觸發(fā)電路時需要考慮到這一點。這里設(shè)計的觸發(fā)電路采用鋸齒波同步觸發(fā)電路，這種電路輸出為雙窄脈沖（也可輸出單窄脈沖），它適用于對觸發(fā)電路要求較高的晶閘管整流電路，比如全控橋式整流電路。鋸齒波

15、同步觸發(fā)電路如圖7所示。鋸齒波電路脈沖形成過程如下：當(dāng)VT4管截止時，+15V電源通過電阻R11、R10給VT5VT6提供足夠的基極電流，使之飽和導(dǎo)通。VT5集電極電位約-15V（略去VT5VT6管的飽和壓降），所以VT7管截止，沒有脈沖輸出。同時+15V電源又通過電阻R9、VT5VT6-15V電源給電容C3充電，極性左正右負。充電結(jié)束后，C3兩端電壓約為30V。當(dāng)VT4管基、射極間電壓即C點電壓uc之0.7V時，VT4管導(dǎo)通，D點電位uD突變到約等于0V。因為電容兩端不能突變，所以VT5管的基極電位即E點電位突變到-30V,VT5管截止，具集電極F點電位uF迅速上升。當(dāng)uF1.4V時，VT7

16、管導(dǎo)通，脈沖變壓器TP二次側(cè)有脈沖輸出。在VT4導(dǎo)通、VT5截止的同時，電容C3經(jīng)二極管VD4VT4+15V電源和電阻R11放電，然后又反向充電，使VT5管基極電位即E點電位uE上升，到VT5管基、射極正偏時，VT5又重新導(dǎo)通，使VT7截止，脈沖結(jié)束。由此可知，VT4管導(dǎo)通瞬間即是脈沖發(fā)出時刻，VT5管持續(xù)截止時間決定了脈沖寬度，而VT5管截止時間的長短和C3充放電時間常數(shù)R11c3相關(guān)，因此變更R1在DC3的值，可以改變脈沖的寬度。VT4管導(dǎo)通時刻，脈沖變壓器TP二次側(cè)即有脈沖輸出。+15y 口VD1長匚451卜10C5gTSY -157圖7晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路品閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路波

17、形如圖8所示nnn圖8晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路波形3.3.2 觸發(fā)電路的定相向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定不變的，而是會在允許范圍內(nèi)有一定的波動。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，這就是觸發(fā)電路的定相。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。本觸發(fā)電路的同步電壓環(huán)節(jié)由同步變壓器TS和VT2管等元件組成，如圖7所示。

18、脈沖產(chǎn)生時刻由VT4管導(dǎo)通時刻決定的，若鋸齒波頻率與主電路電源頻率同步，就能使觸發(fā)脈沖與主電路同步。在這里同步變壓器TS和主電路整流變壓器接在同一電源上，用TS的二次側(cè)電壓控制VT2管的通斷，這就保證了觸發(fā)電路發(fā)出的脈沖與主電路同步。VT2管由導(dǎo)通到截止時產(chǎn)生鋸齒波，其截止持續(xù)時間就是鋸齒波的寬度，由電容Ci反向充電時間常數(shù)RjCi決定。VT2管的開關(guān)頻率就是鋸齒波的頻率。采用鋸齒波同步觸發(fā)電路時，同步信號負半周的起點對應(yīng)于鋸齒波的起點，且同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓1803.4 晶閘管過電壓、過電流保護電路的設(shè)計在電力電子電路中，電力電子器件由于承受電壓、電流過大，du/dt或di/dt變化過

19、快，就會使電力電子器件燒壞，從而使整個電路不能正常工作，因此設(shè)計過電壓、過電流保護電路來保證電力電子器件的正常工作是非常有必要的。下面就過電壓保護電路、過電流保護電路的設(shè)計分別予以討論分析。3.4.1 晶閘管過電壓保護電路的設(shè)計品閘管電路中可能發(fā)生的過電壓可分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。內(nèi)因過電壓主要來自品閘管內(nèi)部的開關(guān)過程。，包括換相過電壓和關(guān)斷過電壓。品閘管電路過電壓保護主要防止內(nèi)因過電壓，一般情況下，外因過電壓出現(xiàn)的幾率比較小，這里主要分析內(nèi)因過電壓的電路設(shè)計。品閘管內(nèi)因過電壓保護電路如圖9所示。圖9晶閘管過電壓保護電路這種保護電路能

20、有效的抑制內(nèi)因過電壓，從而保護品閘管不受損壞。這種電路一般和di/dt抑制電路串聯(lián)使用，從而更好的保護品閘管，如圖10所示。Ql_/VWVXdi/dt抑制電路L援沖電路圖10晶閘管過電壓、di/dt抑制保護電路如圖10所示，V開通時刻緩沖電容Cs先通過Rs向V放電，使電流iC先上一個臺階，以后因為有di/dt抑制電路的Li,iC的上升速度減慢。Ri、VDi是在V關(guān)斷時刻為Li中的磁場能量提供放電回路設(shè)置的。在V關(guān)斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓3.4.2 晶閘管過電流保護電路的設(shè)計品閘管電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和

21、短路兩種情況。圖11給出了各種過電流保護措施及其配置位置。交流斷路器圖11過電流保護措施及配置位置其中采用快速熔斷器、直流快速斷路器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。從圖12可以看出，晶閘管的過電流保護采用快速熔斷器進行保護，因為快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。如圖12所示?？焖偃蹟嗥髋c晶閘管直接串聯(lián)。晶間莒圖12晶閘管過電流保護電路4總結(jié)本次課程設(shè)計主要考察對

22、單相橋式全控晶閘管電動機系統(tǒng)的了解，并設(shè)計出符合要求的晶閘管電動機主電路，當(dāng)然還需要設(shè)計出一些輔助電路，比如晶閘管觸發(fā)電路，晶閘管過電壓、過電流保護電路等等。整個系統(tǒng)可以先分成幾個模塊，然后再根據(jù)總體設(shè)計要求將各個單元模塊電路組合，就可以設(shè)計出完整的單相橋式全控晶閘管電動機系統(tǒng)。很明顯，單相橋式全控晶閘管電動機系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，因此在短短幾天時間內(nèi)完成電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，并撰寫出設(shè)計報告，是一個挑戰(zhàn)，它不光考察對單相橋式全控晶閘管電動機系統(tǒng)的理解，還考察了對已學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，更考察了對各種信息的處理能力。要想完成這次課程設(shè)計，除了認真閱讀課本知識外，還要查找課堂外的知識。設(shè)計過程可以看作一個信息梳理、信息處理、信息應(yīng)用的過程。首先，需要認真思考設(shè)計要求，并