电力电子课程设计直流电动机调压调速单相可控直流电源设计.pdf

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1、课程设计报告课程名称电力电子技技术设计题目直流电动机调速调压可控整流电源设计摘要现今直流电动机调压调速可控整流电源对调压范围、响应速度、工作效率、稳定性等各方面提出了很高的要求。本文通过三相桥式全控整流装置为直流电机提供可调电压，详细计算了满足设计要求的包括晶闸管、平波电抗器在内的主电路元器件参数，提供了一种集成的信号触发电路的设计方案，并且设计了通过并联阻容保护电路和快速熔断器实现过压过流保护的解决方案。在本文的最后提供了主电路所用元器件的明细表。关键词：直流调速；三相桥式可控整流；过压过流保护I目录摘要.I目录.II1 绪论.11.1 研究背景.11.2 系统概述.11.3 系统设计指标要

2、求.11.4 本文的工作.12 系统方案的确定.32.1 主电路的方案选择.32.1.1 整流装置.32.1.2 整流电路形式.32.1.3 整流变压器.42.1.4 保护元件与平波电抗器.42.1.5 主电路原理图.42.3 对触发脉冲的要求.52.4 系统工作原理.53 主电路的计算.103.1 整流变压器额定参数的计算.103.2 整流元件的选择.124 保护电路的设计.144.1 晶闸管保护设计.145 触发电路的设计.165.1 触发信号方式选择.165.2 触发电路性能要求.165.3 触发电路选型.176 结论.197 元器件明细表.20参考文献.21致谢.22II1 绪论1.1

3、 研究背景现今，自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域，而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用，直流电动机自从 1834 年问世以来，就以调速范围广、静差小、稳定性好以及良好的动态性能被广泛使用，是自动控制系统的主要形式。可控硅整流装置以晶闸管等电力电子功率器件为基础，以数字控制电路为核心，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。而由可控硅整流装置提供可调电压的直流调速系统与传统的变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。1.2 系统概述本文设计的直流电动机调压调速可控整流电源，由晶闸管三相桥式全控

4、整流电路构成系统的主电路，由以锯齿波为同步信号的触发电路构成控制电路，并设计了保护电路。1.3 系统设计指标要求（1）输入：三相交流电压 380V10%，频率 f=50Hz。（2）输出：直流电压：0220V。（3）要求：50200 V 范围内，直流输出电流额定值 100A。（4）要求：直流输出电流连续的最小值为 10A。1.4 本文的工作（1）整流电路的选择（2）整流变压器额定参数的计算（3）晶闸管电流、电压额定的选择1（4）平波电抗器电感值的计算（5）保护电路的设计（6）触发电路的设计（7）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图（8）列出主电路所用元器件的明细表22 系统方案的确定2.1 主

5、电路的方案选择2.1.12.1.1 整流装置整流装置本系统采用由晶闸管整流装置供给可调电压进行直流调速，与传统的旋转变流机组和离子拖动变流装置及其他静止变流装置相比，在经济性和可靠性上都有很大的提高，并且在技术上也显示出较大的优越性。由于晶闸管是只具备控制接通、无自关断能力的半控型器件，因此在本文所设计直流调速系统中，采用的是晶闸管可控整流器。晶闸管可控整流电路的功率放大倍数在 104以上，其门极电流可由电子信号直接控制，不需要如同直流发电机的大功率放大器。此外在控制的时效性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大的提高系统的动态性能。2.1.22.1.2 整流电路形式整流电路形式

6、通常，对于晶闸管整流装置均采用三相整流电路。三相整流电路的类型很多，包括三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路等，本文采用后一种。因为三相半波可控整流电路不管是共阴极还是共阳极接法，都只用三个晶闸管，其绕组利用率低，且电流是单方向的，为防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截面积，因而引起附加损耗。整流的负载电流要流入电网零线，亦引起额外损耗，特别是增大零线电流，须加大零线的截面。此外其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而三相桥式全控整流电路，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流。因此变压器绕组中没有直流磁通势，可有效的避

7、免直流磁化作用，每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器绕组的利用率。32.1.32.1.3 整流变压器整流变压器晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频，初级电压即为交流电网电压。经过变压器耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行，变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器，当变流电路所需的电压和电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联进线电抗以减小对电网的污染。此次设计中在主电路前端需要配置一个

8、整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减小晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰作用。2.1.42.1.4 保护元件与平波电抗器保护元件与平波电抗器在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。当晶闸管的控制角增大，会造成负载电流断续，当电流断续时，电动机的理想空载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化，负载电流要维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。2.1.52.1.5 主电路原理图主电路原理图综上所述主电路原理图见下图 2-

9、1。4图图 2-12-1 三相桥式全控整流主电路图三相桥式全控整流主电路图2.3 对触发脉冲的要求本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角的大小来控制输出电压 Ud 的大小，从而改变电动机的电源电压。三相桥式全控整流电路的特点是：每个时刻均需2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲也有一定的要求，6 个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序，相位依次差 60，共阴极组的 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差 120，共阳极组 VT2、

10、VT4、VT6 也依次差 120，同一相的上下两个桥臂脉冲相差 180。2.4 系统工作原理三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为 VT1、VT3 和 VT5，共阳极的一组为 VT2、VT4 和 VT6。5先分析若是不可控整流电路的情况，即把晶闸管都换成二极管，这种情况相当于可控整流电路的时的情况。即要求共阴极的一组晶闸管要在自然换相点 1、3、5 点换相，而共阳极的一组晶闸管则会在自然换相点 2、4、6 点换相。因此，对于可控整流电路，就要求触发电路在三相电源相电压正半周的 1、3、5

11、点的位置给晶闸管 VT1、VT3 和 VT5 送出触发脉冲，而在三相电源相电压负半周的2、4、6 点的位置给晶闸管 VT2、VT4 和 VT6 送出触发脉冲，且在任意时刻共阴极组和共阳极组的晶闸管中都各有一只晶闸管导通，这样在负载中才能有电流通过，负载上得到的电压是某一线电压。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 Ud 为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压 Ud 波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗

12、拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势 Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。工作波形如图 2-2。6图图 2-22-2=0=0 时的工作波形时的工作波形为便于分析，可以将一个周期分成 6 个区间，每个区间 60。6 个晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图 2-3 给出了=30时的波形。从 t1 角开始把一个周期等分为 6 段，每段为 60与 0时的情况相比，一周期中 Ud 波形仍由 6 段线电压构成，每一段导通晶

13、闸管的编号等仍符合表 1 的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了 30，组成 Ud 的每一段线电压因此推迟 30，Ud 平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧 a 相电流 Ia 的波形，该波形的特点是，在 VT1 处于通态的 120期间，Ia 为正，由于大电感的作用，Ia 波形的形状近似为一条直线，在 VT4 处于通态的 120期间，Ia 波形的形状也近似为一条直线，但为负值。7图图 2-32-3=30=30时的工作波形时的工作波形由以上分析可见，当 60时，Ud 波形均连续，对于带大电感的反电动势，Id 波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。

14、当 60时，如90时电阻负载情况下的工作波形如图 2-4 所示，Ud 平均值继续降低，由于电感的存在延迟了 VT 的关断时刻，使得 Ud 的值出现负值，当电感足够大时，Ud 中正负面积基本相等，Ud 平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的 角的移相范围为 90。8图图 2-42-4=90=90时的工作波形时的工作波形93 主电路的计算主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对他们的要求主要是安全可靠，因此在部件容量的选择上、在经济和体积相差不太多的情况下，尽可能选用大一些的，并在保护环节上对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计，并采取相应的保措施，配备必要的报

15、警、显示、自动跳闸线路，以确保主线路安全可靠的要求。3.1 整流变压器额定参数的计算一般情况下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压不一致，因此需要使用整流变压器。此外，整流变压器还可以减小电网和整流装置的相互干扰。（1）二次相电压的计算通常我们在计算 U2 时是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时 U2 应按下式计算：UdnUtU2A(cosCUdlI2/I2n)式中：Ud最大整流电压，本设计为 220V；Ut整流元件的正向导通压降，一般取 1V；n电流回路所经过的整流元件（VT 及 VD）的个数，本

16、文为桥式电路 n取 2；A理想情况下=0时 Ud0 与 U2 的比值，查表 3-1 可知 A=2.34；电网电压波动系数，一般取 0.9；最小移相角，在自动控制系统中总希望 U2 值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取 3035，不可逆直流调速系统取 1015，本设计取 30；C线路接线方式系数，查表 3-1 知三相桥式 C 取 0.5V；Udl变压器阻抗电压比，100KV 及以下取 Udl=0.05，100KV 以上取10Udl=0.050.1；I2/I2n二次侧允许的最大电流与额定电流之比，本设计取 1.2。表表 3-13-1 几种整流线路变压器电压的计算系数几种整流线路变压器电压的计算系

17、数线路形式单相全波单相桥式三相半波三相桥式A0.30.91.172.34C0.7070.7070.8660.50根据计算公式及本设计要求的参数，计算得到U2=124V因此整流变压器的变比K U1380 3.06 3U2124（2）一次与二次相电流的计算整流变压器的一次和二次侧的相电流计算公式为：I1KI1IdKI2 KI2Id而在本设计的三相桥式全控整流电路中KI1 KI2 K122 0.8163Id 100A因此，变压器的一次和二次相电流分别为I1=27.2AI2=81.6A（3）变压器容量的计算变压器二次侧容量为：S23U2I2312481.6330.3552kW11变压器一次测容量为：S

18、13U1I1338027.2 31.008kW变压器容量为：S S1 S2 30.6816 31kW23.2 整流元件的选择（1）晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值UFMURM6U2故桥臂的工作电压幅值为：Um 6124 303.7V保留一定裕量，额定电压取为：UN(2 3)Um (2 3)303.7 (607.4 911.1)V（2）晶闸管的额定电流晶闸管电流有效值为：IVTId max100 57.7A33考虑裕量，因此晶闸管的额定电流应为：IVT(AV)(1.5 2)IVT57.7(1.5 2)(55.1 73.5)A1

19、.571.57（3）晶闸管的选型通过以上计算，取晶闸管额定电流取 60A，额定电压取 800V。因此晶闸管型号为 KP6-8。3.3 电抗器参数的计算为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要串联平波电抗器。12为了使输出电流在最小负载电流仍能连续，对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有：L1 KU21Id min其中 K1 整流电路形式有关系数，取 0.693；Idmin为最小负载电流，设计要求直流输出电流连续的最小值为 10A。可得到输出电流连续的临界电感L1 0.693124108.59mH134 保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包

20、括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如 R-C 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本设计中的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1 晶闸管保护设计（1）过电压的产生及过电压的保护晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻

21、断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC 电路。如图 4-1 所示。图图 4-14-1 晶闸管两端并联阻容保护电路晶闸管两端并联阻容保护电路吸收电容计算公式为：C (2 4)103IVT(AV)（2 4）10360（0.12 0.24）F其中，式中 IT(AV)为晶闸管中通过的通态电流平均值。系数(24)表示 2、3、4 三数字中自选。电容交流电压选晶闸管两端交流有效值的 1.5 倍。如电容以直流电压标称，则选晶闸管两端交流有效值的 5 倍。14本设计取 C=0.2 F。电容的耐压值

22、1.5Un=1.5 800=1.2kV吸收电阻计算公式为：R(2 4)Ud220(2 4)(7.6 15.3)IVT57.7取 R=15 。电阻 R 的功率 PR为PRfCUFM10650 0.2(6 124)21060.92W2其中 f为电源频率 50Hz；UFM是晶闸管工作峰值。（2）过电流保护晶闸管的热时间常数小，过电流能力差，所以应该采取有效措施对晶闸管及由它组成的可控整流电路进行保护。过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的 di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快

23、速熔短器进行保护。保护措施中最后一道防线必须采用快速熔断器。快速熔断器的接法如图 4-2所示。（a）交流测快熔（b）元件串联快熔图图 4-24-2 快速熔断器的接法快速熔断器的接法在本设计中，接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值 60A，考虑到快速熔断器额定电压应大于线路的工作电压的有效值，其电流应略小于晶闸管的有效值。故选 RLS 60 的熔断器，额定电压 500V，额定电流 60A 的快速熔断器 9 只。155 触发电路的设计5.1 触发信号方式选择三相全控桥整流电路在任何时刻都必须有两只晶闸管同时导通，而且其中一只是在共阴极组，另外一只在共阳极组。为了保证电路能起动工作，或在

24、电流断续后再次导通工作，必须对两组中应导通的两只晶闸管同时加触发脉冲，为此可采用以下两种触发方式：（1）采用单脉冲触发：如使每一个触发脉冲的宽度大于 60而小于120，这样在相隔 60要触发换相时，当后一个触发脉冲出现时刻，前一个脉冲还未消失，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管。（2）采用双窄脉冲触发：如触发电路送出的是窄的矩形脉冲，在送出某一晶闸管的同时向前一相晶闸管补发一个脉冲，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管。5.2 触发电路性能要求触发电路性能的好坏，不但影响系统的调速范围和调速精度，而且对系统的可靠性有很大的影响。因此触发电路必须保证迅速、准确、可靠的送出脉冲。为达到这个目的，正确

25、选用或设计触发电路是很重要的，一个触发电路性能的优劣常用下列几条来衡量：（1）触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步，以保证每个周期都在相同的延迟角 处触发导通晶闸管。（2）触发脉冲应能在一定的范围内移相。对于不同的主电路要求的移相范围也不同。对于三相全控桥式电路，电阻负载时为0 120，既要整流又要逆变时，其移相范围为 30 150，为保证逆变可靠，对最小逆变角min应加以限制。（3）触发信号应有足够的功率（电压和电流）。为使所有合格的器件在各种可能的工作条件下都能可靠触发，触发电路送出的触发电压和电流，必须大于器件门极规定的触发电压 UGT和触发电流 IGT。触发电压在 4V 以上、10V

26、 以下为16宜，这样就能保证任何一个合格的器件换上去都能正常工作。在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值在短时间内可大大超过额定值。（4）不该触发时，触发电路的漏电压小于 0.15 0.2V，以防误触发。（5）触发脉冲的上升前沿要陡。否则，因温度、电源电压等因素变化时将造成晶闸管的触发时间不准确。设脉冲的幅值为 Um，脉冲前沿是指由 0.1Um 上升到 0.9Um 所需要的时间，一般要在 10 s以内为宜。（6）触发脉冲应有一定的宽度。一般晶闸管的开通时间为 6 s 左右，故触发脉冲的宽度至少应在 6 s以上，最好应有 2050 s。对于三相桥式全控整流电路，若

27、采用宽脉冲触发，则脉冲宽度应大于 60，一般设计成 90（5ms）。5.3 触发电路选型本设计采用集成触发器，集成触发电路具有体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠等特点。三相桥式全控触发电路由3 个 KJ004集成块和 1 个 KJ041集成块（KJ041 内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到 VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6 的门极。6 路双脉冲模拟集成触发电路图如图 5-1所示：17图图 5-15-1 集成触发电路图集成触发电路图186 结论根据设计要求，本文完成了一个直流电动机调压调速可

28、控整流电源的设计工作。设计采用了广泛应用于工业中的三相桥式全控整流电路，为防止电流断流加装了平波电抗器，触发电路采用了锯齿波同步触发电路，并设计了采用快速熔断器的保护电路。197 元器件明细表序号1元件名称晶闸管平波电抗器吸收电容型号KP6-8PK60A/20VCBB15RX21 线绕电阻RLS 60主要参数额定电压 800V、额定电流 60A额定电流 60A、电感量 9.09mH电容 0.2 F、耐压值1200V阻值 15、功率 1W额定电压 500V、熔断电流 60A数量6备注21364吸收电阻快速熔断器65920参考文献1陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，20002王兆安，张明勋主编.电力电子设备设计和应用手册(第三版).北京：机械工业出版社，20093 庄丽.晶闸管可控整流电路保护环节的计算.包头职业技术学院学报.2005，6（1）：24-264黄俊，王兆安编.电力电子变流技术（第 3 版）.北京：机械工业出版社，19995李序葆，赵永健编.电力电子器件及其应用.北京：机械工业出版社，19966 何此昂，周渡海.变压器与电感器设计方法及应用实例.人民邮电出版社.2011.23 曲学基，曲敬铠，于明杨等.电力电子整流技术及应用.电子工业出版社.2008.421