三相全控桥式晶闸管电动机系统设计毕业设计.doc
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1、武汉理工大学华夏学院电力电子技术课程设计课程设计说明书摘要许多机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟,应用最广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。本此设计主要就是针对直流调速装置,利用晶闸管三相全控桥式整流技术,结合集成触发器芯片,组成晶闸管三相全控桥式整流直流电动机调速系统,主要应用的芯片是TCA787集成移相触发控制芯片,实现调速系统。同时设计出完整的
2、电气原理图,将分别介绍各个模块的构成原理和使用方法。目录1设计任务及要求分析51.1设计初始条件51.2要求完成的任务52三相全控桥式整流电路的设计62.1整流变压器的设计62.1.1整流变压器额定参数计算62.1.2变压器二次侧相电压的计算62.1.3 一次、二次电流与变压器容量的计算 72.1.4 变压器参数设定和选择92.2 平波电抗器的参数及选择102.2.1电抗器的电感102.2.2整流变压器漏电感的计算112.3整流电路122.3.1整流器件的定额计算和选择122.3.2晶闸管对电网的影响 132.3.3 系统功率因数的讨论 143.晶闸管保护电路设计153.1晶闸管过压保护电路设
3、计 153.2晶闸管过流保护电路设计 183.3电流上升率、电压上升率 194. 触发电路的设计214.1 TC787(788)集成移相出发器214.2 触发电路设计255总结26参考文献27附录 28三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计1设计任务及要求分析1.1设计初始条件1.直流电动机额定参数: PN=10KW, UN=220V, IN =50A,nN =1000r/min,电枢电阻Ra=0.5,电流过载倍数1.5,电枢电感LD =7mH,励磁电压UL=220V 励磁电流IL=1.6A. 2.进线交流电源:三相380V3.性能指标:直流输出电压0-220V,最大输出电流75A,保证电流连续的
4、最小电流为5A。使用三相可控整流电路,电动机负载,工作于电动状态。1.2要求完成的任务1. 三相全控桥式主电路设计(包括整流变压器参数计算,整流元件定额的选择),讨论晶闸管电路对电网的影响及系统功率因数。2. 触发电路设计。触发电路选型(可使用集成触发器),同步信号的定相等。3. 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4. 提供系统电路图纸不少于一张。根据所给任务的要求,首先应先认真分析题目,题目是三相全控桥式晶闸管电动机系统设计。再根据所给电动机是直流电动机,可以得出这是一个AC/DC的变换电路,直流电动机负载可以看成是三相全控桥式晶闸管接一个反电动势负载,由此可以得出此设计的重点在于设计
5、三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换,且保证输出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可。所以就对此电路的设计有了大体上的认识,也对其设计步骤有了具体构思。2三相全控桥式整流电路的设计2.1整流变压器的设计2.1.1整流变压器额定参数计算 有所学电力电子技术实验所知,很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流电电压与电网电压往往不能一致,同时,为了减小电网与整流装置的相互干扰,限止高次携波电流流入电网,还要使整流器主电路与电网隔离,所以需要配置合适的整流变压器。整流变压器额定参数的计算,主要根据主电路的形式,负载的大小,输出直流电压和负载电流,求出整流变压器的二次绕组相电压、二次绕组电
6、流和容量,然后求出一次侧电流和容量。 整流变压器的基本技术参数为二次绕组电压值与变压器容量,这是设计和选用变压器的依据,可选用现有的电力变压器系列产品或自行设计。2.1.2变压器二次侧相电压的计算 理论中的整流电路中的整流器件均为假定的理想元件,如果要求高精度的整流装置,则要比较精确地计算二次相电压,此时必须考虑元件的管压降、电网电压的波动、变压器的漏抗电压以及最小控制角等方面的因素。考虑了以上因素后,变压器二次典雅的计算公式为式中:-最大整流电压; n-电流通过的整流元件数;-整流元件的正向导通压降;A-理想情况下a=0时整流电压与变压器二次侧电压之比,见表2.1.1;-电网电压波动系数,一
7、般取0.9;-最小控制角,一般取3035;C-线路接线方式系数,见表2-1-1;-变压器短路电压之比(标么值),100KVA一下取0.05,100KVA以上取0.050.1,容量越大,也越大;-变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比整流电路的形式AC单相全波0.90707单相桥式0.90.707三相半波1.170.866三相桥式2.340.5表2.1.1 几种常用形式整流电路的变压器电压计算系数2.1.3 一次、二次电流与变压器容量的计算根据整流电路的不同形式与负载性质,可计算变压器一次与二次电流的有效值。如不计变压器励磁电流,则根据磁势平衡原理可知变压器一次侧、二次侧电流的关系为
8、式中:、-变压器一次侧和二次侧绕组的匝数; K-变压器的匝数比,K=/。对于普通电力变压器,一次、二次绕组流过的是有效值相等的正弦电流,但是对于整流变压器,通常一次、二次绕组流过的是非正弦电流。下面一三相桥式整流电路为例进行分析。大电感负载时,变压器二次侧电流的波形图如图2.1.2所示,这种波形为正负对称的矩形波,可分解成基波与各次谐波。由于没有直流分量,因此它们都可以通过变压器的磁耦合反映到一次绕组中去。所以,和电流波形相似,其有效值为二次侧电压以理想情况计算为 所以,变压器二次侧容量为变压器一次测电流为变压器一次侧容量为可见,当变压器二次侧电流无直流分量时,二次侧容量等于一次侧容量。对于三
9、相全控桥式整流电路来说,=图2.1.2 三相全空整流桥的变压器的一次绕组和二次绕组的电流波形图各种整流电路的变压器容量参数见表2.1.3整流电路变压器负载性质三相全控桥电阻性负载2.341.221.051.051.05电感性负载2.341.221.051.051.05表2.1.3 各种整流电路变压器容量计算系数由表可知,整流变压器的平均容量都大于整流功率Pd,二者之比越接近于1,则该种线路变压器的利用率越高。2.1.4 变压器参数设定和选择(1)的选择:由设计要求可以知道,所要驱动的直流电动机的额定电压为220,即可知道要使电动机工作在电动状态所需要的额定电压为220,即=220。根据给定的直
10、流电动机的参数可求得和的值为。(注:电动机电枢电路总电阻的标么值,对于电动机额定电流和电压的电阻的标么值。)且根据给定的直流电动参数,可得。根据设计要求所采用的整流电路是三相全控桥整流电路,则根据相应的表格可以得到,因为是不可逆设计,所以取时,。的取值范围是1.050.9,本设计取.05,取。将以上所得的参数带入到公式得,因为125是考虑到最严重的情况所算得的的值。故本设计可以选择,此电压可以在为度范围内使整流电路输出的直流电压,使电动机达到额定工作状态。即=127V。(2)容量的计算:根据三相全控桥变压器二次侧电流的有效值的计算公式计算得,。由于变压器采用型连接,则。即即可求得, 即综上所述
11、,选择型号为,380的变压器。2.2 平波电抗器的参数及选择在使用晶闸管整流装置供电时,其供电电压和电流中,含有各种谐波成份。当控制角增大,负载电流减小到一定程度时,还会产生电流断续现象,造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时,由于电流断续和直流电动机的脉动,会使晶闸管导通角减小,整流器等效内阻增大,电动机的机械特性变软,换相条件恶化,并且增加电动机的损耗。因此,除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量,选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外,通常还采用在直流电路内串接平波电抗器,以限制电流的脉动分量,维持电流连续。2.2.1电抗器的电感若要求变流器在某一最小输出电流时仍
12、能维持电流连续,则电抗器的电感可按下式计算:式中 交流测电源相电压有效至。要求连续的最小负载电流平均值。与整流主电路形式有关的计算系数,=0.693。对于不同控制角,所需的电感量为(2.2.1)本设计中的参数为:,临界值。将以上所述参数代入式(2.2.1)可计算出本设计所需的临界电感参数值,即:2.2.2整流变压器漏电感的计算整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算:(2.2.2)式中 变压器次级相电压有效值。 晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)。变压器的短路比。100以下的变压器取;1001000的变压器取;与整流主电路形式有关的系数,=3.9。本设计,。将以上所需参数代入
13、式(2.2.2)中可计算出漏电感的值,即综上所述,根据直流电动机的电枢电感为,可得使输出电流连续的临界电感量电抗器要选的值应比大,故选的电感作为平波电抗器。2.3整流电路2.3.1整流器件的定额计算和选择本设计采用晶闸管三相全控桥整流电路,根据设计要求可得IdmaxId1.55075A由此可以的出,IT(13)Idmax(13)7543.30(A)IT(AV) (1.52)IT1.57(1.52) 43.301.5741.3755.16(A)经分析知,则,Um=6U2=6127=311(V)UTN=(23)Um=(23) 326=622933(V)综上所述,选定额为IT(AV) 50A, UT
14、N800V的晶闸管作为整流器件,可采用KP50系列的晶闸管,其IT(AV) 50A,通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。此设计电路需要六个晶闸管,三相桥式晶闸管主电路图如图2.3.1所示。图2.3.1 三相桥式晶闸管主电路图2.3.2晶闸管对电网的影响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。经过变压器的耦合,晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压,是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;
15、当变流电路所需的电压与电网电压一致时,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“进线电抗器”以减少对电网的污染。在分析整流电路工作原理时,我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件,导通时认为其电阻为零,而关断时,认为其电阻无穷大。但事实上,晶闸管并非是理想的可控开关元件,导通时有一定的管压降。晶闸管装置中的无功功率,会对公用电网带来不利影响:1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加,导致设备容量增加。2) 无功功率增加,会使总电流增加,从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大,冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波,对公用电网产生危害,包括:1) 谐波使电
16、网中的元件产生附加的谐波损耗,降低发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作,使电机发生机械振动、噪声和过热,使变压器局部严重过热,使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,会使上述1)和2)两项的危害大大增加,甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量,重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备
17、和电网本身都会造成很大的危害,世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准,或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流,把电网谐波电压控制在允许的范围内,使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。世界各国所指定的谐波标准大都比较接近。我国由技术监督局与1993年发布了国家标准(GB/T14549-93)电能质量公用电网谐波,并从1994年3月1日起开始实施。2.3.3 系统功率因数的讨论三相桥式全控整流电路接反电动势负载时,由于设计时接了平波电抗器,所以负载电感足以使电流连续,则电路的工作情况与感性负载时相似,即可以根据感性负载来讨论功率因数
18、。设交流电抗为零,假设直流电感 为足够大,。此时,电流为正负半周各的方波,三相电流波形相同,且依次相差,其有效值与直流电流的关系为(2.3.3)同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以相电流为例,将电流负、正两半波的中点作为时间零点,则有(2.3.4)由式(2.3.4)可得电流基波和各次谐波有效值分别为(2.3.5)由此可得以下结论:电流中仅含(为正整数)次谐波,各次谐波有效值与谐波次数成反比,且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。由式(2.3.3)和式(2.3.5)可得基波因数为电流基波与电压的相位差仍为,故位移因数仍为功率因数即为3.晶闸管保护电路设计3.1晶闸管过压保护电路设计正常工作时,晶
19、闸管承受的最大峰值电压为,超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置中,任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压,而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压。这两种过电压都是经常发生和不可避免的。因此,在变流过程中,必须采用各种有效保护措施,以抑制各种暂态过电压,保护晶闸管元件不受损坏。抑制暂态过电压的方法一般有三种:用电阻消耗过电压的能量;用非线性元件限制过电压的幅值;用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分,有交流保护,直流保护,直流侧保护和元器件保护3种。(1)交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压,在抑制外因过电压的措施中,采用RC过电压抑制电路是
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