直流电动机调压调速可控整流电源设计.doc

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1、 摘要 当今,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,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,直流调速系统是自动控制系统的主要形式。由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统(简称KZD系统)和旋转变流机组及其它静止变流装置相比，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。由可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运行，必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施。为此，在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护；在直流负载侧并联电阻和电容构成直流

2、侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过流保护作用。随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能10%40%，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节。 关键字:直流调速系统；可控硅整流装置;过流保护；过压保护 ABSTRACT Nowadays, automation control system has been widely used and developed in all walks of life, and the a

3、pplication of automatic control system in the modernization of production plays an important role, DC speed control system is the main form of automatic control system.The silicon controlled rectifier supply voltage of DC speed control system (KZ D system) and the rotary converter unit and other sta

4、tic variable flow device, greatly not only in economy and reliability, but also in the technical performance also showed great superiority.A controllable silicon has many advantages, but it withstand overvoltage and overcurrent ability is poor, over voltage and over current and short time will put t

5、he device damage. In order to enable the device to run reliably for a long time, must according to the reasons of overvoltage and overcurrent occurs with the appropriate protective measures. Therefore, an AC side voltage protection on the two side of the transformer parallel resistors and capacitors

6、 in the DC load side; parallel resistance and capacitance of DC side overvoltage protection; in the two ends of the thyristor parallel resistance and capacitance SCR off over voltage protection; and the rapid fuse directly connected in series with the controlled silicon, the silicon controlled recti

7、fier play a role of over-current protection.With the development of power electronic devices, the more and more extensive use of. Because the power electronic device power conversion efficiency is high, accomplish the same task can be better than the traditional method for energy saving of 10% 40%,

8、so it is a energy saving technology, rectification technology is a very important link.Keywords: DC speed regulating system；silicon controlled rectifier; overcurrent protection; overvoltage protection 目录 1 引言1 1.1 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介1 1.2 课题设计要求11.3 课题主要内容12 主电路设计2 2.1 总体设计思路2 2.2 系统结构框图2 2.3 系统工作原理

9、22.4 对触发脉冲的要求23 主电路元件选择3.1 晶闸管的选型4 整流变压器额定参数计算 4.1 二次相电压U24.2 一次与二次额定电流及容量计算5 平波电抗器电感值的计算6 触发电路的设计7 晶闸管保护电路的设计8 MATLAB系统结构图以及仿真图9 总结参考文献致谢1. 引言1.1 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介 该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。1.2 课题设计要求1

10、输入交流电源：三相380V10%，f=50Hz2 直流输出电压0220V，50220V范围内，直流输出电流额定值100A，直流输出电流连续的最小值为10A 1.3 课题主要内容1整流电路的选择；2整流变压器额定参数的计算；3. 晶闸管的选择；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；2主电路设计2.1 总体设计思路 本次设计的系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲，脉冲宽度在8左右。本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出

11、。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。 三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短。，由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。 根据已知要求，额定电流为100A，额定电压为220V，可求的功率P=12*220=22KW，一般整流装置容量大于2KW，选用三相整流较为合适。2.2 系统结构图三相可控整流电路原理图如图所示。2.3 系统工作原理其工作原理详细分析如下：在间，U相电压最高，共阴极组的VT1管被触发

12、导通，电流由U相经VT1流向负载，又经VT6流入V相，整流变压器U、V两相工作，所以三相全控桥输出电压Ud为： Ud=Ud1-Ud2=Uu-Uv=Uuv经过60进入区间,U相电压仍然最高,VT1继续导通,W相电压最低,在VT2管承受的2交点时刻被解发导通,VT2管的导通使VT6承受uwv的反压关断。这区间负载电流仍然从电源U相流出经VT1、负载、VT2回到电源W相，于是这区间三相全控桥整流输出电压Ud为：Ud=Uu-Uw=Uuw 经过60，进入区间，这时V相电压最高，在VT3管的3交点处被触发导通。VT1由于VT3和导通而承受Uuv的反压而关断，W相的VT2继续导通。负载电流从V相流W相，于是

13、这区间三相全控输出电压Ud为：Ud=Uv-Uw=Uvw 其他区间，依此类推，电路中6只晶闸管导通的顺序及输出电压很容易得出。由上述可知，三相全控桥输出电压Ud是由三相电压6个线电压Uuv、Uuw、uvw、Uvu、Uwu和Uwv的轮流输出组成的。各线电压正半波的交点16分别为VT1VT6的=0点。因此分析三相全控整流电路不同Ud波形时，只要用线电压波形图直接分析画波形即可。2.4 对触发脉冲的要求 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，

14、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。3. 主电路元件选择3.1 晶闸管的选型 该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。由U2=220V得 U2= =94V UDRM =（23）*U2 =（23）*94V =460690 V取UDRM为460V 当Id=100A时，流过每个晶闸管的

15、电流有效值为：= =100A=57.73 晶闸管额定电流 = =36.77A 取Kf=1.73,考虑2倍裕量：取75A =57.73A=33.33A =21.23A 考虑2倍裕量：取45A 按要求表明应取=0来选择晶闸管。即=45A所以晶闸管型号为KP10084. 整流变压器额定参数计算在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存

16、在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。4.1 二次相电压U2 平时我们在计算U2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：U2= 式中:负载的额定电压； 整流元件的正向导通压降，一般取1V； 电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数（如桥式，半波电路）； A理想情况下=0时Ud0与U2的比值，查表可知； 电网电压波动系数，一般取0.9； 最少移相角，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，

17、不可逆直流调速系统取1015； C线路接线方式系数，查表三相桥式C取0.5V； Udl-变压器阻抗电压比，100KV以及取Udl=0.05，100KV以上取Udl=0.050.1； I2/I2n二次侧允许的最大电流与额定电流之比。对于一般三相桥式可控整流电路供电的直流调速系统，U2计算也可以采用以下经验公式：不可逆调 速系统： U2=（0.530.58）Udn可逆调速系统： U2=（0.580.64）Udn式中U2整流变压器二次相电压有效值； Udn直流电动机额定电压。对于一般的中小容量整流调压装置，其U2值也可以用以下公式估算：U2=（1.151.2）所以根据以知的参数及查表得：U2=162

18、.8V4.2 一次与二次额定电流及容量计算 如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：K= =380/94=4 式中N1,N2变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下：大电感负载时变压器二次电流的有效值为2=0.816 = 81.6A由一次侧和二次侧电压得：=I1/81.6=4 变压器二次侧容量为94*1.73*100*1.73=2.8Kw变压器一次侧I1=326.4A5. 平波电抗器电感值的计算 负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的

19、机械特性将很软。导通角越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电路峰值，这要求较多的降低反电动势。因此，当电流断续时，随Id的增大，转速n（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电路的内阻增大。 一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当u2小于E时甚至u2值为负时，晶闸管扔可导通。 因此，带反电动机电动势负载时，要在直流输出侧串联一个大电感，平稳负载电流的脉动，保证整流电流连续。 维持输出电流连续时，电抗器电感值的计算 K1考虑不同电路时临界电感的计算系数 =0.

20、1AA 表5-1平波电抗器计算系数电路名称临界电感计算系数K1最大脉动时值最大脉动 输出最低频率整流变压器漏感计算系数单相全控桥 2.87 90 1.2 100 3.18三相半波 1.46 90 0.88 150 6.75三相全控桥 0.693 90 0.46 300 3.9带平衡电抗器双反星 0.348 90 .046 300 116. 触发电路的设计 晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性.当晶闸管的阳极加上正向电压后,还必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通, 这一正向触发电压的导通是由触发电路提供的,根据具体情况这个电压可以是交流、直流或脉冲电压。由于晶闸管被触

21、发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极的触发功率，常常用脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。由再有，温度对晶闸管的门极影响很大，即使是同一个器件，温度不同时，器件的触发电流与电压也不同。一般可以这样估算，在100高温

22、时，触发电流、电压值比室温时低23倍，所以为了使敬闸管在任何工作条件下都能可靠的触发，触发电路送出的触发电流、电压值都必须大于晶闸管器件的门极规定的触发电流、触发电压值，并且要留有足够的余量。如触发信号为脉冲时，在触发功率不超过规定值的情况下，触发电压、电流的幅值在短时间内可以大大超过额定值。触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.51MS，相当

23、于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。 触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度90度；三相全控桥可控整流电路阻感负载时，要求移项范围是0度90度。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控。7. 晶闸管保护电路的设计在电力电子器件电路中，除

24、了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。7.1晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主过电压保护，我们使用阻容保护。一：保护晶闸管，二：起到续流作用能够使脉冲正常触发下一个晶闸管导通 图6-1阻容保护7.2晶闸管经验数据晶闸管额定电流It(AV

25、)/A1000500200100502010电容C/F210.50.250.20.150.1电阻R/2510204080100 8 MATLAB系统结构图以及仿真图图8-1仿真用示波器模块观察和记录电源电压、触发信号、晶闸管电流和电压，负载电流和电压的波形图a=60o 图8-2第 19 页 共 28 页a=60o直流电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩波形图 图8-3a=0o时波形图图8-4a=0o电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩的波形图 图8-5a=90o时波形图 图8-6a=90o电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩的波形图 图8-79. 总结一周的课程设计，我对电力电子技术这门课程及

26、相关知识有了更深刻的理解和体会，同时也很好的把理论知识运用于实践之中，在实训之中我真正的学到了很多东西，受益颇多。我做的课题是直流电动机调压调速可控整流电源设计，首先对该课题进行简单的介绍：将交流电能转换为直流电能是电力电子技术应用的重要领域。采用晶闸管作为主要的功率开关器件，容量大，控制简单，技术成熟。在做该设计之前，我认真看了老师给我提出的课题，看了其中的具体要求，通过在图书馆查阅相关资料，上网找资料，向老师询问疑点等方式，有效的解决了我不懂之处。设计采用的是三相桥式全控整流电路，整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1、按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2、按电路结

27、构可分为桥式电路和零式电路；3、按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。触发电路采用的是锯齿波同步触发电路，该触发电路分成同步电压、锯齿波形成和脉冲移相、脉冲形成与放大、强触发和双窄脉冲形成等环节。晶闸管触发导通的条件是：1、阳极承受正向电压；2、门极-阴极之间加上正向触发电压，并且具有足够的触发功率；3、流过晶闸管的阳极电流大于维持电流。要是

28、晶闸管从导通状态变为截止通常采用的方法是使晶闸管承受反向电压或者增加回路阻抗使流过晶闸管阳极的电流小于维持电流。平波电抗器是可以把电流波形看作连续且平直，具有平滑性。缓冲电路中VD必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的1/10。此外，应尽量减小线路电感，且应选用内部电感小的吸收电容。在中小容量场合,若线路电感叫小,可只在支流侧总的设一 个du/dt抑制电路。晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断问题，关断时没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收缓冲电路即可。整流电路设计好之后我们就可以直接把它接到直流电动机上了。直流电动机的工作原理：在电刷AB之间加上直流电

29、压U，电枢线圈中的电流流向为：N极下的有效边中的电流总一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个有效边中受到的电磁力的方向一致，电枢开始转动。通过换向器可以实现线圈的有效边从一个磁极如N极转到另一个磁极下如S极时，电流的方向同时发生改变，从而电磁力或电磁转距的方向不发生改变。电磁转距是驱动转距，其大小也为：T=KTIa。电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡。即T=T2+ T0。另外当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势E，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向相反，称之为反电动势。其大小为：E=kEn方向与Ia相反。晶闸管-直流电动机调速

30、系统，具有调速范围大、调速特性好、易控制和效率高等优点，是近代大量发展的调速系统。其机械特性，在电枢电流连续时是一条较硬的直线。当电枢断续时，则是一条很软的曲线。直流电动机的机械特性反映了电动机转速n与转矩M的关系，因转矩M与电枢电流成正比，因此也可由转速n与电流I的关系来描述机械特性.众所周知，直流电动机的机械特性为一条直线，当由可控硅整流电路为其供电时，机械特性有所变化，尤其是当电流断续时，机械特性变软，理想空载转速升高。总之，这个课题具有很强的实用性，它除了在工业生产领域得到广泛应用，在我们日常生活中也无所不在，电力电子技术以发展成为一种应用极其广泛的技术。该课题属于电力电子方面，随着电

31、力电子器件的不断向大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模块化、功率集成化的发展，它的应用将更为广泛，同时，它集各优点于一身将在电力电子电路中表现出非凡的性能。参考文献1王兆安，黄俊主编电力电子技木第四版北京：机械工业出版社，2004年1月2王云亮主编电力电子技术第一版北京：电子工业出版社，2004年8月3梁廷贵主编现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册北京：科学技术文献出版社，2002年2月 致谢本论文的工作是在我的导师肖文英副教授的悉心指导下完成的，肖文英副教授眼睛的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮组和影响。在此由衷的感谢肖文英副教授对我的关心和指导。肖文英副教授对于我的论文工作提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在撰写论文期间，寝室成员对我的工作给予了热情帮组，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。第 28 页 共 28 页