三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计

一、课程设计项目名称三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计二、项目设计目的及技术要求设计目的：设计三相全控桥式电路供电的晶闸管-电动机系统的主电路及其控制保护电路。技术要求及初始条件：1．直流电动机额定参数：PN=10KW,UN=220V,IN=50A,nN=1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω，电流过载倍数λ＝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。设计任务: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，平波电抗器电感量的计算等）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。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。设计要求:1．对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。2.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。3.对项目设计结果进行分析。3.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)1.系统方案设计设计要求中提供的电动机为直流电动机，因此需要用到整流电路。整流电路是电力电子电路中经常用的一种电路，它将交流电转变为直流电。这里要求设计的主电路为三相全控桥式晶闸管电路，接电动机负载。从整个系统来看，三相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动机工作，但为了保护晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。根据设计要求可以画出系统总体框图如图1所示。交流电直流电图1系统总体框图2.三相全控桥式主电路设计2.1整流变压器的设计在晶闸管整流装置中，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，这就需要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管交流装置对电网和其它用电设备的干扰，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。本设计采用即选用合适的变压器实现降压。而整流电路通常都是采用变压器实现降压，变压器不但可以实现降压而且还多用来作为隔离电路，由于晶闸管整流电路会对电网造成谐波污染等负面影响，所以设计电路时也需要隔离电路以减小影响，在本设计中变压器可以减弱晶闸管整流电路对电网以及其他用电设备的干扰起到隔离作用降低晶闸管电路的负面影响。交流电网整流变压器三相桥式全控整流电路晶闸管触发电路晶闸管过电流保护晶闸管过电压保护直流电动机负载武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计说明书2.1.1整流变压器的原理整流变压器是根据电磁感应原理制成的一种变换交流电压的设备。变压器一般有初线和次级两个互相独立绕组，这两个绕组共用一个铁芯.变压器初级绕组接通交流电源，在绕组内流过交变电流产生磁势，于是在闭合铁芯中就有交变磁通。初、次级绕组切割磁力线，在次级就能感应出相同频率的交流电。变压器的初，次级绕组的匝数比等于电压比。2.1.2整流变压器参数计算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、二次绕组电流和容量，然后求出一次侧电流和容量。变压器一次侧电压为380V，二次侧电压为220V，变压器一、二次侧采用连接方式，若不计变压器的励磁电流，则一、二次侧电压与变比关系为：21213UUNN代入数值：32203803式中1N、2N为一、二次侧线圈匝数比，1U、2U为一、二次侧电压值。由于整流电路输出结果并不是标准的幅值大小不变的正弦波，变压器的电流、容量计算与电路连接形式有关，不过计算变压器容量时我们可以取220V作为有效值计算。对于三相桥式全控电路，变压器一、二次侧采用连接方式时，接电动机负载，电路中接入平波电抗器电感足够大以使负载电流连续，此时变压器二次侧电流为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：ddddIIIII816.032)32)(32(21222由已知直流电动机额定参数50NI，则2I计算变压器容量时可取NII2即：8.4050816.02I一次侧电流为：6.1338.4021KII变压器初级侧容量：111S3UI338013.615.5KVA变压器次级侧容量：222S3UI312740.815.5KVA故变压器容量：121S(SS)15.5KVA2综上所述，选择型号为SBK25WSG25VA，380V/220V的整流变压器。2.2整流电路设计武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计说明书三相桥式全控整流电路主要利用晶闸管这一电力电子器件对电路进行控制，形成直流电压或电流，从而为直流电动机提供直流电。2.2.1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：AIIdd75505.1max由此可以的出：AIIdT30.43)31(max16.55~37.4157.1)2~5.1()(TAVTII经分析知VUUM330135662990~660)3~2(MNTUUV综上所述，选定额为)(AVTI＝50A,TNU＝800V的晶闸管作为整流器件,可采用KP50-8系列的晶闸管。2.2.2三相全控桥式整流电路的特点一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）每个时刻均需两个管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各一个，能为同一相器件。（2）对触发脉冲的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。2)共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。（3）Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）。（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。6个晶闸管导通的顺序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循环，每隔60°有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计说明书都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。三相桥式全控整流电路原理图如图所示。图2三相桥式晶闸管主电路图2.3平波电抗器的参数及选择平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整流电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。2.3.1电抗器的电感若要求变流器在某一最小输出电流dminI时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算：)(min011mHUUKLdd式中0dU是交流测电源相电压有效值(V)mindI是要求连续的最小负载电流平均值(A)1K是与整流主电路形式有关的计算系数693.01K。对于不同控制角α，所需的电感量1L)(sinmin01mHIUKdd本设计中的参数为：AIVUdd5,135min0，693.01K,临界值90。将以上所述参数代入，可计算出本设计所需的临界电感参数值，即：mHL195135693.012.3.2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TL按下式计算：武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计说明书mHIUuKLddkLTT0%100式中0dU是变压器次级相电压有效值(V)dI是晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)(A)%ku是变压器的短路比。100KVA以下的变压器取%ku=5；100～1000KVA的变压器取%ku=5～10；TLK是与整流主电路形式有关的系数，TLK=3.9。本设计0dU=127V，dI=50A，%ku=5，TLK=3.9。将以上所需参数代入式中可计算出漏电感TL的值，即mH5265.05013510059.3TL综上所述，根据直流电动机的电枢电感为MLmH7，可得使输出电流连mHLLLLTMla5.111。故选15mH的电感作为平波电抗器。2.4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，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。晶闸管作为一种电力电子装置，其产生的无功和谐波会对电网带来很不利的影响。突出表现为以下几个方面。晶闸管电路中产生的谐波对电网的危害包括：（1）谐波影响各种电气设备的正常工作，例如使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热等等。（2）谐波使电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，甚至会使线路过热而发生火灾。（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振，从而使谐波放大，使危害大大加大，甚至引起严重事故。（4）谐波会对邻近通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计说明书使通信系统无法正常工作。（5）谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量仪表计量不准确。晶闸管电路产生的无功功率对电网带来的不利影响包括：（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）使线路的压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。2.5系统功率因数的讨论功率因数为：coscoscos11vIIUIUISP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设交流电抗为零，假设直流电感L为足够大，30，此时，电流为正负半周各120的方波，三相电流波形相同，且依次相差120，其有效值与直流电流的关系为：d32II同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以a相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有tnItInkknksin2)1(sin2i..3,2,1,161a由上式知：电流基波：diII61谐波有效值：dnInI6...3,2,1,16kkn故基波因数：955.031IIv又因电流基波与电压的相位差仍为,故位移因数仍为：cosc11os因此功率因数为：897.0cosv11II3触发电路的设计武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计说明书本次设计中触发电路采用集成电路TC787来构成。TC787采用独有的先进IC工艺技术，并参照