晶闸管可控整流技术直流电机调速系统

电力电子技术课程设计1目录1.引言………………………………………………………………….….32.原始资料和数据………………………………………….……….33.电路组成和分析……………………………………………………43.1工作原理……………………………………………………………………………………43.2对触发脉冲的要求…………………………………………………………………….53.3晶闸管的选型………………………………….……………………………………….63.4参数计算…………………………………………………………………………………..73.5二次相电压U2……………………………………………………………………….….73.6一次与二次额定电流及容量计算……………………………………………….84.触发电路的设计……………………………………………………95保护电路的设计……………………………………………….…105.1电力电子器件的保护…………………………………………………………………105.2过电压的产生及过电压保护………………………………………………………115.3过电流保护…………………………………………………………………………….…116.缓冲电路的设计……………………………………………………127.总结………………………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………..15晶闸管可控整流技术直流电机调速系统设计摘要:可控整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的可控整流主电路，其输出端的负载，可以是电阻性负载、大电感性负载以及反电动势负载。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。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，也对直流电动机进行了简单的介绍。关键词:可控整流晶闸管触发电路缓冲电路保护电路1.引言当今,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KZ—D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。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2.原始数据：1、输入交流电源：电力电子技术课程设计22、三相380V10%f=50Hz3、直流输出电压：4、0~220V5、50~220V范围内，直流输出电流额定值100A6、直流输出电流连续的最小值为10A3.电路组成和分析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，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。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25A，额定电压为220V，可求的功率P=22025=5.5KW，一般整流装置容量大于4KW，选用三相整流较为合适。下图1-1为三相全控桥式整流电路。图1-1三相全控桥式整流电路3.1工作原理图为三相桥式整流电路在а=0º时直流电动机串平波电抗器负载时的电压电流波形。电路要求6块触发电路6先后向各自所控制的6只晶闸管的门极在自然换向点送出触发脉冲，即共阴极组在三相电源相电压正半波的1、3、5交点处向1VT、3VT与5VT输出触发脉冲；而共阳极三相电源电压负半波的2、4、6交点处向2VT、4VT、6VT输出触发脉冲；共阴极组输出直流电压Ud2为三相电源相电压负半波的包络线。三相全控桥式整流电路输出整流电压Ud=Umn=Ud1-Ud2,为三相电源6个线电压正半波的包络线。各线电压正半波的交点1~6就是三相全控桥电路6只晶闸管VT1~VT6的α=0º的点。详细分析如下：在t1~t2间，U相电压最高，共阴极组的VT1管被触发导通，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的线电压波形。经过60º进入t2~t3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回电力电子技术课程设计3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60º，进入t3~t4区间，这时V相电压最高，在VT3管α=0º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1~6分别为VT1~VT6的α=0º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。3.2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，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60º而小于120º，这样在相隔60º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。3.3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。Ud=220V时，不计控制角余量按=0º计算由Ud=2U2得U2==94V取120VU=（2~3）U=（2~3）U2=（2~3）120V=588~882V取Ute为700V当Id=100A时，流过每个晶闸管的电流有效值为：==100A=58A晶闸管额定电流=电力电子技术课程设计4==37A取Kf=1.73，考虑2倍裕量：取100A当Id=10A时==10A=5.7A==3.6A考虑2倍裕量：取10A按要求表明应取=0º来选择晶闸管。即=100A所以晶闸管型号为KP100—73.4参数计算：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。3.5二次相电压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U——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=2，半波电路=1）；A——理想情况下=0º时U与U2的比值，查表可知；——电网电压波动系数，一般取0.9；电力电子技术课程设计5——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30º~35º，不可逆直流调速系统取10º~15º；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=0.05，100KVA以上取Udl=0.05~0.1；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=（0.53~0.58）Udn可逆调速系统U2=（0.58~0.64）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=（1.15~1.2）所以根据以知的参数及查表得：U2==120V3.6一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==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=0.816*100A=81AU2=120V由一次侧和二次侧电压得：====故=25.6A变压器二次侧容量为S2=3U2=3=29.2KVA变压器的安全性能----主要有变压器的阻燃性能和绝缘性能阻燃性能有所选原材料决定电力电子技术课程设计6绝缘性能：e型变压器的绝缘是由骨架的结构决定的c型变压器的绝缘石油组间绝缘层的结构决定的e型变压器：工字形骨架的绝缘一般计算方法：VAB--结构容量p2--输出功率u1--初级电压u2--次级电压升压式VAB=p2（1-u1/u2）将压比VAB=p2（1-u2/u1）4.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。由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一