直流电动机调压调速可控整流电源设计-(2)

中北大学电力电子课程设计第1页共26页中北大学电子技术课程设计任务书2013/2014学年第一学期学院：计算机与控制工程专业：电气工程及其自动化学生姓名：孔垂礼学号：1105044263课程设计题目：直流电动机调压调速可控整流电源设计起迄日期:2013年12月16日~2013年12月27日指导教师:高丽珍张晓明课程设计地点:中北大学下达任务书日期:2013年12月16日中北大学电力电子课程设计第2页共26页课程设计任务书1．设计目的：1.加深理解《电力电子技术》课程的基本理论2.掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计条件：UN=220V,IN=12A,nN=1500r/min根据课程设计题目和设计条件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，并选择型号；4平波电抗器电感值的计算；5晶闸管保护电路的设计；6触发电路的设计；包括触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的定相等。3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：1.根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图；2.利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3.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。4．主要参考文献：中北大学电力电子课程设计第3页共26页[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009[2].张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社.2008.8[3].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.2008.4[4].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.2011.2[5].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006[6].美WillianmShepherd，沈经，张正南译.电力变流器电路.机械工业出版社.2008.105．设计成果形式及要求：1.电路原理图及各器件参数计算2.MATLAB或其他仿真软件仿真3.编写课程设计报告。6．工作计划及进度：2013年12月16日~12月19日设计电路计算参数12月20日~12月23日对设计的电路进行MATLAB或其他仿真软件仿真12月24日~12月27日编写课程设计说明书，答辩或成绩考核系主任审查意见：签字：年月日中北大学电力电子课程设计第4页共26页电力电子课程计说明书直流电动机调压调速可控整流电源设计学生姓名：孔垂礼学号：1105044263学院：计算机与控制工程专业：电气工程及其自动化指导教师：高丽珍张晓明学科管理部主任：王忠庆下达任务书日期:2013年12月26日中北大学电力电子课程设计第5页共26页目录第一章引言................................错误!未定义书签。1.1课题背景...............................................11.2直流电动机调压调速可控整流电源设计简介.................11.3课题设计要求...........................................11.4课题主要内容...........................................2第2章主电路设计.............................................22.1总体设计思路............................................22.2系统结构框图...........................................22.3MATLAB系统结构及仿真图…………………………………………32.4系统工作原理..........................................92.5对触发脉冲的要求......................................11第3章主电路元件选择........................................113.1晶闸管的选型..........................................11第4章整流变压器额定参数计算................................124.1二次相电压U2.........................................124.2一次与二次额定电流及容量计算..........................13第五章触发电路的设计.........................错误!未定义书签。第六章晶闸管保护电路的设计...................错误!未定义书签。第七章总结…………………………………………………………………错误!未定义书签。参考文献………………………………………………………………………19中北大学电力电子课程设计第1页共26页1.引言1.1课题背景当今,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。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。1.2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。1.3课题设计要求1、输入交流电源：2.UN=220V,IN=12A,nN=1500r/min3.给出整体设计框图，画出系统的完整的原理图(用matlab2013a软件绘制)；中北大学电力电子课程设计第2页共26页4.说明所选器件的型号，参数。5.给出具体电路画出电路原理图；1.4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.晶闸管电流、电压额定的选择，并选择型号；4.平波电抗器电感值的计算；5.晶闸管保护电路的设计；6.触发电路的设计；包括触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的定相等。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。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12A，额定电压为220V，可求的功率P=12*220=2.64KW，一般整流装置容量大于2KW，选用三相整流较为合适。2.2系统结构框图三相全控桥式整流电路如图2-2所示。中北大学电力电子课程设计第3页共26页图2-2系统结构框图2.3MATLAB系统结构图以及仿真图图2-3中北大学电力电子课程设计第4页共26页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中北大学电力电子课程设计第5页共26页a=60o直流电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩波形图中北大学电力电子课程设计第6页共26页a=0o时波形图中北大学电力电子课程设计第7页共26页a=0o电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩的波形图中北大学电力电子课程设计第8页共26页a=90o时波形图中北大学电力电子课程设计第9页共26页a=90o电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩的波形图2.4系统工作原理其工作原理详细分析如下：中北大学电力电子课程设计第10页共26页在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00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。中北大学电力电子课程设计第11页共26页2.5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.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Ud=2.34U2=220V得U2=2.34Ud=94VUDRM=（2~3）*6*U2=（2~3）*6*94V=460~690V取UDRM为460V当Id=12A时，流过每个晶闸管的电流有效值为：It=1/3Id==1/312A=7A中北大学电力电子课程设计第12页共26页晶闸管额定电流()ItAV=1.57It=4.5A取Kf=1.73,考虑2倍裕量：()ItAV取10AIt=1/3Id=1/35A=2.85A()ItAV=1.57It=1.8A考虑2倍裕量：ItAV取5A按要求表明应取=0º来选择晶闸管。即ItAV=5A所以晶闸管型号为KP50—1