直流电动机调压调速可控整流电源设计-课程设计

课程设计报告课程名称电力电子技技术设计题目直流电动机调速调压可控整流电源设计学生姓名学号XXXX起止日期2014年2月——2014年3月指导教师I摘要现今直流电动机调压调速可控整流电源对调压范围、响应速度、工作效率、稳定性等各方面提出了很高的要求。本文通过三相桥式全控整流装置为直流电机提供可调电压，详细计算了满足设计要求的包括晶闸管、平波电抗器在内的主电路元器件参数，提供了一种集成的信号触发电路的设计方案，并且设计了通过并联阻容保护电路和快速熔断器实现过压过流保护的解决方案。在本文的最后提供了主电路所用元器件的明细表。关键词：直流调速；三相桥式可控整流；过压过流保护II目录摘要................................................................I目录...............................................................II1绪论..............................................................11.1研究背景.....................................................11.2系统概述.....................................................11.3系统设计指标要求.............................................11.4本文的工作...................................................12系统方案的确定....................................................32.1主电路的方案选择.............................................32.1.1整流装置...............................................32.1.2整流电路形式...........................................32.1.3整流变压器.............................................42.1.4保护元件与平波电抗器...................................42.1.5主电路原理图...........................................42.3对触发脉冲的要求.............................................52.4系统工作原理.................................................53主电路的计算.....................................................103.1整流变压器额定参数的计算....................................103.2整流元件的选择..............................................124保护电路的设计...................................................144.1晶闸管保护设计..............................................145触发电路的设计...................................................165.1触发信号方式选择............................................165.2触发电路性能要求............................................165.3触发电路选型................................................176结论.............................................................197元器件明细表.....................................................20参考文献...........................................................21致谢...............................................................2211绪论1.1研究背景现今，自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域，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，直流电动机自从1834年问世以来，就以调速范围广、静差小、稳定性好以及良好的动态性能被广泛使用，是自动控制系统的主要形式。可控硅整流装置以晶闸管等电力电子功率器件为基础，以数字控制电路为核心，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。而由可控硅整流装置提供可调电压的直流调速系统与传统的变流装置相比，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。1.2系统概述本文设计的直流电动机调压调速可控整流电源，由晶闸管三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，由以锯齿波为同步信号的触发电路构成控制电路，并设计了保护电路。1.3系统设计指标要求（1）输入：三相交流电压380V±10%，频率f=50Hz。（2）输出：直流电压：0～220V。（3）要求：50～200V范围内，直流输出电流额定值100A。（4）要求：直流输出电流连续的最小值为10A。1.4本文的工作（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2（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（7）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图（8）列出主电路所用元器件的明细表32系统方案的确定2.1主电路的方案选择2.1.1整流装置本系统采用由晶闸管整流装置供给可调电压进行直流调速，与传统的旋转变流机组和离子拖动变流装置及其他静止变流装置相比，在经济性和可靠性上都有很大的提高，并且在技术上也显示出较大的优越性。由于晶闸管是只具备控制接通、无自关断能力的半控型器件，因此在本文所设计直流调速系统中，采用的是晶闸管可控整流器。晶闸管可控整流电路的功率放大倍数在104以上，其门极电流可由电子信号直接控制，不需要如同直流发电机的大功率放大器。此外在控制的时效性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大的提高系统的动态性能。2.1.2整流电路形式通常，对于晶闸管整流装置均采用三相整流电路。三相整流电路的类型很多，包括三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路等，本文采用后一种。因为三相半波可控整流电路不管是共阴极还是共阳极接法，都只用三个晶闸管，其绕组利用率低，且电流是单方向的，为防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截面积，因而引起附加损耗。整流的负载电流要流入电网零线，亦引起额外损耗，特别是增大零线电流，须加大零线的截面。此外其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而三相桥式全控整流电路，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流。因此变压器绕组中没有直流磁通势，可有效的避免直流磁化作用，每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器绕组的利用率。42.1.3整流变压器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和电网电压一致时，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以减小对电网的污染。此次设计中在主电路前端需要配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减小晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰作用。2.1.4保护元件与平波电抗器在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。当晶闸管的控制角α增大，会造成负载电流断续，当电流断续时，电动机的理想空载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化，负载电流要维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。2.1.5主电路原理图综上所述主电路原理图见下图2-1。5图2-1三相桥式全控整流主电路图2.3对触发脉冲的要求本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角α的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机的电源电压。三相桥式全控整流电路的特点是：每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲也有一定的要求，6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组的VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT2、VT4、VT6也依次差120°，同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。2.4系统工作原理三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。6先分析若是不可控整流电路的情况，即把晶闸管都换成二极管，这种情况相当于可控整流电路的时的情况。即要求共阴极的一组晶闸管要在自然换相点1、3、5点换相，而共阳极的一组晶闸管则会在自然换相点2、4、6点换相。因此，对于可控整流电路，就要求触发电路在三相电源相电压正半周的1、3、5点的位置给晶闸管VT1、VT3和VT5送出触发脉冲，而在三相电源相电压负半周的2、4、6点的位置给晶闸管VT2、VT4和VT6送出触发脉冲，且在任意时刻共阴极组和共阳极组的晶闸管中都各有一只晶闸管导通，这样在负载中才能有电流通过，负载上得到的电压是某一线电压。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压Ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。工作波形如图2-2。7图2-2α=0时的工作波形为便于分析，可以将一个周期分成6个区间，每个区间60°。6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。图2-3给出了α=30°时的波形。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60°与α＝0°时的情况相比，一周期中Ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成Ud的每一段线电压因此推迟30°，Ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流Ia的波形，该波形的特点是，在V