基于相控整流的直流电机调速系统的设计.doc

电力电子技术课程设计报告 基于相控整流的直流电机调速系统的设计指导教师： 苏玉刚学 生： 夏良烘学 号： 20095060专 业： 自 动 化班 级： 2009 级 1 班设计日期： 2011.12.262011.12.30重庆大学自动化学院2011年12月III课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日III自动化学院2009级自动化专业电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的教学目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。 通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相380V10% f=50Hz直流输出电压：0220V50220V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设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路和控制电路所用元器件的明细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。 5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。 6. 课题设计报告字数要求为6000字左右。（A4纸打印8页左右）三、课程设计的工作计划课程设计时间5天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天和第5天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，撰写课程设计报告。四、各班的题目方向1班题目方向：相控整流技术或斩波技术的工程应用2班题目方向：交流调压或变频技术的工程应用 1目录 1. 引言 .12. 直流电机参数及设计基本要求 .22.1 直流电机参数.22.2 设计要求 .23. 整流电路的设计.24. 主电路设计及参数计算 .34.1 主电路设计.34.2 参数计算 . 45.保护电路的设计.55.1 过电压保护. 55.2 过电流保护.65.3 关断缓冲保护.76. 触发电路设计.77.整体电路的设计.98.课程设计总结.10参考文献.10基于相控整流的直流电机调速系统的设计引言当今，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展， 整流电路广泛 应用于工业生活中。电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的 动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的 发展方向主要体现在以下六个方面：大容量化；高频化；易驱动；降低导通压降； 模块化；功率集成化。直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要 调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶 闸管蒸馏装置，组成晶闸管-电动机调速系统，和旋转变流机组及离子拖动变流装 置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术 性能上夜显示出较大的优越性。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基于相控整流的直流电机调速系统的设计1.直流电机参数与设计基本要求1.1 直流电机参数1） PN2） U N3） I N4） nN5） l3kW220V17.5 A1500r / min1.21.2 设计要求利用相控整流技术，构成电机直流调速系统，设计该系统的原理图，并计算晶闸管的额定电压和额定电流。 输入交流电源：三相380V10% ， f50Hz直流输出电压：0220V2.整流电路的设计直流电动机由单独的可调整流装置供电，晶闸管相控整流电路有单相，三相， 全控，半空等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，不宜用三相半波的原 因是其变压器二次电流中含有直流分量。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a 的大小老控制 输出电压U d 的大小，从而改变电动机 M 的电源电压。三相桥式全控整流电路如图所示：图 1 三相桥式全控整流电路原理图2基于相控整流的直流电机调速系统的设计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，形成向负载供电的贿赂，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VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的顺序，相位依次差 60 ，共阴极组的VT1VT3VT5的脉冲依次差120 ，共阳极组VT4臂脉冲相差180 。VT6VT2 也依次差120 ，同一相的上下两个桥图 2 三相桥式全控整流电路电感性负载时a30 的波形3.主电路设计及参数计算3.1 主电路设计系统主电路采用三相桥式全控整流电路，系统主电路如图 3 所示：3基于相控整流的直流电机调速系统的设计图 3 系统主电路在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸并联 电阻和电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起短路过电 流保护作用。综合整流3.2 参数计算1 次级电压U 2 的计算，影响U 2 值的因素有：1） U 2 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值U d2） 晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降Ut3） 变压器漏抗的存在会产生换相压降4） 平波电抗器有一定的直流电阻，当电流经过该电阻时就要产生一定的电压降5） 电枢电阻的压降当整流电路采用三相桥式全控整流时，且整流变压器采用 Y 型联结，一般情况下U 2 与U n 有以下关系（根据经验公式）：3U 20.95 1.0 U N0.95 1.0220209220VU 2120.67 127.02V取U 2127V2 次级电流 I 2 及变压器容量的计算I 2K12Id ， K12 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。 K12 取 0.816，且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I 20.816 17.514.28 AS1 / 2 S1S2m1U1I1m2U2 I23 127 14.285.44kVA4基于相控整流的直流电机调速系统的设计3.2 晶闸管参数的计算1）晶闸管额定电压UTN通常选取晶闸管的U DRM 和U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压，但是在选用时要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能承受的峰值电压的2-3 倍。应为采用三相全控桥所以U M6U 2 ，晶闸管的额定电压为：UTN取UTN236U 2900V 。236 127622.17933.25V2）晶闸管额定电流 ITN按电流的有效值来计算电流额定值。 IT AV1.52K fb I max ， K fbKf / 1.57 Kb 由整流电路形式而定，Kf 为波形系数，Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数。当a0时，三相全控电路 K fb0.367 ，IT AV1.52K fb I max1.520.36717.5 1.211.56 15.41A ，取 ITN4.1 过电压保护1）直流侧过电压保护15 A4.保护电路的设计当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻一直过电压或用单相 VTS。我们采用压敏电阻。具体电路如图 4：图 4 直流侧过电压保护2）交流侧过电压保护交流侧过电压保护电路如 5：5基于相控整流的直流电机调速系统的设计图 5 交流侧过电压保护电路在变压器次级并联 RC 电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转 换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一 部分能量并且抑制 LC 贿赂可能产生的震荡。4.2 过电流保护对于频繁操作的电动机，通常用电磁式过流继电器座短路保护。1） 根据电流种类，选择继电器形式。2） 继电器而定电流大于或等于电动机的而定电流。3） 继电器动作电流的整定值 If d值。1.1 1.3I g ，式中 I g 为电动机起动电流的最大常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。选择快熔时应考虑：1） 电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。2） 电流容值按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。3） 快熔的 值应小于被保护器件的允许 值4） 为保证熔体在正常过载情况下不熔断，应考虑器时间-电流特性。 此次设计采用快熔作为短路过电流保护装置，如图 6：6基于相控整流的直流电机调速系统的设计图 6 过电流保护电路4.3 关断缓冲电路图 7 关断缓冲电路关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R，C 值根据工程手册选取。5.触发电路的设计向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固 定不变的，而是会在允许的范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频 率与主电路交流电压的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶 闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。为保证触 发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的 电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与 主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来的问题是触发电路的定向，即选择 同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发脉冲的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。7基于相控整流的直流电机调速系统的设计表 1 三相桥式全控个晶闸管的同步电压晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主你路电压UaUcUbUaUcUb同步电压UsaUscUsbUsaUscUsb同步变压器和整流变压器的解法如图 8 所示：图 8 同步电压器和整流变压器的接法只需 3 个 KJ004 集成块和 1 个 KJ041 集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图 9 所示：8基于相控整流的直流电机调速系统的设计-15Vusausbusc+15V16 815 714 613 512 411 310 29 1KJ00416 815 714 613 512 411 310 29 1KJ00416 815 714 613 512 411 310 29 1KJ00412345678910 11 12 13 14 15 16 KJ041GND至VT1 至VT2 至VT3 至VT4 至VT5 至VT6图 9 三相全控桥整流电路的集成触发电路说明：初次接触 PROTEL 软件，对其某些方面的了解不够，导致做出的电路图 不是很完美，比如芯片的选择，没有在 PROTEL 库中找到相应的软件，尽情谅解。 上面三块集成片为 KJ004，下面一块集成片为 KJ041。具体的电路图请看打包的文 件。6.整体电路的设计主电路、触发控制电路、保护电路，再加上一个检测电路，便得到整体电路。 检测电路即为测主电路中负载两端的电压（电机两端的电压），因为通过这个电压，通过这个电压来反映电机的转速，从而达到直流电机的转速可调。9基于相控整流的直流电机调速系统的设计触发控 制电路电机主电路检测电路保护电路图 10 整体电路7.课程设计总结通过设计一个晶闸管翔空直流调速系统，让我对电力电子装置及这门课程所讲述的知识内容有了更深刻的理解。再设计过程中，查阅了