数控机床可控直流电源设计(DOC)

第 1 页 共 17 页 一 数控车床可控直流电源设计 二 设计的目的 本课程设计的任务是培养学生综合运用 电力电子学 模拟电子技术 和 电机学 所学知识分析 解决工程或科 研实际问题的能力 其目的是巩固学生所学知识的同时 提高 学生的专业素质 这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要 的作用 在规定时间内通过分析任务书 查阅收集资料 充分发挥 主动性与创造性 在老师的指导下联系实际 掌握正确的方法 理清思路 独立完成课程设计 撰写设计说明书 其格式和字 数应符合规定 根据要求设计出实际可行的电路 并计算电路 中所用元器件的参数 确定其规格型号 课程设计说明书要求 整洁 完备 内容正确 概念清楚 文字通畅 并绘制出相应 的电路图 符合规范 三 设计的任务及要求 数控车床可控直流电源设计 A 原始数据 P 7 5kW Ued 220V Ied 41 3A n 1000r min Ra 0 65 LM 7mH 1 5 B 设计内容及要求 a 设计整流电路主电路 b 设计变压器参数 U1 I1 U2 I2 要求考虑最小控制角 min 电网电压波动 晶闸管管压降 和变压器漏抗等因素计算变压器二次相电压值 附主要计算步 骤 c 整流元件参数的计算及选择 依据参数计算 正确选择器件 型号 并附主要参数 d 触发电路设计及主要参数的计算 同步电压的选择 第 2 页 共 17 页 e 设计保护电路 正确选择电压 过流保护电路 简要说明选 择依据 计算保护元件参数并选择保护元件型号 f 电抗器的参数设计 四 具体的计算和选择过程 一 主电路的选择 根据实验要求的原始数据 直流电机的功率 P 7 5kW 10KW 根 据下表 从变压器利用率 直流侧脉动情况 元件利用率 直 流磁化 波形畸变及各整流电路应用场合分析 选择单相全控 桥式整流电路作为本数控机床可控直流电源设计的主电路 二 整流变压器的设计及计算 相关参数见下表 第 3 页 共 17 页 相关参数表 变压器二次侧电压有效值的计算 2 U 在不考虑最小控制角 电网电压波动 晶闸管管压降和变压器 漏感等因素的理想情况时 直流端输出电压为 d U 222 12 2 U2sin cos0 9cos d Ut dtUU 所以 2 0 9cos d U U 然而 由于整流器负载回路的电感足够大 所以变压器内阻 及晶闸管通态压降可忽略不计 在计算整流变压器的参数时 还应考虑以下因素 最小触发延迟角 在直流输出电压保持恒定的装置中 1 min 应能自动调节补偿 一般可逆系统的取 不 min 30 50 可逆系统取 min 10 15 电网电压波动 根据规定 电网电压允许波动范围 2 第 4 页 共 17 页 10 5 考虑在电网电压最低时 仍能保证最大整流输出 电压的要求 通常电压波动系数 b 0 91 05 漏抗产生的换相压降 3 Ux 晶闸管或整流二极管的正向导通压降 4 n u 二次相电压除受上述因素影响外 对电枢电压反馈的调速5 系统的整流变压器及对转速反馈的调速系统的整流变压器有 不同的计算公式 考虑到本设计要求及所给参数 对上述两 种情况进行简便计算 即 2 11 2 N UV U U bK 式中 变压器二次相电压 V 2 U 电动机的额定电压 V 近似为 N U 245 0 9 ed N U U b 电网电压波动系数 一般取 b 0 901 05 整流电压计算系数 UV K 综上可知 272 2 U 245 1 1 0 9 整流变压器二次相电流的计算 二次相电流的计算1 2 I 1 41 3 41 3 2IVdN IK I 式中 二次相电流计算系数 IV K 整流器额定直流电流 A 因串联有电感 dN I 第 5 页 共 17 页 41 3 dN I ed I 电动机额定电流 A N I 整流器额定直流电流 A ed I 一次相电流 的计算2 1 I 0 81 1 K 2 U U 220 272 41 3 1 ILN K I I K 式中 二次相电流计算系数 IL K 变压器的电压比K 市网电压 220 V U 考虑到变压器自身的励磁电流时 应乘以 1 05 左右的系数 1 I 41 3 1 05 43 4 1 I 1 U 2 U 1 I 2 I k 220V272V43 4A41 3A1 变压器容量的计算 一次容量 9086 110 IL ddN UV K SmUI K 220 41 3 第 6 页 共 17 页 二次容量 9086 220 IV ddN UV K SmUI K 220 41 3 平均总容量 9086 12 1 2 SSS 式中 变压器一二次侧相数 12 m m 一次相电流计算系数 IL K 整流器空载电压 0d U 二次相电流计算系数 IV K 整流电压计算系数 UV K 晶闸管的选择 额定电压的选择 1 Tn U 额定电压选择应考虑下列因素 Tn U 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值 1 考虑到实际情况 系统应留有足够的裕量 通常可考虑 232 倍的安全裕量 可按下列值计算 即 962 23 TnTM UU 2 2 52U 式中 晶闸管可能承受的电压最大值 V TM U 第 7 页 共 17 页 当整流器的输入电压和整流器的连接方式确定后 整流 器的输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系 常采 用查计算系数表的方法来选择计算 即 962 2 23 TnUT UK U 2 2 5 1 41U 式中 晶闸管的电压计算系数 UT K 整流变压器二次相电压 V 2 U 额定电流的选择 2 T IAV 晶闸管是一种过载能力较小的元件 选择额定电流时 应留有足够的裕量 通常考虑选择倍的安全裕量 1 52 通用计算式 即1 1 52 1 57 T T I IAV 式中 流过晶闸管的最大电流有效值 A T I 实际计算中 常常是负载的平均电压已知 整流器连接方式2 已经确定 即流经晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有 固定的关系 这样通过查对应系数可使计算过程简化 当整流 电路电抗足够大且整流电流连续时 可用下述经验公式近似估 算晶闸管额定通态平均电流 T I AV 2 0 45 37 2 max 1 52 TITd IK I AV ed I 式中 晶闸管电流计算系数 IT K 整流器输出最大平均电流 A 因负载 maxd I 侧串联平波电抗器 电流近似恒定 故 maxded II 故晶闸管选用 KP 系列的晶闸管 其主要参数为KP50A 第 8 页 共 17 页 额定电流 N I 50A 额定电压 N U 100 2400V 触发电流 TM I 150mA 四 触发电路的设计 触发电路的选择 1 TCA785 是德国西门子 Siemens 公司于 1988 年前后开发的第三 代晶闸管单片移相触发集成电路 它是取代 TCA780 及 TCA780D 的更新换代产品 其引脚排列与 TCA780 TCA780D 和国产的 KJ785 完全相同 因此可以互换 目前 它在国内变流行业中 已广泛应用 与原有的 KJ 系列或 KC 系列晶闸管移相触发电路 相比 它对零点的识别更加可靠 输出脉冲的齐整度更好 而 移相范围更宽 且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节 所 以适用范围较广 触发电路芯片的介绍 TCA785 是双列直插式 16 引脚大规模集成电路 它的引脚排列 如图 1 所示 第 9 页 共 17 页 图 1 TCA785 的引脚排列 各引脚的名称 功能及用法如下 引脚 16 VS 电源端 使用中直接接用户为该集成电路工 作提供的工作电源正端 引脚 1 OS 接地端 应用中与直流电源 VS 同步电压 VSYNC 及移相控制信号 V11 的地端相连接 引脚 4 Q1 和 2 Q2 输出脉冲 1 与 2 的非端 该两端可输 出宽度变化的脉冲信号 其相位互差 180 两路脉冲的宽度 均受非脉冲宽度控制端引脚 13 L 的控制 它们的高电平最高 幅值为电源电压 VS 允许最大负载电流为 10mA 若该两端输出 脉冲在系统中不用时 电路自身结构允许其开路 引脚 14 Q1 和 15 Q2 输出脉冲 1 和 2 端 该两端也可输 出宽度变化的脉冲 相位同样互差 180 脉冲宽度受它们的 脉宽控制端引脚 12 C12 的控制 两路脉冲输出高电平的最高 幅值为 5VS 引脚 13 L 非输出脉冲宽度控制端 该端允许施加电平 的范围为 0 5V 5VS 当该端接地时 Q1 Q2 为最宽脉冲输出 而当该端接电源电压 VS 时 Q1 Q2 为最窄脉冲输出 引脚 12 C12 输出 Q1 Q2 脉宽控制端 应用中 通过一 电容接地 电容 C12 的电容量范围为 150 4700pF 当 C12 在 150 1000pF 范围内变化时 Q1 Q2 输出脉冲的宽度亦在变化 该两端输出窄脉冲的最窄宽度为 100 s 而输出宽脉冲的最宽 宽度为 2000 s 引脚 11 V11 输出脉冲 Q1 Q2 或 Q1 Q2 移相控制直流 电压输入端 应用中 通过输入电阻接用户控制电路输出 当 TCA785 工作于 50Hz 且自身工作电源电压 Vs 为 15V 时 则该 第 10 页 共 17 页 电阻的典型值为 15k 移相控制电压 V11 的有效范围为 0 2V 2V 当其在此范围内连续变化时 输出脉冲 Q1 Q2 及 Q1 Q2 的相位便在整个移相范围内变化 其触发脉冲出现的时刻为 trr V11 R9 C10 VREF K 式中 R9 C10 VREF 分别为连接到 TCA785 引脚 9 的电阻 引脚 10 的电容及引脚 8 输出的基准电压 K 常数 为降低干扰 应用中引脚 11 通过 0 1 F 的电容接地 通过 2 2 F 的电容接正电源 引脚 10 C10 外接锯齿波电容连接端 C10 的实用范围为 500pF 1 F 该电容的最小充电电流为 10 A 最大充电电流为 1mA 它的大小受连接于引脚 9 的电阻 R9 控制 C11 两端锯齿 波的最高峰值为 VS 2V 其典型后沿下降时间为 80 s 引脚 9 R9 锯齿波电阻连接端 该端的电阻 R9 决定着 C10 的充电电流 其充电电流可按下式计算 I10 VREFK R9 连 接于引脚 9 的电阻亦决定了引脚 10 锯齿波电压幅度的高低 锯 齿波幅值为 V10 VREFK R9 C10 电阻 R9 的应用范围为 3 300 K 引脚 8 VREF TCA785 自身输出的高稳定基准电压端 负 载能力为驱动 10 块 CMOS 集成电路 随着 TCA785 应用的工作电 源电压 VS 及其输出脉冲频率的不同 VREF 的变化范围为 2 8 3 4V 当 TCA785 应用的工作电源电压为 15V 输出脉冲频率为 50Hz 时 VREF 的典型值为 3 1V 如用户电路中不需要应用 VREF 则该端可以开路 引脚 7 QZ 和 3 QV TCA785 输出的两个逻辑脉冲信号端 其高电平脉冲幅值最大为 VS 2V 高电平最大负载能力为 10mA QZ 为窄脉冲信号 它的频率为输出脉冲 Q2 与 Q1 或 Q1 与 Q2 的两倍 是 Q1 与 Q2 或 Q1 与 Q2 的或信号 QV 为宽脉冲 信号 它的宽度为移相控制角 180 它与 Q1 Q2 或 Q1 Q2 同步 频率与 Q1 Q2 或 Q1 Q2 相同 该两逻辑脉冲信 号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信 号 不用时可开路 引脚 6 I 脉冲信号禁止端 该端的作用是封锁 Q1 Q2 及 Q1 Q2 的输出脉冲 该端通常通过阻值 10的电阻接地或 K 接正电源 允许施加的电压范围为 0 5V VS 当该端通过电阻 第 11 页 共 17 页 接地 且该端电压低于 2 5V 时 则封锁功能起作用 输出脉冲 被封锁 而该端通过电阻接正电源 且该端电压高于 4V 时 则 封锁功能不起作用 该端允许低电平最大灌电流为 0 2mA 高 电平最大拉电流为 0 8mA 引脚 5 VSYNC 同步电压输入端 应用中需对地端接两个 正反向并联的限幅二极管 该端吸取的电流为 20 200 A 随 着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同 同步电压可以 取不同的值 当所接电阻为 200k 时 同步电压可直接取 AC220V 2 基本设计特点 TCA785 的基本设计特点有 能可靠地对同步交流电源的过零点 进行识别 因而可方便地用作过零触发而构成零点开关 它具 有宽的应用范围 可用来触发普通晶闸管 快速晶闸管 双向 晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲 故可用于由这些电力电 子器件组成的单管斩波 单相半波 半控桥 全控桥或三相半 控 全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路 的变流系统 它的输入 输出与 CMOS 及 TTL 电平兼容 具有较 宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力 每路可直接输出 250mA 的驱动电流 其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围 较宽 对环境温度的适应性较强 可应用于较宽的环境温度范 围 25 85 C 和工作电源电压范围 0 5 18V 3 极限参数 电源电压 8 18V 或 4 9V 移相电压范围 0 2V VS 2V 输出脉冲最大宽度 180 最高工作频率 10 500Hz 高电平脉冲负载电流 400mA 低电平允许最大灌电流 250mA 输出脉冲高 低电平幅值分别为 VS 和 0 3V 同步电压随限流电阻不同可为任意值 最高工作频率 10 500Hz 工作温度范围 军品 55 125 工业品 25 85 民品 0 70 4 TCA785 锯齿波移相触发电路 第 12 页 共 17 页 由于 TCA785 自身的优良性能 决定了它可以方便地用于主 电路为单个晶闸管或晶体管 单相半控桥 全控桥和三相半控 桥 全控桥及其它主电路形式的电力电子设备中触发晶闸管或 晶体管 进而实现用户需要的整流 调压 交直流调速 及直 流输电等目的 西门子 TCA785 触发电路 它对零点的识别可靠 输出脉冲的齐整度好 移相范围宽 同时它输出脉冲的宽度可 人为自由调节 西门子 TCA785 外围电路如图 2 所示 图 2 TCA785 锯齿波移相触发电路原理图 5 同步电压的选择 锯齿波斜率由电位器 RP1 调节 RP2 电位器调节晶闸管的 触发角 交流电源采用同步变压器提供 同步变压器与整流变 压器为同一输入 根据 TCA785 能可靠地对同步交流电源的过零 点进行识别 从而可保证触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持同 步 同步变压器的变比选为 K 220 15 44 314 五 保护电路的设计及计算 电力电子器件以及主电路的保护大致分为两种 过流保护 和过压保护 过流保护 1 第 13 页 共 17 页 过流保护电路的选择1 电力电子电路运行不正常或发生故障时 可能发生过电流 其中采用快速熔断器是一种是一种常用的措施 其快速性与有 效性都可以满足对电子线路保护的要求 快速熔断器的保护方式可以分为全保护和短路保护 全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护 此方式 只适用于小功率装置或器件裕量较大的场合 短路保护方式是指只在短路电流较大的区域起保护的作用 为了安全可靠的保护电子线路 故此过流保护电路选择全 保护方式 其电路图如下 VT4VT2 VT3VT1 快熔式保护过流电路 过流保护电流参数的计算 2 第 14 页 共 17 页 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效1 值 即 272 2 2 UT FN K UU 快速熔断器熔体的额定电流 有效值 应大于等于被保 2 护晶闸管额定电流 若熔断器与桥臂晶闸管串连时 熔体的额定电流可按下 FN I 式计算 即 1 57 T AVFNTM III 式中 被保护晶闸管额定电流 A T AV I 快速熔断器熔体的额定电流 A FN I 实际流过晶闸管的最大电流有效值 A TM I 由于晶闸管额定电流在选择时已经考虑了安全裕量为 因此通常按下式选择 即 41 3 1 52 T AVFN II 根据以上参数 可选熔断体的型号为 09RS 额定电压额定电流 5002 63 过压保护 3 压保护电路的选择1 阻容吸收保护 阻容吸收保护电路通常采用电阻 R 和电容 C 的串联支路 并联在变压器二次侧进行保护 常见接法见下 图所示 第 15 页 共 17 页 交流侧的阻容吸收保护 压保护电路的参数计算2 对于单相回路电容 C 的估算式 0 02F 2 2 6 em S CI U 电容的耐压值大于或等于 为电压峰值 1 5 m U m U 电阻 R 的估算式 18728 2 2 2 3 dI em UU R SI 式中 变压器的容量 kVA S 变压器二次相电压有效值 V 2 U 变压器励磁电流的百分比 取 0 03 em I 变压器的短路比 取 0