直流电动机调压调速可控整流电源设计.doc

中北大学电力电子课程设计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：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社.2008.83.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.2008.44.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.2011.25.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.20066.美Willianm Shepherd，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日目录 第一章 引 言11.1 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22.3 MATLAB系统结构及仿真图3 2.4 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U2124.2 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14第六章 晶闸管保护电路的设计17第七章 总结 18参考文献 19第 1 页 共 28 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KZD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)； 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。第 3 页 共 28 页 图2-2系统结构框图2.3 MATLAB系统结构图以及仿真图图2-3第 4 页 共 28 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第 5 页 共 28 页a=60o直流电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩波形图第 6 页 共 28 页a=0o时波形图第 7 页 共 28 页a=0o电动机转速、电枢电流、励磁电流、转矩的波形图第 8 页 共 28 页a=90o时波形图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：在间，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60进入区间,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60，进入区间，这时V相电压最高，在VT3管的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16分别为VT1VT6的=0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。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60而小于120，这样在相隔60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U2=220V得 U2= =94V UDRM =（23）*U2 =（23）*94V =460690 V取UDRM为460V 当Id=12A时，流过每个晶闸管的电流有效值为：= =12A=7A 晶闸管额定电流 = =4.5A 取Kf=1.73,考虑2倍裕量：取10A=5A=2.85A = 1.8A 考虑2倍裕量：取5A 按要求表明应取=0来选择晶闸管。即=5A所以晶闸管型号为KP5014.整流变压器额定参数计算在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。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。4.1 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: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，半波电路）； A理想情况下=0时Ud0与U2的比值，查表可知； 电网电压波动系数，一般取0.9； 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3035，不可逆直流调速系统取1015； 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=0.05，100KV以上取Udl=0.050.1； 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=（0.530.58）Udn可逆调速系统： U2=（0.580.64）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=（1.151.2）所以根据以知的参数及查表得：U2=162.8V4.2 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= =380/94=4 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 = 12A由一次侧和二次侧电压得：=I1/12=4 变压器二次侧容量为94*1.73*12*1.73=3375w变压器一次侧I1=48A 5. 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。由再有，温度对晶闸管的门极影响很大，即使是同一个器件，温度不同时，器件的触发电流与电压也不同。一般可以这样估算，在100高温时，触发电流、电压值比室温时低23倍，所以为了使敬闸管在任何工作条件下都能可靠的触发，触发电路送出的触发电流、电压值都必须大于晶闸管器件的门极规定的触发电流、触发电压值，并且要留有足够的余量。如触发信号为脉冲时，在触发功率不超过规定值的情况下，触发电压、电流的幅值在短时间内可以大大超过额定值。触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.51MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。a=00触发脉冲参数设置 触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度90度；三相全控桥可控整流电路阻感负载时，要求移项范围是0度90度。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控。6.晶闸管保护电路的设计在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。6.1晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护一：保护晶闸管，二：起到续流作用能够使脉冲正常触发下一个晶闸管导通6.2晶闸管经验数据晶闸管额定电流It(AV)/A1000500200100502010电容C/F210.50.250.20.150.1电阻R/25102040801007.总结一周的课程设计，我对电力电子技术这门课程及相关知识有了更深刻的理解和体会，同时也很好的把理论知识运用于实践之中，在实训之中我真正的学到了很多东西，受益颇多。我做的课题是直流电动机调压调速可控整流电源设计，首先对该课题进行简单的介绍：将交流电能转换为直流电能是电力电子技术应用的重要领域。采用晶闸管作为主要的功率开关器件，容量大，控制简单，技术成熟。在做该设计之前，我认真看了老师给我提出的课题，看了其中的具体要求，通过在图书馆查阅相关资料，上网找资料，向老师询问疑点等方式，有效的解决了我不懂之处。设计采用的是三相桥式全控整流电路，整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1、按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2、按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3、按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。触发电路采用的是锯齿波同步触发电路，该触发电路分成同步电压、锯齿波形成和脉冲移相、脉冲形成与放大、强触发和双窄脉冲形成等环节。晶闸管触发导通的条件是：1、阳极承受正向电压；2、门极-阴极之间加上正向触发电压，并且具有足够的触发功率；3、流过晶闸管的阳极电流大于维持电流。要是晶闸管从导通状态变为截止通常采用的方法是使晶闸管承受反向电压或者增加回路阻抗使流过晶闸管阳极的电流小于维持电流。平波电抗器是可以把电流波形看作连续且平直，具有平滑性。缓冲电路中VD必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的1/10。此外，应尽量减小线路电感，且应选用内部电感小的吸收电容。在中小容量场合,若线路电感叫小,可只在支流侧总的设一 个du/dt抑制电路。晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断问题，关断时没有较大的du/dt，因此一般采用RC吸收缓冲电路即可。整流电路设计好之后我们就可以直接把它接到直流电动机上了。直流电动机的工作原理：在电刷AB之间加上直流电压U，电枢线圈中的电流流向为：N极下的有效边中的电流总一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个有效边中受到的电磁力的方向一致，电枢开始转动。通过换向器可以实现线圈的有效边从一个