单相全控桥式晶闸管电动机系统

1、课程设计任务书学生姓名： 郑畅 专业班级： 自动化1101班 指导教师： 李向明 工作单位： 自动化学院 题目：单相全控桥式晶闸管-电动机系统设计初始条件：电动机负载，直流电动机额定参数为：PN3KW，UN220V，IN17A，nN1500r/min ，Ra0.2，励磁：它励，励磁电压220V，交流电源：单相220V，电流过载倍数1.5，使用单相可控整流电路，工作于电动状态。要求完成的主要任务：1. 单相全控桥式主电路设计（包括整流变压器参数计算，整流元件定额的选择）,讨论晶闸管电路对电网的影响及系统功率因数。2.触发电路设计。触发电路选型（可使用单结管触发电路或集成触发器），同步信号的定相等

2、。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.提供系统电路图纸不少于一张。 课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.7.42011.7.5 收集资料2011.7.62011.7.8 系统设计2011.7.92011.7.10 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书摘要整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电

3、路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，可分为单拍电路和双拍电路。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。单相整流电路中应用较多的是单相桥式全控整流电路，可带电阻负载、阻感负载和反电动势负载。当负载是蓄电池、直流电动机的电枢等时，负载可看成是一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。单相全控桥式晶闸管-电动机系统就是带的反电动势负载。关键字：单相桥式全控整流电路 分类方法 晶闸管 反电

4、动势负载目录1 设计任务及原理11.1 设计任务11.2 设计原理12 单相桥式全控整流电路工作情况22.1 带电阻负载的工作情况22.2 带阻感负载的工作情况32.3 带反电动势负载时的工作情况43 整流电路参数计算及元件选择53.1 晶闸管电压定额选择53.2 晶闸管电流定额选择53.3 整流变压器额定参数的计算63.3.1 二次侧电压U263.3.2 二次相电流I2和一次相电流I163.4 系统功率因数74 晶闸管电路对电网的影响74.1 增加电网损耗74.2 产生谐波85辅助电路设计85.1 触发电路设计85.1.1 脉冲形成环节85.1.2 同步信号的定相95.2 保护电路设计105

5、.2.1 主电路的过电压保护电路设计105.2.2主电路的过电流保护电路设计105.3平波电抗器11总结12参考文献13附录14单相全控桥式晶闸管-电动机系统设计1 设计任务及原理1.1 设计任务电动机负载，直流电动机额定参数为：PN3KW，UN220V，IN17A， nN1500r/min ，Ra0.2，励磁：它励，励磁电压220V，交流电源：单相220V，电流过载倍数1.5，使用单相可控整流电路，工作于电动状态。完成单相全控桥式主电路设计，讨论晶闸管电路对电网的影响及系统功率因数，触发电路设计，晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，并提供系统电路图纸不少于一张。1.2 设计原理根据设计任

6、务，画出系统总体框图，如图1所示。图1 系统总体框图整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。由图1可知，交流电网送出的交流电经过整流变压器和整流电路整流后，变为直流电，再输送给直流电动机负载。晶闸管可控整流装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到的控制电路为单相桥式全控。当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通，所以必须设计晶闸管触发电路。电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能发生过电压或者过电流的现象。因此，在电力电子电路中，除

7、了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必要的。由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联平波电抗器来保证电流连续。2 单相桥式全控整流电路工作情况单相整流电路中应用较多的是单相桥式全控整流电路。其中，和组成一对桥臂，和组成另一对桥臂。2.1 带电阻负载的工作情况baud图2 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路如图2所示。在正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流为零，也为零，、串联承受电压，设和的漏电阻相等，则各承受的一半。若在触发延迟角处给和加触发脉冲，和即导通，电流从电源a端经、流回电源b端。当过零

8、时，流经晶闸管的电流也降到零，和关断。在负半周，仍在触发延迟角处触发和，和导通，电流从电源b端流出，经、流回电源a端。到过零时，电流又降为零，和关断。此后又是和导通，如此循环地工作下去。2.2 带阻感负载的工作情况ud图3 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路电路如图3所示。为了便于讨论，假设电路已工作与稳态，的平均值不变。在正半周，触发角处给晶闸管和加触发脉冲使其开通，。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，其波形如图4所示。过零变负时，由于电感的作用晶闸管和中仍流过电流，并不关断。至时刻，给和加触发脉冲，因和本已

9、承受正电压，故两管导通。和导通后，通过和分别向和施加反压使和关断，流过和的电流迅速转移到和上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。波形如图4所示。其平均值为： 单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管、的电压波形如图4所示，晶闸管承受的最大正反向电压均为。晶闸管导通角与无关，均为180°。图4 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形2.3 带反电动势负载时的工作情况忽略主电路各部分的电感，只有在瞬时值的绝对值大于反电动势即时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，直至，即降至0使得晶闸管关断，此后。与电阻负载相比，晶闸管提前了电角度停止导电。称

10、为停止导电角。在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。 电路如图5所示。ud图5 单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的电路带反电动势负载时，和的波形如图6所示。图6 单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的波形3 整流电路参数计算及元件选择3.1 晶闸管电压定额选择断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态电压是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的和中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作

11、时晶闸管所承受峰值电压的23倍。即3.2 晶闸管电流定额选择国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数，是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时同样应像电力二极管那样，按照实际波形的电流和晶闸管所允许的最大正弦半波电流所造成的发热效应相等的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应留一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。例如，需要某晶闸管实际承担的某波形电流有效值为400A，则可选取额定电流（通态平均电流）为400A/1.57=

12、255A的晶闸管，再考虑裕量，比如将计算结果放大到2倍左右，则可选取额定电流500A的晶闸管。3.3 整流变压器额定参数的计算一般情况下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压不一致，因此需要使用整流变压器。此外，整流变压器还可减小电网和整流装置的相互干扰。3.3.1 二次侧电压U2整流变压器二次侧电压的计算公式如下：式中，整流电路输出电压最大值。=+=225.1V； 主电路电流回路n个晶闸管正向压降。=2*1=2V； 线路接线方式系数。这里=0.707； 变压器短路比，=0.05-0.1，取=0.05；变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，取最大值，这里=1.5；A理想情况下，即时整流电压

13、与二次侧电压之比，这里取A=0.9；电网波动系数，通常取=0.9；取10°裕量，则。综上所述，整流变压器二次侧电压为：=300.8V3.3.2 二次相电流I2和一次相电流I1 式中，、对于单相桥式全控整流电路，=1.11；变压器一次与二次匝数比。即 3.4 系统功率因数直流电感为足够大时，变压器二次电流波形近似为理想波形，将电流波形分解为傅里叶级数，可得基波和各次谐波的有效值为： =1,3,5,因此可得基波电流有效值为： 的有效值，可得基波因数为： 又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，所以位移因素为： 所以，功率因数为：4 晶闸管电路对电网的影响电网电压质量通常用稳定性、对称

14、性和正弦性等指标来衡量。随着非线性负荷大量接入电网，使电网电压质量受到严重影响，而各种类型的晶闸管电路是最主要的干扰源。晶闸管电路对电网的影响主要是两个方面：增加电网损耗和产生谐波。4.1 增加电网损耗晶闸管电路要消耗无功功率，降低功率因数，对电网带来的不利影响包括：（1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。（2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。（3）使线路的压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。4.2 产生谐波公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害。晶闸管电路中产生的谐波对电网的危害包括：（1）谐波影响各种电气

15、设备的正常工作，例如使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热等等。（2）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，甚至会使线路过热而发生火灾。（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振，从而使谐波放大，使危害大大加大，甚至引起严重事故。（4）谐波会对邻近通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。（5）谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量仪表计量不准确。5辅助电路设计5.1 触发电路设计图7是同步信号为锯齿波的触发电路。脉冲形成环节由晶闸管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压加在V4基极

16、上，电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。5.1.1 脉冲形成环节当控制电压=0时，V4截止。电源通过供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通，所以V5的集电极电流接近于。V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的（15V）经、V5发射结到（-15V），对电容充电，充满后电容两端电压接近（30V）。当控制电压V时，V4导通，A点电位由（15V）迅速降低至1.0V左右，由于电容两端电压不能突变，所以V5基极电位迅速降至约（-30V），由于V5发射结反置，V5立即截止，集电极电压由（-15V）迅速升到+3.1V（VD6、V7、V8三个PN结正向压降之和

17、），于是V7、V8导通，输出触发脉冲。同时，电容经电源、VD4、V4放电和反向充电，使V5基极电位又逐渐上升，直到（-15V），V5又重新导通。这时又立即降到，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V4导通时刻确定，V5（或V6）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数有关。A 图7 同步信号为锯齿波的触发电路5.1.2 同步信号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，将其一次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。本触发电路的同步电压环节由同步变压器TS和V2管

18、等元件组成，如图7所示。脉冲产生时刻由V4管导通时刻决定的，若锯齿波频率与主电路电源频率同步，就能使触发脉冲与主电路同步。在这里同步变压器TS和主电路整流变压器接在同一电源上，用TS的二次侧电压控制V2管的通断，这就保证了触发电路发出的脉冲与主电路同步。V2管由导通到截止时产生锯齿波，其截止持续时间就是锯齿波的宽度，由电容反向充电时间常数决定。V2管的开关频率就是锯齿波的频率。5.2 保护电路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。5.2.1 主电路的过电压保护电路设计所谓过压

19、保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程，包括换相过电压和关断过电压。抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最常见的，典型连接方式如图8所示。图8 过电压保护电路5.2.2主电路的过电流保护电路设计电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分过载和短路两种情况。快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护

20、措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。在选择快熔时应考虑：（1）电压等级应根据熔断后实际承受的电压来确定。（2）电流容量应按照其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。（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化，应考虑其时间-电流特性。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，如图9所示。图9 过电流保护电路5.3平波电抗器负载为直流电动机时，如果出现电流断续，

21、则电动机的机械特性将很软。导通角越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势。因此，当电流断续时，随着的增大，转速（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时，对于相等的电流平均值，弱电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。为了克服以上缺点，一般在主电路的直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当小于时甚至值为负时，晶闸管仍可导通。只要电感量足够大，就能使电流连续，晶闸管每次导通180°，这时整流电压的波形和负载电流的波形和电感负载电流连续时的波形相同，的计算公式也一样。总结此次课程设计的的题目是单相全控桥式晶闸管-电动机系统设计，主要分为主电路即单相桥式全控整流电路设计和辅助电路（包括保护电路、触发电路和平波电抗器）的设计。设计过程很重要的一个环节就是收集资料。虽然课上有学过单相桥式全控整流电路，但是对于其触发电路和保护电路还是有点陌生。这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，例如原理图的绘制。一开始，用Proteus总是画不出满意的原理图，有时还会崩溃，后来用的是