晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计说明书.docx

1、课程设计任务书一、课题晶闸管直流电动机不可逆调速系统设计二、设计意义及目的通过课程设计，一方面是学生对本课程所学内容加深理解，另一方面 让学生熟悉工程设计的过程、标准和方法，能正确查阅技术资料、技术手册 和标准，培养学生工程设计能力。三、设计技术数据及要求1. 直流电动机额定数据：Pn=3KW, Un二220V, In二 17.5A, nN=1500r/mino2. 主电路中，晶闸管要有过电压、过电流及抑制其正向电压上升率、 正向电流上升率的保护电路。3. 选择适宜的晶闸管触发电路。四、设计内容1. 系统调速方案确实定。2. 主电路的选择与计算：a. 整流变压器次级电压的计算，整流变压器次级电

2、流及变压器容 量的计算；b. 电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算，以及晶闸管 型号确实定。C.电枢电感如的计算，整流变压器漏电感人的计算。3. 主电路中各种保护电路的选用及元件参数计算。五、设计任务 均值之比。K|2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816X17. 5=14. 28AS二 1/2 （ Si+S2）二mUI 户E2U2I2=3X125X14.28=5.36KVA第二节晶闸管参数计算一、晶闸管额定电压UN通常取晶闸管的Udrm和Urrm中较小的标值作为该器件的额定电压，但是在选用 时额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能

3、承 受的峰值电压的23倍。因为采用三相全控桥所以Um二把U2,所以晶闸管的额定电压为：Utn=23V6U2=23X 76 X 125=612. 4918. 6V取 Utn=800V二、晶闸管额定电流Itn按电流的有效值来计算电流额定值。It（av）=（1.52） K"max ,Kfb=Kf/1.57Kb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a二0°时，三相全控桥电路K%=0.367, It（av）=（1.52） K二 （1.52） X 0. 367 X （17. 5 X 1.2） =11.5615. 41A,取 lTN=15Ao可选晶闸管

4、型号：KP15-8第三节其他参数计算一、电枢电感如的计算式中P一电动机磁极对数，扁一计算系数，对一般无补偿电机：Kd二812P二2, KdF0 那么 Lm = KdUnxI" = l°x220x103 = 20.95（泪）2PnjN 2x2x1500x17.5二、整流变压器漏电感L的计算序一变压器次级相电压有效值，Id晶闸管装置直流侧的额定负载电 流,Kb与整流主电路形式有关的系数Kb=3. 9, Uk%二5 那么= 3.9x X = 0.11(/?iH)100 Li 100 220第四章保护电路第一节过电压保护一、直流侧过电压保护当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生

5、过电压，用压敏电阻抑 制过电压或用单相VTS。此次设计中采用压敏电阻，压敏电阻的额定电压Uua 的选取可按下式计算*q(1.82.2)Udo(U), Udo为晶闸管控制角a二0°时直流输出电压。保护措施如 图4. 1所示：图4.1直流侧过电压保护通常作为中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择35KA。二、关断缓冲电路关断缓冲电路如图4. 2所示:关断缓冲电路即晶闸管换相1闸管额定电流为15A,故C，三、交流侧过电压保护容艮据工程手册选取，此设计晶交流侧过电压保护如图4. 3所示:图4. 3交流侧过电压保护在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把

6、 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 以消耗一局部能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。采用三相全控桥整流电路，为得到零线变压器二次侧必须接成星形，而一次 侧接成三角形，防止3次谐波电流流入电网。变压器的绕组为¥联结， 阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数： 电容C的耐压电阻R的功率为：PrZ(3 4)/c：R(W)式中St变压器每相平均计算容量VA，&变压器次级相电压有效 值V，A)%励磁电流百分比，当&W几百伏安时Zo%=1O,当&N1000伏 安时1。二35。山%变压器的短路电压百分比。lc,Uc一当

7、R正常工作时电流电 压的有效值。山=5, zo%=5, ST=145. 41/3=48. 47KVA(1) 电容的计算CZ 即。%CZ 即。%St(7?=2x5x5.36x1031252=3.43(/F)l/c> 1.5x73xV2t/2 = 1.5xV6xl25 = 459.28V,取 500V选择c二4|iF,耐压500V的电容。(2) 电阻值的计算取 R=25。RC支路电流lc近似为:电阻 R 的功率为 Pr 2 (3 4)以R = (3 4)x 0.6282 x 25 = 29.58 39.44W第二节过电流保护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

8、等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(2) 电流容量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 件 值应小于被保护器件的允许 凫 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。此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置，如图4. 4所示：图4.4过电流保护熔断器的参数按照以下原那么选取：额定电压U RN :U RN N "为可控硅元件的电压计算系数，取K成=2. 45额定电流加:Kj电流裕度系数，取虬=1.1 1.5, K ,环境温度系数，取K “二1 1.2, IR实际流过快'熔的电流有效值。因 U2=125V,取 Ik二220V,

9、/州2 K,K/= 1.5x1.2x10.1 = 18.18A,取/衲二20A。根据算出的额定参数可选择x!7.5 = IO.Mx!7.5 = IO.M相应的快熔。第五章系统控制电路设计第一节信号检测电路设计电流反应环节由霍尔元件及运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧 的电流信号，以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。速度反应环 节把测速发电机输出的电压变换为适合控制系统的电压信号。电流检测电路 如图5. 1所示：图5.1电流检测电路第二节系统调节器设计双闭环直流调速系统，电流调节器与电压调节器的构造一样，都是 PI调节器。含给定滤波和反应滤波的模拟式PI型调节器的原理图如图5.2 所示

10、：图5. 2含给定滤波和反应滤波的模拟式PI型调节器原理图电流调节器的具体参数为匕=冬上=职兀=丽'K（）4转速调节器的具体参数为第三节触发电路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源的频率一致外，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

11、始终是一致的。接下来的 问题是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路构 造、触发电路构造等。由于集成触发电路不仅本钱低、体积小，而且还有调试容易、使用方便 等优点，故采用集成触发电路，用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路双脉冲，再由 六个晶体管进展脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路。采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。设计 的主电路采用D, y-11联结，同步变压器采用D, y-11, 5联结。同步电压选 取的结果如表5. 1所示：表5.1三相全控桥各晶闸管的同步电

12、压同步变压器和整流变压器的接法如图5. 3所示:晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步电压-Usa+Usc-Usb+Usa一 Use+Usb图5.3同步变压器和整流变压器的接法采用三片KJ004和一片KJ041的三相全控桥触发电路如图5.4所示:1* P RJ.T,nJ.rglm&&10nHT寸。5nl也国勤IX nu5i"6gT83寸 0。&6nuj21*HUI+ 15Vo面，通过此次设计，让我深刻地感受到了各门课程之间的联系，以及工程设 计与理论计算之间的差异，也借由这次设计回忆了电力电子技术这门课程的

13、 知识。自己在以后的学习过程当中应多加思考，将所学的不同学科之间的知 识联系起来。从搜集资料到方案设计，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、 痛苦和彷徨，在写作课程设计报告的过程中思绪是如此复杂，混乱。如今， 伴随着设计报告的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就 感。在此，我要感谢，我的导师赵瑞林教师。他为人随和热情，治学严谨细心。 在紧张的学习生活中总是能像朋友一样叫道这我们，在他的严格要求下，从 选题、定题开场，预备方案一直到最后设计报告的反复完善，赵教师始终认 真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱 鼓励。正是赵教师的无私帮助与热忱鼓励，我的

14、课程设计报告才能够得以顺 利完成。由于本人知识浅薄，在本文中的完成过程中参考了电力电子电力电 子学有关书籍，在此向本文参考资料的作者表示由衷的感谢。参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,20072 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社,20083 杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，20064 朱仁初，万伯任.电力拖动控制系统设计手册.北京：机械工业出版社，19945机械工程手册，电机工程手册编辑委员会.电机工程手册第九卷自动控制系统.北京：机械工业出版社，1982附录：电气原理总图1、设计任务书2、摘要3、目录4、整流装备方

15、案的选择5、系统设备元件的选择与效验6、参考文献7、后记收获和体会六、主要参考资料?电力电子技术？黄家善 机械工业出版社?电力拖动自动控制系统？陈伯时 机械工业出版社七、时间：二周摘要直流电动机具有良好的起、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 出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管一电动机调速系统简称V-M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 可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。本文首先明确了设计的任务和要求，在了解了转速电流双闭环直流调速 系统的调速原理后依次对晶

16、闸管相控整流调速系统的主电路，保护电路，检 测电路和触发电路进展了设计，并且计算了相关参数。最后给出了这次设计的心得体会，参考文献和系统的电气总图。目录设计任务及要求I摘要III第一章 晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述1第一节 双闭环直流调速系统的组成1第二节 双闭环直流调速系统的静特性3第二章系统主电路原理分析4第一节 晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理4第二节总体方案5第三节三相桥式全控整流电路7第三章系统参数计8第一节整流变压器参数计算8第二节晶闸管参数计算9第三节其他参数计算10第四章保护电路11第一节过电压保护11第二节过电流保护14第五章系统控制电路设计16第一节信号检测电路设计

17、16第二节系统调节器16第三节触发电路17后记20参考文献21附录：电气原理总图22第一章 晶闸管直流电动机不可逆调速系统概述直流调速系统通过调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。当员载的生 产工艺对运行时的静差率要求不高，采用开环系统就能实现一定范围内的无 级调速。但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。 这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以 在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要 求较高，例如：要求快速起制动，突加员载动态速降小等等，单闭环系统就 难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。第

18、一节 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，可在系统中设置两个调节 器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套串联联接。把转速调节器 的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换 器UPE。从闭环构造上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作 外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅 电压U/决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm 限制了电力电子电换器的最大输出电压Um。转速、电流双闭

19、环直流调速系统 的原理框图如图2. 1所示：图2.1转速、电流双闭环直流调速系统原理框图ASR转速调节器，ACR电流调节器，TG测速发电机，TA电流互感器，UPE电力电子变换器，U；转速给定电压，Un转速反应电压，U：电流给定电 压，Ui电流反应电压。第二节 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这 时转速负反应起主要调节作用。当负载电流到达Idm时，对应于转速调节气 的饱和输出UL,这时电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差， 得到过电流的句动保护。双闭环直流调速系统的静特性如图2. 2所示：图2.2双闭环直流调速系统的静特性第二章系

20、统主电路原理分析第一节晶闸管直流电动机不可逆调速系统原理晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图如图3. 1所示：图3.1晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图系统采用转速、电流双闭环的控制构造。两个调节器分别调节转速和电 流，两者之间实行串行连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再 用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路。从闭环反应的构造上看，电 流调节环是内环，按典型I型系统设计；速度调节环为外环，按典型II型系 统设计。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采 用PI调节器，这样组成的双闭环系统，在给定突加含启动的过程中表现 为一个恒值电流调节系统，在稳态中又

21、表现为无静差调速系统，可获得良好 的动态及静态品质。第二节总体方案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，半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，不采用三 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的大小来控制输出电压Ud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3. 2所示：图3.2三相桥式全控整流电路原理图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， 形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极

22、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VTVT2VT3VTVT5VT6的顺序，相位依次差60° ,共阴极组的VL、 VT3、VTs的脉冲依次差120° ,共阳极组VT%、VT6、VT?也依次差120° ,同一 相的上下两个桥臂脉冲相差180° o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。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得 到一个适宜的输入电压，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与电网电压一致时，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器以减少对电网的污染。此设计中在主电 路前端需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，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的 干扰的作用。当晶闸管的控制角a增大，会造成员载电流断续，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。员载电流要维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。第三节三相桥