直流电动机调压调速可控整流电源设计-课程设计

1、资料课程役计报告课程名称色力色子技技术设计题目直流色动机调速调压可控整流电源设计学生学号 XXXX起止目期2014年2月2014年3月指导教师摘要现今直流电动机调压调速可控整流电嫄对调庄国、响应速度、工作飒率.稔 岌性等各方面提岀了很壽的要求。本丈通过三和桥无全控整流装置为直流电机提 供可调电庄，详细计算了满足设计要求的包括晶闸管、平波电抗器在的主电路元 器件参数，提供了一种集成的信号触发电路的设计方令，并且设计了通过并联阻 家保护电路和快速竦断麥卖现过庄过浇保护的鮮决方亲。柱本丈的最后提供了主 色路所用元器件的朗细表。关徒词:直流调速；三和林式可挫整流；ItZtit流保护 TOC o 1-5

2、 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 摘要I目录Il HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1绪论1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.1研死背景1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.2糸统概述113糸统锻J十指标要求1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.4本丈的工作12糸统方崇的确龙32宝电路的方亲选择32.1整流裝置32.2整流电路形

3、式32.3整流炙庄器42.1.4保护元件与平波.电抗器42.5主电路原理图42.3对紐发脉冲的要求5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2.4糸统工作原理5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3主电路的计算103.1整流变庄器额主参救的计算10 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 3.2整流元件的选择124保护电路的i殳计144岛闸管保护彳殳计145紐发色路的彳殳计165.1触发信号方无选择16 HYPERLINK l bookmark124 o

4、Current Document 5.2紐发电路性能要求16 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 5.3紐发电路选型17 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 6结论197元器件朗细在20参考丈伙21玫221绪论1.1研屯背景现今，动控制糸统已菠广泛应用于人类社会的各个领城，而勺动调速控制 糸统的应用A现代化生尹中起着尤为重要的作用，直浇电动机勺从1834年问世 以来，就以调速国广、静差小、稔走性好以及良好的动恚性能後广泛使用，是勺 动控制糸统的主要形无。可桂硅整流裝置以岛闸管等电力电子功率器件基

5、础，以数字控制电路为核 心，具有效率需、无机械噪声和磨履、响应速度快、体积小、重量澀等緒多优点。 而由可控碇整流装置提供可调电庄的直浇调速糸统与传统的变浇装置相比，不仅 衣经济性和可靠性上有很丸提；,而且4放术性能上也显示出较丸的优越性。1.2糸统概述本丈设计的直流电动机调压调遠可控整流电源，由晶闸管三和怵无全控整浇 电路构成糸统的主电路，由以锯击波为同步信号的触发电路构成控制电路，并设 计了保护电路。1.3糸统设计指栋要求c 输入：三和交浇电庄38OV1O% ,频率f= 50Hzo输出：直流色压：0220V。(3丿要求：50200V ,直流输出亀流额岌值IOoA。(4丿要求：直流输出电流连续

6、的最小值为10A。1.4本文的工作(IJ整浇电路的选择整流变庄器额岌洪数的计算晶闸管电流、勒庄额定的逸择平败勒抗麥电感值的计算保护电珞的役计触发电路的设计画出兜整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路所用元麥件的朗细在2糸统方亲的确定2.1 i电路的方案选择2.1.1捷流裝JL本糸统采用由晶闸管整流裝置供给可调电庄进行直流调速，与传统的淡转变 流机组和富子拖动变流装置及其他挣止变浇装置和比，准.经济性和可靠性上都有 很丸的,并且在技术上也显示出较大的优越性。由于禺闸管是只具备技制接 通、无自关新能力的半控型器件，因此在本丈所设计直流调速糸统中，采用的是 晶闸管可控整浇器。晶闸管可控整流电路的

7、功率放大僖数往10“以上，其门圾电流可由电子信号 直挂控制，不需要如同直流发电机的大功率放大器。此外在控制的肘效性上，变 流机组是秒级，而晶闸管整流容是亳参级，这将丸丸的提壽糸统的动态性能。2.1.2捷流电珞形瓦通常，对于禺闸管整流裝置均采用三相整流电路。三和整浇电路的类空很多， 包括三和丰咬可控整浇电路、三和林无全控整流电路等，本丈采用后一种。因为 三和丰咬可控整浇电路不管是共阴圾还是共阳极棲比,都只用三个晶闸管，其统 组利用率低，且电流是单方向的，为防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截J面积， 因而引起附加损耗。整流的负戟电流要流入电网零线i,亦引起额外损耗，特别是 增丸爰线电浇，须加丸麥线

8、的術面。此外其变庄器二次側电流中含有直浇分量， 为此在应用中较少。而三和林式全控整流电路，由于共阴极组在正半周孚电，洗经变庄器的是正 向电浇；共阳极纽心负丰周导电，流经变庄务的是反向电流。因此变庄辱统组中 没有直流孩通势，可有效的規免直流该化作用，毎相纯级正负半周都有电流流过， 提需了变压麥统级的利用率。2.1.3整浇支压鼻晶闸f变流役备一般都是通过变庄器与电网连搖的，因此其工作频率为工 频，初级电压即为交流电网电压。经过变庄麥耦合，晶闸管主电路可以得到一个 合适.的输入电庄，使晶闸管在较大的功率因教下运行，变流主电路和电网之间用 变庄器隔富，还可以抑制由炙流器进入电阿的常波成分，减小电网汚染

9、。在变洗 电路所需的电庄与电网电庄相差不多肘，有肘会采用耦变庄麥，当变流电路所 密的电庄和电网电庄一致肘，也可以不经变庄器而直搖与电网连搖，不过要在输 入端串联进线J电抗以减小对电网的汚染。此次设计中淮.主电路If端需要配置一个整流炙庄器，以得到与负栽匹配的电 庄，同肘把晶闸管裝蓋和电网隅窗，可起.到舉低戎减小禺闸管变流裝置对电网和 其色用电设备的干犹作用。2.1.4 护无件与平次电抗星A炙压器二次側并联电阻和电家构成交流側瞬恚过电庄处淒疵，晶闸管并联 电L和电家构成关新缓冲；快速竦断器直摟与晶闸管串联，对禺闸管起.过流保护 作用。当晶闸管的控制角（X增丸，会凌成负我电流浙续，古电流新续肘色动

10、机的 理想咗栽转速将抬；,机械特性变轶，负栽电流变化很小也可引超很大的转速变 化，负我色浇要维持导通，必须加平波色抗器来存緒较大的滋能。215 JL 电IJkISL 图综上所述主电路原理图见下图2-10本役计中直浇电动机采用三和林式全控整浇电路作为直浇电动机的可调直 浇电源。通过调节紘发延迟角的丸小来控制输岀电庄Ud的丸小，从而改变电 动机的削嫄色压。三相林式全控整流电路的特点是：每个肘刻均需2个晶闸管同肘导通，形成 向负我供削回路，其中一个晶闸管是共阴极纽的，一个是共阳圾组的，且不能为 同一相的晶闸管。对紘发脉冲也有一走的要求，6个晶闸管的脉冲换 VTI-VT2-VT3 -VT4-VT5-V

11、T6的顺序，相住依次差60 ,共阴圾组的VT1、VT戈 VT5的脉冲依次差120 ,共阳极纽VT2. VT4、VT6也依次差120 ,同一相 的上下两个桥背脉冲相差180 o2.4糸统工作虑理三和林无全控整浣电路和生于一组共阴极的三相半波和一纽共阳奴的三相 丰败可控整流电路串联起.来构成的。习惯上将晶闸管按照其孚通顺存輪号，共阴 奴的一组为VT1、VT3和VT5,共阳圾的一组为VT2、VT4和VT6。先分析若是不可控整流电路的恃况，即把岛闸管都换成二极管，这种情况相 当于可控整浇电路的肘的情况。即要求共阴奴的一组晶诃管要在勺煞换相点1,5点换相，而共阳极的一组晶闸管則会亦勺然换相点2、4、6点

12、换和。因此， 对于可控整浇电路，就要求触发电路L三相电谏相电压正半周的1、3, 5点的位 置给晶闸管VT1、VT3和VT5送出舫发脉冲，而往三相电嫄相电压负半周的2、4、6点的住置给晶闸 VT2. VT4和VT6送出紐发脉冲，且淮.任意肘刻共阴憑 纽和共阳极级的晶闸管中都各有一只晶闸管导通，这样在负我中才能有电流通 过，负栽上得到的电压是芷一线J电庄。直接从统电庄减形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得 最多丿的相电庄，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多丿的 相电庄，输出整流电压Ud为这两个相电庄相减，是线亀庄中最大的一个，因此 输岀整流电庄Ud波形为线电庄在正半

13、周的包络线。由于负栽端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电威对电浇变化有抗拒作用。流过电感容件的勒流变化肘，连.其两踹兴生感应电动势Li,它的极性事阻止 色流变化的。生色浇增加肘，乞的圾性阻止电流增加，当电流减小肘。它的极性 反过来阻止电浇减小。电感的这种作用使得亀流疫形变得平直，电感无穷大肘趨 于一条平直的to工作波形如图2-2 o03七图22 =0对的工作歐形为便于分析可以将一个周期分成6个区间，毎个区间60o O 6个晶闸管的 通顺序为 VTl - VT2 - VT3 - VT4 - VT5 - VT6。图2-3给出了 a =30肘的波形。从3t1角开始把一个周期等分为6段，每 段为60

14、与 =0肘的情况相比，一周期中Ud减形仍由6段线电庄构成，每 一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通肘刻推UdIf=3 HJaUbUC30o ,纽成Ud的每一段线色压因此推迟30o , Ud平均值聲低。晶闸管 电压减形也相应发生变化如图所示。图中同肘给出了变压器二次側a相电 浇b的咬形，该咬形的特点是， VTI处于通态的120期间，b为正，由于 丸电威的作用，b咬形的形状近似为一条直线, VT4 于通恚的120期间， 怡波形的形状也近似为一条直线,但为负值。/ I X f X f XZ X ； / X X xv, Z , Z X , /、I Z、I # 1 /、/3

15、Z /, XXZ-Y-辛.“产认一X、.学-跖图23 =30o财的工作沐形由以上分析可见P a 600肘，Ud减形均连续，对于帶丸削威的反削动 势，Id波形由于电威的作用为一条平滑的直统并且也连续。生a 60肘，如 a =90肘电阻负栽情况下的工作波形如图2-4所示，Ud平均值继续障低，由 于电威的存ZL延迟了 VT的关浙肘刻，使得Ud的值出现负值，当电威足够丸肘， Ud中正负面积基本和等，Ud平均值近似为瘵。这说朗带阻感的反色动势的三柑林式全控整浇色路的角的移相闵为90。oUdV0%UdH i 二90Ua Z-ti m:：I !II ：III：IV：V !VI ：k I IIIIIIIII玄

16、洪TXK； “ * 5 IlIllI IiIlI IlIllIlI；*； Uab JuiaG ； IJbC Llba ； LlCa ； UOb； Uab IUaC ,- WKrXl ,亠 vkv3七八I / X Z ,x 八、XnmX3 tX . . -r I / 、丨冷, V .T-*工3LlYTIS 2-4 =90o对的工作欢形3主电路的计算主电路主要是对电动机电枢和励该统俎进行正常供电，对他们的要求主要是 安全可靠，因此农部件彖量的选择上、症经济和体积相差不丈多的情况下，尽可 能选用丸一些的，并在保护环节上对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计， 并采取和应的保措施，配备必要的圾警、显

17、示、自动跳闸统路，以确保主线4路安 全可靠的要求。3.1整流变压薜额定参数的计算一般恃况下，整流裝置所要求的交流供电电庄与輕网电压不一玫，因此需要 使用整浇变庄器。此外，整流变庄彖还可以减小电网和整流装置的和互干犹。(IJ二次相电庄的计算通常我们A计算U2肘是柱理想条件下进行的，但卖际上许多影响是不可忽 略的。如电网电压咬动、管孑本身的庄吟以及整浇变压器等ii.成的压吟等。 所以设计肘U2应按下式计算：U _UdiAUt2 AJ3(cos a-CUdlI2/ I2ll)无中：Ud最大整流亀庄，本役计为220V；Ut整流元件的正向导通压舉，一般取IV；n电流回路所经过的整流元件(VT VDJ的个

18、数，本丈为林式电路n 取2；A理想恃况下OC=O肘Udo与U2的比值， 3-1可知A=2.34;电网电压放动糸数P 般取0.9；最小移和角，农自动桂制糸统中总希望U2值留有调节余量，对于可 逆直流调速糸统取30 35 ,不可逆直流调速糸统取10 15 ,本设计取30 ；C线路揍线方式糸数，杳裹3-1知三相林式C取0.5V；Udl变压容Ett抗色压比IOOKV及以下取dl=0.05, IOOKV以上取Udl=O.05-0.1；2l2n二次側允许的最大电流与顿走电流之比，本设计取12。表31几种的计莽余教线i路形无AC单相全减0.30.707单相林无0.90.707三和半波170.866三相林式2

19、.340.50根据计算公式及本段计要求的参教计算得刊2 = 124V因此整流变压器的变比C = - = -= 3.063 U. 124(2) 一次与二次和电流的计算整流变压器的一次和二次側的相电流计算公式为：I - KJ(I【2 = K/而4本设计的三柑林式全控整浇电路中因此，变庄器的一次和二次柑色浇分别为l1=27.2Al2=81.6A(3)变压赛家量的计算变压器二次側彖量为:S2 =32Z2=3 12481.63 = 30.3552 kW变压器一次测家量为：S1 =3(lZ1 =3 x 380 x 27.2 = 31.008/IVVS = -sis2 = 30.6816 3 IkW23.2

20、整流元件的选狰c晶闸管的戒定削庄由三相全挫林式整流电路的波形分析知，晶闸管最大正.反向色庄率值均为变庄彖二次线色庄率值UFM = UR 丽=、阪故林誓的工作电压幅值为:=6124 = 303.7V保爼一楚裕量.额岌电压取为:UN = (2 3)Um = (2 3) x 303.7 = (607.4 911.1 )W晶闸管的额定亀流闸管电流有数值为：7nnx =Im=57 733考虑裕量，因此晶闸管的额龙电流应:I57 7/我)=(1 5 2)胡=(1.5 2)X 祐=(55.1- 73.5)4晶闸管的选型通过以上计算，取晶闸管额主电流取60A,额主电庄取800VO因此晶闸管型号为KP6-8o3

21、.3电抗春洪数的计算杰了限制输出电流脉动和徐证最小负栽电流肘电流连续，整流容电路中常要串联平沐电抗器。% 了使输出电流盘最小负栽电流仍能连续，对于三柚林式全控整流电路带电动机负栽糸统，有：rfmin其中Kl整流电路形式有关糸数，取0.693；Idmin为最小负栽电浇，设计要求直流输岀电浇连续的最小值为IOAO可得列输出电流连续的临界电感124l=0.693-= 8.59H104保护込路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电炭与过电炭保护， 丸致可以分为两种情况：一种是淮.适生的地方安装徐护器件，例如R-C阻家双收 回路.限流电威.快速竦斯器等；另一种则是采用电子保护电路，检

22、测设备的输 岀电庄或输入电流，当输出电压孤输入电流翅过允许值肘，借助整流紐发技制糸 统使整浇桥短肘工作于有源送变工作状态，从而抑制过电庄或过电浇的数值。本设计中的三和林式全桂整流电路为大功率裝置，故考虑第一种保护方*, 分别对晶闸管.交流側、直流側进行保护设电路的设计。4.1 &闸管保护设计过电庄的尹生及过电压的保护岛闸管的过电庄保护主耍考虑换和过电庄抑制。甜闸管元件A反向阻新能力 恢复甫，将A反向电庄作用下浇过和当丸的反向恢复电浇。当阻断能力恢复肘， 因反向恢复电浇很快拠止，通过恢复电浇的电威会因电浇变化率尹生过电庄， 即换和过电压。为使元件免受換相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电

23、路o如图4-1所示O图44 用薈商塲并娱酿农毎护电珞吸收电彖计算公式为:C = (24)xl(/VT(Av =(24)xl0760=(012024) F其中，式中IT(AV)为岛闸管过的通恚电流平均值。糸数(24)表示2、3、4三 数字中勺选。电彖交流电压选禺闸管两端交流有效值的1.5 如电家以直浇电 庄标称，则选晶闸管两端交流有效值的5信。本段计取C=0.2Fo电彖的耐压值1.5Un = 1.5800=1.2kV吸收电阻计算公式为:R = （2 4）Udy7=（2 4）x22051J= （7.6 15.3）0取R=I50。电阻R的功率PR为 = c2o-6= 500.2(6124)2106=

24、0.92VV其中f为色源频率50Hz； UFM是晶闸管工作率值。过电流保护晶闸管的热肘间常数小过电流能力差，所以应该采取有效措施对晶闸管及 由它组成的可控整浇电路进行保护。过电流可分为过我和短路两种情况，可采用 多种保护措施。对于晶闸管初开通肘引起.的较丸的didt,可在晶闸管的阳圾回 路串联入电威进行抑制；对于整浇林部原因引起的过流以及送变器负栽呵路接地 肘可以采用接入快速竦短器进行保护。保护腊施中最后一道防线必须采用快速竦 断器。快速竦斯器的接法如图牛2所示。(b)元件串联快竦图2快速g餅毘的接出在本役计中，接有电抗器的三相全挫林电路，通过晶闸管电流有飒值60A,考虑到快速竦新券顿岌电压应

25、丸于线路的工作色压的有效值，其色浇应略小于晶闸管的有效值。故选RLS-6O的塚新臥 顿岌电压500V,顿主亀流60A的快5触发込路的设计5.1紘发估号方式选择三相全挫林整流电路A任何肘刻都必须有两只晶闸管同肘导通，而且其中一 只是A共阴圾组，另夕I、一只症共阳圾纽。为了保证电路能起动工作，或在电浇断 续后再次导通工作，必须对两组中应孚通的两只晶闸管同肘加触发脉冲，为此可 采用以下两种紘发方无：flj采用单脉冲紐发：如使毎一个紐发脉冲的宽度大于60而小于120 , 这样A相隔60要触发換和肘，生后一个紐发脉冲出现肘刻，前一个脉冲还未谄 失，因此均能同肘紘发该导通的两只晶闸管。(2)采用双窄脉冲舫

26、发：如紘发电路送出的是窄的矩形脉冲，衣送岀票一 晶闸管的同肘向前一和甜闸管补发一个脉冲，因此均能同肘紘发该导通的两只晶 闸。5.2級发电路性能要求紐发电路性能的好坏，不但影响糸统的调速團和调速新度，而且对糸统的可 靠性有很大的影响。因此紘发电路必须保证迅速、准确、可靠的送出脉冲。为达 到这个目的，正确选用或役计触发电路是很重要的，一个紘发电路性能的优劣常 用下列儿条来衡量：()触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步，以保证每个周期都在相 同的延迟角处紘发导通晶闸管。(2)紘发脉冲应能在一主的国移相。对于不同的主电路要求的移相国也不 同。对于三相全控林无电路，色阻负栽肘为O -120 ,既要整流

27、又要送炙肘， 其移和國为30 -150 ,为保证逆变可靠，对最小逆变角0应加以限制。紐发信号应有足够的功率(电压和輕流丿。为使所有合格的器件在各种 可能的工作条件下都能可靠紘发，舫发电珞送出的舫发亀压和亀流，必须大于器 件门圾规定的紘发电庄UClT和紐发电流IGTo触发电庄症4V以上、10V以下为宜， 这样就能保证任何一个合格的器件換上去都能正常工作。应紘发信号为脉冲形式 肘，只要紐发功率不超过规主值，舫发电压、电流的幅值庇短肘间可丸丸超过额 定值。不该紐发肘，紐发电路的漏电庄小于0.150.2V,以陆谋融发。触发脉冲的上升前沿要變。否则，因温度、电源电庄等因索炙化肘将 凌成晶闸管的触发肘间不准确。设脉冲的槪值为Umf脉冲沿是指由0Um 上升到0.9Um所需要的肘间，一般要在10s以为宜。紐发脉冲应有一岌的宽度。一般禺闸管的开通肘间为6小左右，故紘 发脉冲的宽度至护应 6js以上，最好应有2050ps对于三相桥式4全控整流 电路，若采用宽脉冲紘发，则脉冲宽度应丸于60 , 一般役计成90 (5msjo5.3紘发电路选型本设计采用集成紘发器，集成紘发电路具有体积小、功耗低、调试方便、性 能稔岌可靠等特点。三相桥无全控紘发电路由3个KJOO4集成块和1个KJ041 集成块(KJO41部是由12个二极管构成的6个或门丿及部分分立元件构成，可 形成夫路玖脉冲，再由并个晶体管进行脉