晶闸管三相全桥电动机控制系统设计说明

1、目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc25640 第一章三相全控桥主电路设计 PAGEREF _Toc25640 1 HYPERLINK l _Toc32070 1.1 整流变压器设计 PAGEREF _Toc32070 1 HYPERLINK l _Toc22638 1.1.1 设计原则 PAGEREF _Toc22638 1 HYPERLINK l _Toc17376 1.1.2 参数计算 PAGEREF _Toc17376 1 HYPERLINK l _Toc31094 1.2 整流电路设计 PAGEREF _Toc31094 2 HYPERLINK l _To

2、c25824 1.2.1 晶闸管参数的计算 PAGEREF _Toc25824 2 HYPERLINK l _Toc25167 1.2.2 晶闸管电路对电网的影响 PAGEREF _Toc25167 3 HYPERLINK l _Toc15977 1.2.3 晶闸管电路对系统功率因数的影响 PAGEREF _Toc15977 4 HYPERLINK l _Toc12955 5的参数计算 PAGEREF _Toc12955 HYPERLINK l _Toc27512 第 2 章 触发电路设计 PAGEREF _Toc27512 6 HYPERLINK l _Toc13238 2.1 触发电路选择

3、 PAGEREF _Toc13238 6 HYPERLINK l _Toc10472 2.2 TC787芯片介绍 PAGEREF _Toc10472 6 HYPERLINK l _Toc11328 2.2.1 芯片介绍 PAGEREF _Toc11328 6 HYPERLINK l _Toc21344 2.2.2 引脚介绍 PAGEREF _Toc21344 7 HYPERLINK l _Toc31932 2.3 触发电路设计 PAGEREF _Toc31932 8 HYPERLINK l _Toc19941 2.3.1 原理说明 PAGEREF _Toc19941 8 HYPERLINK l

4、 _Toc13921 2.3.2 同步信号的相位 PAGEREF _Toc13921 9 HYPERLINK l _Toc24050 第三章保护电路设计 PAGEREF _Toc24050 10 HYPERLINK l _Toc9564 3.1 过压保护设计 PAGEREF _Toc9564 10 HYPERLINK l _Toc12601 3.1.1 交流侧过压保护 PAGEREF _Toc12601 10 HYPERLINK l _Toc20994 3.1.2 直流侧过压保护 PAGEREF _Toc20994 11 HYPERLINK l _Toc8825 3.1.3 晶闸管换相过电压保

5、护 PAGEREF _Toc8825 11 HYPERLINK l _Toc22733 3.2 过流保护设计 PAGEREF _Toc22733 12 HYPERLINK l _Toc15894 3.3 缓冲电路设计 PAGEREF _Toc15894 12 HYPERLINK l _Toc14110 3.3.1抑制电路设计 PAGEREF _Toc14110 12 HYPERLINK l _Toc19535 3.3.2抑制电路设计 PAGEREF _Toc19535 12 HYPERLINK l _Toc23311 设计经验 PAGEREF _Toc23311 13 HYPERLINK l

6、_Toc5703 参考文献 PAGEREF _Toc5703 14 HYPERLINK l _Toc30433 附录：三相桥式全控晶闸管电机系统设计系统电路图 PAGEREF _Toc30433 15三相全控桥式晶闸管电机系统设计1 三相全控桥主电路设计1.1 整流变压器的设计1.1.1设计原则从标题的要求可以看出，供电电压为380V市电电压，整流电路负载为额定电压为220V的直流电机。同时题目的性能要求整流器的输出直流电压为0220V，所以整流电路的输入电压最大值应为220V，380V220V的电压可以通过使用合适类型的变压器。在本设计中，使用合适的变压器来实现降压。整流电路通常使用变压器来

7、降低电压。变压器不仅可以降低电压，还可以用作隔离电路。由于晶闸管整流电路会对电网造成谐波污染等负面影响，因此在设计电路时也需要隔离电路。为减少影响，在本设计中，变压器可以减弱晶闸管整流电路对电网的干扰，并将其与其他用电设备隔离，以减少晶闸管电路的负面影响。1.1.2参数计算变压器一次侧电压为380V，二次侧电压为220V。变压器的初级和次级是相连的。如果不考虑变压器的励磁电流，则原副边电压与变比的关系为：替换值：式中，为原、副边线圈匝数比， ， 为原、副边电压值。由于整流电路的输出结果不是标准的等幅正弦波，所以变压器的电流和容量的计算与电路连接形式有关，但在计算变压器容量时，我们可以取220V

8、为有效计算值。对于三相桥式全控电路，当变压器的初级和次级连接时，连接电机负载，连接电路的平滑电抗器的电感足够大，可以使负载电流连续的。此时变压器二次侧电流为正。负半周宽度不同且前沿不同的矩形波，其有效值为：从已知的直流电机额定参数，计算变压器容量为宜。这是：初级侧电流为：因此，变压器的初级侧容量为：变压器二次侧容量为：因此，电压容量可以选择为：1.2 整流电路设计1.2.1晶闸管参数计算由于晶闸管具有耐压性好、经济性好、性能稳定等优点，因此设计了六个晶闸管组成三相全控整流电路。晶闸管选型需要以下参数： 晶闸管的额定电压和额定电流，根据性能指标要求整流电路输出的最大直流电流为：由于整流电路采用三

9、相全控形式，晶闸管有效值与晶闸管的关系为：代入数据计算：那么晶闸管的额定电流为：代入要计算的值：对于整流电路，三相全控晶闸管所能承受的最大电压为：因此，晶闸管的额定电压为：代入要计算的值：根据电路要求，应选择六个晶闸管组成整流电路，并根据上述晶闸管参数计算选择合适的晶闸管组成整流电路。电路图的接线图大致如下：图1 三相桥式整流器主电路图1.2.2晶闸管电路对电网的影响在理论分析和研究中，我们的市场将晶闸管视为理想元件，但在分析实际应用中的问题时，我们不能将其视为理想元件，在我们的应用中必须考虑到它的一些负面影响。晶闸管电路对电网的影响主要表现在谐波污染和无功功率两个方面：晶闸管消耗无功功率，会

10、对电网产生不利影响，主要表现为：1、无功功率会导致电流和视在功率的增加，从而导致设备容量的增加。2、无功功率的增加会导致总电流的增加，从而增加设备和线路的损耗。3、无功功率是线路压降的增加，冲击无功负载也会引起电压剧烈波动。晶闸管会产生谐波，对公共电网造成危害，主要表现为：1、谐波对电网中的元件造成额外的谐波损耗，降低发电、输电和用电设备的效率。大量的3次谐波流过中性线会导致线路过热甚至引起火灾。2、谐波影响各种电气设备的正常运行，引起机械振动、噪声和电动机过热，严重的变压器局部过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘老化，寿命缩短甚至损坏。3、谐波会在电网中引起局部并联谐振和串联谐振，将谐波放大，

11、大大增加上述1）和2）的危害，甚至造成严重事故。4、谐波会引起继电保护和自动装置的误动作，使电测仪表不准确。5、谐波会干扰相邻的通信系统，产生噪声，降低通信质量。由于公共电网中的谐波电压和谐波电流会对用电设备和电网本身造成很大危害，因此世界上很多国家都出台了限制电网谐波的国家标准，或者权威机构制定了限制谐波的规定.制定这些标准和法规的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，将电网的谐波电压控制在内容范围内，使接入电网的用电设备能够正常工作。通常无谐波干扰。因此，电路中一般采取相应的措施来消除无功功率和谐波的不利影响。该电路中使用的变压器设备可以减少谐波对电网的不利影响。1.2.3晶闸管电路对系

12、统功率因数的影响三相桥式全控整流电路接电动势负载时，由于平滑电抗器的设计满足设计要求，即电流是连续的，接电机负载时，即电动势负载，计算功率因数可视为感性负载，即交流侧电抗为零，直流侧电感L足够大。例如此时电流的正负半周方波，三相电流波形相同，顺序不同，二次侧电流有效值与整流后的输出电流为：将电流分解成傅里叶级数，以a相为例，以电流正负半波的中点为时间零点，有：由上式可知，电流基波及各次谐波有效值为：其中，由此可以得出以下结论：电流只包含（正整数）次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，与基波有效值之比为谐波次数的倒数。计算出的谐波系数为：电流基波与电压的相位差为，故位移因数仍为：功率因数为：

13、1.3 平波电抗器参数计算晶闸管整流器用于供电时，供电电压和电流中含有各种谐波分量。当控制角增大，负载电流减小到一定程度时，也会出现电流断续现象，对变换器的特性产生不利影响。当负载为直流电机时，由于直流电机的间歇电流和脉动，晶闸管的导通角会减小，整流器的等效电阻会增大，电机的机械特性会变软，换向条件恶化，电机损耗增加。 .因此，在设计变流器装置时，除了适当增加晶闸管和二极管的容量，选择适合变流器电源的专用系列直流电动机外，通常在直流电路中串联一个平滑电抗器，限制电流。脉动组件使电流保持连续。根据设计性能指标的要求，保证持续电流的最小电流为5A，则电抗器的电感计算如下：式中：为变压器二次侧电压的

14、有效值。是所需的最小连续负载电流的平均值。是与整流器主电路有关的计算系数。对于不同的控制角，所需的平波电抗器电感计算公式为：式中： 220V为变压器二次侧电压的有效值。从设计要求可知。它是与整流电路有关的计算系数。计算时采用三相全控桥式电路。代入相关参数，计算电路所需值。最大电感值为：整流变压器漏感换算为次级绕组各相漏感为：其中：是变压器二次相电压的有效值。它是整流电路额定输出电流的平均值。是变压器的短路比，变压器。是与整流器主电路形式有关的计算系数。本设计电路中，根据设计要求： ，变压器的短路比取为： ，计算系数取为： ，将参数代入计算公式得：根据已知的电机参数，电枢电感被称为：根据上述计算

15、，可以得到平滑电抗器的近似电感为：将电感参数代入：在选择具体的平波电抗器时，应选择电感值大于上述计算的电感值L的平波电抗器。2 触发电路设计2.1 触发电路选择在晶闸管可控整流电路中，通过控制触发角的大小来控制输出电压，即控制触发脉冲的初始相位，属于相控电路。由于集成电路可靠性高、技术性能好、体积小、功耗低、调试方便。随着集成电路制造技术的提高，集成晶闸管触发电路逐渐普及，并逐渐取代分立电路。同时，传统的集成触发器KJ和KC系列需要多个芯片来完成六个晶闸管，电路比较麻烦。一颗TC787芯片可以完成6个晶闸管的触发，所以本设计电路选用TC787集成触发电路。2.2 TC787芯片介绍2.2.1芯

16、片介绍TC787是一种单片集成电路，采用独特的先进IC工艺技术，参考最新的集成移相触发集成电路设计而成。它可以与单电源或双电源一起工作。主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，用于组成各种交流调速和交流器件。易于调整，使用可靠。2.2.2引脚介绍TC787的引脚图如下：图2 TC787引脚图引脚说明：1 同步电压输入端：1、2、18脚为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值不能超过TC787的工作电源电压VDD。2 脉冲输出端：半控单脉冲工作模式下，8脚、10脚、12脚为三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而脚7、12为9。11脚分

17、别为三个同步电压的负半周对应的反相触发脉冲输出端。 TC787设置为全控双窄脉冲工作模式时，8脚为三相同步电压中C相正半周和B相负半周对应的两个脉冲输出端； 12脚与阶跃电压中A相正半周和C相负半周对应的三个二脉冲输出端相同； 11脚为三相阶跃电压中C相负半周和B相正半周对应的两个脉冲输出端； 9脚为三相电压中A相电压负半周和C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；对应半周期的两个脉冲输出端； 10脚为三相同步电压中B相正半周和A相负半周对应的两个脉冲输出端。在应用中，接在脉冲功率放大环节的输入端或由脉冲变压器驱动的开关管的控制极上。3控制终端(1) 引脚 4：相移控制电压输入。该端输入电压的高低

18、直接决定了TC787输出脉冲的相移。在应用中，连接给定链路的输出，最大电压幅值为TC787的工作电源电压VDD。(2) Pin 5：输出脉冲禁止端。该端子用于在故障状态下阻断 TC787 的输出。高电平有效。在应用中，它连接到保护电路的输出端。(3) 6脚：TC787工作模式设置端。端子接高电平时，TC787输出双脉冲串；端子接低电平时，输出单脉冲串。(4) 13脚：此端所接电容的容量决定了TC787输出脉冲的宽度。电容的容量越大，脉冲宽度越宽。(5) Pin 14、Pin 15、Pin 16：锯齿波电容对应三个同步电压的连接端子。连接到该端子的电容值决定了相移锯齿波的斜率和幅度。在应用中，使

19、用相同容量的电容器接地。4 电源端子TC787 可以单电源或双电源工作。单电源工作时3脚接地，17脚内容电压为818V。双电源工作时，3脚接负电源，内容电压幅值-4-9V，17脚接正电源，内容施加电压+4 +9V。2.3 触发电路设计2.3.1原理说明380三相交流电源经同步变压器变换成30V同步信号a1、b1、c1后，经电位器RP1、RP2、RP3及RCT型网络滤波后，接入TC787的同步电压输入端。通过调节RP1、RP2、RP3可以微调各相电压的相位，保证同步信号与主电路匹配。 Ca、Cb 和 Cc 是集成电容器。 TC787 芯片锯齿波的线性度和幅度由 Ca、Cb 和 Cc 的电容决定。

20、因此，为了保证锯齿波的良好线性和三相锯齿波斜率的一致性，选择Ca、Cb、Cc。 Cb和Cc时，要求三个电容值的相对误差很小，产生的锯齿波线性好，幅度大，顶部不均匀。 Ca、Cb、Cc为电容0.15的参考值。连接到引脚 13 的电容器 Cx 决定了输出脉冲的宽度。 Cx越大，脉冲越宽，可以得到方波。但是，如果脉冲太宽，则会增加驱动级的损耗。 Cx 参考值为。调整RP可以使输入脚4的电压连续变化，从而使输出脉冲在它们之间变化。该引脚的输出端具有25mA以上的输出容量。 6个驱动管用于扩大电流。经脉冲变压器隔离后，脉冲连接接通。到晶闸管的栅极（g）和阴极（k）以触发晶闸管。其中，RP1RP3：10k

21、； R1、R2、R3：200k； C1、C2、C3：10 ； C4、C5、C6：1个；回复：20k。触发电路图如下：图3 TC787构成的触发电路2.3.2同步信号的相位给晶闸管整流电路供电的交流侧电流通常来自电网，电网电压的频率不固定，而是在内容范围内波动。除了保证触发电路的工作频率与清管器电路的交流电源频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲和加在晶闸管上的交流电压保持固定和正确的相位关系，即触发电路的相位。为保证触发电路与主电路的频率一致，采用同步变压器将其原边接入为主电路供电的电网，其副边提供同步电压信号，使同步电压决定的触发脉冲频率与主电路相同。晶闸管电压频率始终相同。接下来的问题是触

22、发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲的相位正确。对于晶闸管来说，它的阳极接交流侧的电压，可以简单地表示为与其相连的主电路的电压，晶闸管触发脉冲的范围为。使用锯齿波同步触发电路时，同步信号负半周的起始点对应锯齿波的起始点。通常，锯齿波的上升段是 ，上升段的开始和结束的线性不好，丢弃它并使用 的中间。锯齿波的中点对应于同步信号的位置。三相桥式整流器广泛应用于直流电机调速系统中，通常要求实现再生制动，使触发角为.当它是一个整流电路时，它会为你工作。它将被确定为锯齿波的中点，锯齿波在前后方向有一个移相包围。因此，与同步电压的对应就是与同步电压的对应。对应位置，同步信号对应对应，说明同

23、步电压应该滞后。对于其他五个晶闸管，存在相同的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压。对于共阳极组,和, 它们的阴极分别连接到, ,可以简单地表示为它们的主电路电压分别是,和。以上分析了同步电压与主电路的关系。一旦确定了整流变压器和同步变压器的连接方式，就可以选择各个晶闸管的同步电压信号。本设计中变压器采用连接方式，同时为了防止电网电压波形干扰触发电路，对同步电压进行滤波。当滤波滞后角为 时，同步电压的选取结果如表 1 所示。表1 三相全控桥各晶闸管的同步电压晶闸管主电路电压同步电压3 保护电路设计3.1 过压保护设计在整流电路中，电路中的电压会发生波动，有时会出现比较大的瞬态过电压。此时出现

24、的高压可能超过晶闸管能正常工作的耐压，晶闸管可能被击穿丢失。控制进一步导致整流失败，可能对供电电路和供电设备造成很大的不利影响，并可能造成很大的经济损失。因此，在设计使用晶闸管的整流电路时，必须注意设计保护电路，使晶闸管安全。正常工作。一般情况下，抑制瞬态过电压常采用三种措施：交流侧保护、直流侧保护和元件保护。3.1.1交流侧过压保护交流侧过压保护一般是为了减少电网电压波动对整流电路的影响，因为它是晶闸管。主要用于变压器二次侧各相，通过RC电路抑制过电压。电容器主要用于吸收能量和缓冲电压冲击。消耗能量。电容电阻值可以根据具体选用的器件来计算。其接线图如图4所示图4 交流侧保护接线示意图3.1.

25、2直流侧过压保护整流电路所承载的负载应该是直流电机，即电动势负载。电机有时会处于发电状态，产生较大的过电压。因此，应在电路中增加保护电路，以消除过压的不利影响。通常，电容器和电阻器是串联的。该电路与负载并联。电容值 电阻值是通过计算得到的。如图5所示：图5 直流侧保护接线示意图3.1.3晶闸管换向过压保护晶闸管开关过程中可能出现的过电压主要是换相过电压。当全控器件工作在较高频率时，也会出现关断过电压。对于换相过压，通常采用RC过压抑制电路，通常采用阻容形式。 RCD电路与晶闸管串联后，还可以作为晶闸管换相过电压的保护电路。电阻和电容的值应根据晶闸管的选择来计算。一般连接形式如图5所示图6 换相

26、过压保护电路接线示意图3.2 过流保护设计如果电力电子电路工作不正常或出现故障，可能会出现过电流。过流分为过载和短路两种情况。晶闸管元件承受过电流的能力也很低。如果过流值大，切断电路的时间稍长，晶闸管元件由于其热容量小，会因热击穿而损坏。因此，必须设置过流保护。目的是一旦变流器电路过流，将过流限制在元件的内容范围内，在晶闸管损坏前迅速切断过流，断开桥臂中的故障元件，防止保护其他元件。通常使用快速熔断器、直流快速断路器和过流继电器来防止过流。 In this design, a suitable fast fuse is used to realize overcurrent protectio

27、n, and the fast fuse can be appropriately selected according to the corresponding selection principle.3.3 缓冲电路设计3.3.1抑制电路设计在阻断状态下，晶闸管的结面相当于一个结电容。当施加在晶闸管上的正向电压上升率过大时，流过结面的充电电流就会过大，起到触发电流的作用，造成晶闸管误导通。从而引起大而轻微的浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。因此，它也必须限制在小于晶闸管断态电压的临界上升率。通常从交流侧或晶闸管换相。交流侧：对于带有整流变压器和交流侧阻容保护的交流设备，变压器的漏感与交流侧

28、的阻容吸收电路形成滤波环节，使交流电网侵入前端陡峭，幅度很大。电压大幅度衰减，作用在晶闸管上的正向电压上升率大大降低。在无整流变压器供电的情况下，应在电源输入端串接相当于变压器漏感的进线电感，以抑制和限制短路电流。晶闸管换相的影响比较小，一般可以忽略。3.3.2抑制电路设计当晶闸管导通时，电流主要集中在靠近栅极的阴极表面的一小块区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增加逐渐扩大到整个阴极表面。这个过程需要几微秒到几十微秒。如果导通时电流上升率过大，会造成栅极附近过热，导致PN结击穿，损坏元器件。因此，必须将其限制在最大内容范围内。增加过大的可能原因是：晶闸管换流过程中，相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护电容放电过大；电容器充电导致尺寸过大。通常，限制措施主要包括： 1、在晶闸管的阳极回路中串联电感。 2、采用整流阻容吸收装置。在本设计中，在晶闸管的阳极回路中串联使用了一个电感器。电感根据相关参数计算。设计经验目前使用电力。最方便运输和控制的能源，也是人类研究得很好的能源。如今，人们在生产生活中并没有开启电能，因此研究如何控制电能的使用以满足对电能的各