《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書二相晶閘管電機(jī)控制

1、摘要基于單相橋式整流電路設(shè)計(jì)對電動機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，根據(jù)電機(jī)的參數(shù)計(jì)算所需使用的器件參數(shù)，選擇經(jīng)濟(jì)適用的器件，以及對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功率因素進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。同時為了保證電路的可靠運(yùn)行，要設(shè)計(jì)晶閘管的保護(hù)電路，以及觸發(fā)電路，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要考慮到過電流和過電壓；晶閘管的觸發(fā)電路需要對晶閘管的控制時序、導(dǎo)通情況進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：橋式，電動機(jī)，功率因素，晶閘管abstract based on single-phase bridge rectifier circuit of the motor speed control system, according to the calculation of t

2、he required motor parameters used in device parameters, the parameters of selection of affordable, well-designed system power factor calculation and design.meanwhile, in order to ensure reliable operation of the circuit, to design the protection thyristor circuit, and trigger circuit, protection cir

3、cuit is designed to take into account the over-current and over-voltage;thyristor thyristor trigger circuit needs to control the timing, turn to analyze the situation. key words: bridge, motors, power factor, thyristor目錄緒論11.設(shè)計(jì)任務(wù)及分析21.1 設(shè)計(jì)要求21.2設(shè)計(jì)分析22. 單相全控橋式主電路的分析設(shè)計(jì)32.1單相全控橋式主電路及原理分析32.2整流變壓器參數(shù)計(jì)算42

4、.2.1 電動機(jī)系統(tǒng)的分析計(jì)算42.2.2 整流變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算52.2.3 整流變壓器二次側(cè)電流的計(jì)算52.3 晶閘管定額的選擇62.3.1 晶閘管電壓定額的確定62.3.2 晶閘管電流定額的確定62.4晶閘管電路對電網(wǎng)的影響72.5系統(tǒng)功率因素的分析82.6 平波電抗器83 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)及定相93.1晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)93.2觸發(fā)電路的定相124 晶閘管過電壓、過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)124.1 晶閘管過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)134.2 晶閘管過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)145 matlab仿真155.1 matlab仿真的電路圖155.2 仿真結(jié)果截圖16心得體會17參考文獻(xiàn)18附錄 系統(tǒng)

5、總體電路圖19 緒論在單相橋式全控晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)中，主電路的設(shè)計(jì)分析相對來說比較容易，反電動勢負(fù)載的分析也不困難。主要是其中為保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行，對于用到的各個器件的參數(shù)的計(jì)算比較麻煩，而且還要考慮到整個系統(tǒng)功率因素的計(jì)算。特別應(yīng)該注意的是，晶閘管的觸發(fā)電路需要對晶閘管的控制時序、導(dǎo)通情況進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出正確、合理的觸發(fā)電路。因?yàn)榧尚酒哂锌煽啃愿摺⒓夹g(shù)性能好、功耗低、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故采取集成觸發(fā)電路代替分立式電路。另外，電路可靠運(yùn)行還應(yīng)該設(shè)計(jì)出過電壓、過電流保護(hù)電路。 單相全控橋式晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及分析1.1 設(shè)計(jì)要求 電動機(jī)負(fù)載，直流電動機(jī)額定參數(shù)為：pn

6、3kw，un220v，in17a，nn1500r/min ，ra0.2，勵磁：它勵，勵磁電壓220v，交流電源：單相220v，電流過載倍數(shù)1.5，使用單相可控整流電路，工作于電動狀態(tài)。要求設(shè)計(jì)出單相全控橋式主電路、觸發(fā)電路、晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流 保護(hù)電路，并且提供系統(tǒng)總的電路圖。1.2 設(shè)計(jì)分析 設(shè)計(jì)要求使用直流電動機(jī)，因此要用整流電路。整流電路是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。這里要求設(shè)計(jì)的主電路為單相全控橋式晶閘管電路，接電動機(jī)負(fù)載。由于電動機(jī)是阻感負(fù)載，且工作時相當(dāng)于反電動勢負(fù)載，因此要分別分析考慮兩種情況。晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)

7、通。電路在工作中可能會出現(xiàn)一些突發(fā)情況，比如電壓過大、電流過大、電壓電流變化速率過快等等，這些都會使晶閘管燒壞，導(dǎo)致整個電路不能正常工作，因此需要額外的設(shè)計(jì)輔助電路，保護(hù)電路對晶閘管進(jìn)行過電壓過電流保護(hù)，從而保證電力電子電路正常工作。他勵直流電動機(jī)勵磁由其他直流電源提供，它是將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。從整個系統(tǒng)來看，單相橋式全控整流電路將交流電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)變成直流電，再驅(qū)動直流電動機(jī)工作，同時為了保護(hù)晶閘管正常工作，需要圍繞晶閘管設(shè)計(jì)觸發(fā)電路、過電壓和過電流保護(hù)電路。2. 單相全控橋式主電路的分析設(shè)計(jì) 2.1單相全控橋式主電路及原理分析 根據(jù)系統(tǒng)的要求，在protues中畫出全控橋式主控電路圖

8、如圖2-1所示。圖2-1 單相全控橋式主電路圖 由圖2-1可知，系統(tǒng)的主電路由變壓器tr4引入電網(wǎng)電源，給橋式電路供電。后面接電動機(jī)負(fù)載，整個負(fù)載成阻感性且為反電動勢負(fù)載。橋式電路由4個晶閘管組成，且每個晶閘管接了過電流過電壓的保護(hù)電路。當(dāng)交流電源電壓的正半周時vt1和vt4導(dǎo)通給負(fù)載供電；當(dāng)電源電壓進(jìn)入負(fù)半周由于vt2和vt3尚未打開，且阻感負(fù)載電流不能突變，vt1和vt4繼續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)vt2和vt3控制脈沖到來打開時，vt1和vt4關(guān)斷，vt2和vt3和負(fù)載構(gòu)成回路給負(fù)載供電。因此，流過負(fù)載的電流的方向在整個過程中不發(fā)生變化。橋式電路起到整流的作用。 2.2整流變壓器參數(shù)計(jì)算 2.2.1 電

9、動機(jī)系統(tǒng)的分析計(jì)算 在晶閘管整流裝置中，滿足負(fù)載要求的交流電壓往往與電網(wǎng)電壓不一致，需要利用變壓器來匹配。此外，為降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其它用電設(shè)備的干擾，也需要設(shè)置變壓器把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離。因此，在晶閘管整流裝置中，一般都需要設(shè)置整流變壓器。負(fù)載為電機(jī)的整流電路電壓的平衡方程為：式中：為電路總的阻抗，它包括變壓器等效電阻、電樞電阻以及重疊角引起的阻抗；為晶閘管正向壓降，一般為1v左右。由于電流斷續(xù)對電動機(jī)負(fù)載是很不利的，因此需要串聯(lián)較大電感來保證電流連續(xù)。當(dāng)電流連續(xù)時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電流的關(guān)系如下式所示： 對于單相全控橋式整流電路電流連續(xù)時： 所以有： 為電動機(jī)在額定磁通下的電動

10、勢系數(shù)。 由上得到的計(jì)算式可得，被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速的大小取決于觸發(fā)角的大小。2.2.2 整流變壓器二次側(cè)電壓計(jì)算整流變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算，考慮到各種因素的影響，整流變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算公式如下：式中，整流電路輸出電壓最大值。=220v； 主電路電流回路n個晶閘管正向壓降。=21=2v； 為最小控制角，一般不可逆系統(tǒng)取 線路接線方式系數(shù)。這里=0.707； 變壓器短路比，=0.050.1，取=0.05； 變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與額定電流之比，取最大值，這里 =1.5； a-理想情況下，即時整流電壓與二次側(cè)電壓之比，這里取 a=0.9; 電網(wǎng)波動系數(shù)，通常取=0.9。所以： 2.2.3 整流變壓

11、器二次側(cè)和一次側(cè)電流的計(jì)算 整流變壓器二次側(cè)電流的計(jì)算公式如下： 這里由于是單相橋式全控電路，所以=1。所以： 變壓器的變比為： 一次側(cè)電流： 二次側(cè)容量： 綜上所述：選擇容量為，380/380v的變壓器。 2.3 晶閘管定額的選擇2.3.1 晶閘管電壓定額的確定通常取晶閘管的（斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）和（反復(fù)重復(fù)峰值電壓）中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即： ，所以得額定電壓為：2.3.2 晶閘管電流定額的確定晶閘管通過的電流有效值，即： 其中，為通態(tài)平均電流： 其中，考慮到安全裕量額定電流，等于的通態(tài)平均電流

12、，即： 綜上所述：選擇kp308的晶閘管4只。2.4晶閘管電路對電網(wǎng)的影響 電力電子技術(shù)正在快速的發(fā)展，各種電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，但電力電子裝置也會帶來一些不利的因素，比如其帶來的無功和諧波會對電網(wǎng)帶來很不利的影響。晶閘管作為一種電力電子裝置，也難免會對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，突出表現(xiàn)為以下兩個方面：1晶閘管電路中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的危害包括：（1）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，例如使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱等等。（2）諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，甚至?xí)咕€路過熱而發(fā)生火災(zāi)。（3）諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振，從而使諧波放

13、大，使危害大大加大，甚至引起嚴(yán)重事故。（4）諧波會對鄰近通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。（5）諧波還會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并使電器測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。2. 晶閘管電路產(chǎn)生的無功功率對電網(wǎng)帶來的不利影響包括：（1）無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。（2）無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。 （3）無功功率使線路的壓降增大，沖擊性無功負(fù)載還會使電壓劇烈波波動。2.5系統(tǒng)功率因素的分析由傅里葉分析得單相全控整流電路中基波和各次諧波的有效值為： =1,3,5, 因此可得基波電流有效值為： 的

14、有效值，可得基波因數(shù)為： 又因?yàn)?，電流基波與電壓的相位差就等于控制角，所以位移因素為： 所以，功率因數(shù)為： 可知系統(tǒng)的功率因素的大小主要取決于控制角的大小。觸發(fā)角越小功率因素越大；觸發(fā)角越大，功率因素越小。觸發(fā)角的移相范圍為，所以系統(tǒng)的功率因素的范圍為：2.6 平波電抗器負(fù)載為直流電動機(jī)時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機(jī)的機(jī)械特性將很軟。導(dǎo)通角越小，則電流波形的底部就越窄。電流平均值是與電流波形的面積成比例的，因而為了增大電流平均值，必須增大電流峰值，這要求較多的降低反電動勢。因此，當(dāng)電流斷續(xù)時，隨著的增大，轉(zhuǎn)速（與反電動勢成比例）降落較大，機(jī)械特性較軟，相當(dāng)于整流電源的內(nèi)阻增大。一般在主電路中直流

15、輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導(dǎo)通的時間。有了電感，當(dāng)小于時甚至值為負(fù)時，晶閘管仍可導(dǎo)通。因此，帶反電動機(jī)電動勢負(fù)載時，要在直流輸出側(cè)串聯(lián)一個大電感，平穩(wěn)負(fù)載電流的脈動，保證整流電流連續(xù)，如圖6所示。圖6 帶平波電抗器的電動機(jī)反電動勢負(fù)載電路圖3 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)及定相 3.1晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)所謂晶閘管觸發(fā)電路就是產(chǎn)生符合晶閘管門極所需的觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。這里設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路采用kj004可控硅移相電路，芯片kj004采用雙列直插c16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，其管腳圖如圖4-1所示：圖4-1 kj004芯片的管腳圖 各引腳的名稱、功

16、能及用法如下所述：(1) 同步電壓輸入端：引腳8(vc)同步輸入電壓連接端。(2) 脈沖輸出端：引腳1(c)、引腳15(b)分別可調(diào)節(jié)輸出相位相差180度(3) 電源端：引腳16(vcc)，引腳5(vee)，引腳7接地內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理簡介：電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電路原理圖見下圖4-2：鋸齒波的斜率決定于外接電阻r6、rw1,流出的充電電流和積分電容c1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓vy,只有改變權(quán)電阻r1、r2的比例,調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓vp。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器rw1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相

17、范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導(dǎo)通角增大。r7和c2形成微分電路,改變r7和 c2的值,可獲得不同的脈寬輸出。同步電壓為任意值。圖4-2 kj004內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖器件輸出兩路相差的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器電路。電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。觸發(fā)電路圖如圖4-3所示。圖4-3 kj004移相觸發(fā)電路圖3.2觸發(fā)電路的定相 向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定不變的，而是會在允許范圍內(nèi)有一定的波動。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致

18、外，還應(yīng)保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，這就是觸發(fā)電路的定相。 為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。 本觸發(fā)電路的同步電壓環(huán)節(jié)由同步變壓器tr2等元件組成，若鋸齒波頻率與主電路電源頻率同步，就能使觸發(fā)脈沖與主電路同步。在這里同步變壓器tr和主電路整流變壓器接在同一電源上，用tr2的二次側(cè)電壓接入kj004，這就保證了觸發(fā)電路發(fā)出的脈沖與主電路同步。1和15管角輸出控制脈沖，其脈沖寬度由滑動變阻器rv2和rv

19、3決定。采用kj004觸發(fā)電路時，同步信號負(fù)半周的起點(diǎn)對應(yīng)于鋸齒波的起點(diǎn)，且同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓。4 晶閘管過電壓、過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在電力電子電路中，電力電子器件由于承受電壓、電流過大，或變化過快，就會使電力電子器件燒壞，從而使整個電路不能正常工作，因此設(shè)計(jì)過電壓、過電流保護(hù)電路來保證電力電子器件的正常工作是非常有必要的。下面就過電壓保護(hù)電路、過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)分別予以討論分析。 4.1 晶閘管過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 晶閘管電路中可能發(fā)生的過電壓可分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。內(nèi)因過電壓主要來自晶閘管內(nèi)部的開關(guān)過程。，包括換相過電

20、壓和關(guān)斷過電壓。 晶閘管電路過電壓保護(hù)主要防止內(nèi)因過電壓，一般情況下，外因過電壓出現(xiàn)的幾率比較小，這里主要分析內(nèi)因過電壓的電路設(shè)計(jì)。 晶閘管內(nèi)因過電壓保護(hù)電路如圖5-1所示。圖5-1 晶閘管過電壓保護(hù)電路 這種保護(hù)電路能有效的抑制內(nèi)因過電壓，從而保護(hù)晶閘管不受損壞。這種電路一般和di/dt抑制電路串聯(lián)使用，從而更好的保護(hù)晶閘管，如圖5-2所示。圖5-2 晶閘管過電壓、di/dt抑制保護(hù)電路 如圖5-2所示，v開通時刻緩沖電容cs先通過rs向v放電，使電流ic先上一個臺階，以后因?yàn)橛衐i/dt抑制電路的li，ic的上升速度減慢。ri、vdi是在v關(guān)斷時刻為li中的磁場能量提供放電回路設(shè)置的。在v

21、關(guān)斷時，負(fù)載電流通過vds向cs分流，減輕了v的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓。 4.2 晶閘管過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)晶閘管電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。圖5-3給出了各種過電流保護(hù)措施及其配置位置。圖5-3 過電流保護(hù)措施及配置位置 其中采用快速熔斷器、直流快速斷路器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。 從圖5-3可以看出，晶閘管的過電流保護(hù)采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)榭焖偃蹟嗥魇请娏﹄娮友b置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。如圖5-4 所示，快速熔斷器與晶閘管直接串聯(lián)的電路。圖5-4 晶閘管過電流保護(hù)電路5 matlab仿真 5.1 matlab仿真的電路圖在simulink中根據(jù)系統(tǒng)的原理繪制的仿真電路圖如圖5-1所示：圖5-1 系統(tǒng)仿