電力電子課程設(shè)計(jì)---直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速單相可控直流電源設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)題 目直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速單相可控直流電源設(shè)計(jì)院 系 信息工程系專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)1081姓 名 學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師 2021年1月19日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 符圣駒 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1081 指導(dǎo)教師： 李向明 工作單位： 信息工程系 題目：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速單相可控直流電源設(shè)計(jì)初始條件：1直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN3KW，UN220V，IN16A，nN，勵(lì)磁：它勵(lì)，勵(lì)磁電壓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(dòng)狀態(tài)。2.進(jìn)線交流電源：?jiǎn)蜗?20V3.性能指標(biāo)：直流輸出電壓0-220V，最大輸出電流24A，保證電流連續(xù)的最小電流為5A。要求

2、完成的主要任務(wù)：1. 單相全控橋式主電路設(shè)計(jì)包括整流變壓器參數(shù)計(jì)算，整流元件定額的選擇,討論晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。2.觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路選型可使用單結(jié)管觸發(fā)電路或集成觸發(fā)器，同步信號(hào)的定相等。3.晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)。4.提供系統(tǒng)電路圖紙不少于一張。 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。應(yīng)畫出單元電路圖和整體電路原理圖，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過程，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間安排：2021.1.142021.1.15 收集資料，確定設(shè)計(jì)方案2021.1.162021.1.17 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2021.1.182021.

3、1.19 撰寫課程設(shè)計(jì)論文及辯論指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,電氣工程與自動(dòng)化技術(shù)正以令人矚目的開展速度，改變著我們的工業(yè)的整體面貌。同時(shí)，對(duì)社會(huì)的生產(chǎn)方式,人們的生活方式與思想觀念也嘗試了重大的影響，并且在現(xiàn)代化的建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用得到了更加廣泛的開展,對(duì)電力電子技術(shù)的研究更為重要起來(lái)。主電路是采用晶閘管可控整流裝置進(jìn)行調(diào)速;控制電路是采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法進(jìn)行反應(yīng)。系統(tǒng)采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法可以獲得與電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性相互平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速

4、。雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)這種方法雖然初次頭次本錢相對(duì)而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動(dòng)時(shí)的電流的動(dòng)態(tài)過程，又保證穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定性，在起動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反應(yīng)，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)。到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)，不讓電流負(fù)反應(yīng)發(fā)揮主要作用很好地滿足了生產(chǎn)需要。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對(duì)ASR和ACR的設(shè)計(jì)。 目錄前言4第一章 設(shè)計(jì)方案要求及分析5 設(shè)計(jì)要求51.2 設(shè)計(jì)分析5第二章 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)6第三章 單相全控橋式整流電路單元電路模塊分析73.1 單相全控橋式整流電路73.2 電路參數(shù)計(jì)算分析83.3 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)9103.5 晶閘管過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

5、1112第四章 設(shè)計(jì)體會(huì)與小結(jié)13參考文獻(xiàn)14附錄15前言電力電子線路的根本形式之一，即交流交流變換電路，它是將一種形式的交流電能變換成另一種形式交流電能電路。在進(jìn)行交流交流變換時(shí)，可以改變交流電的電壓、電流、頻率或相位等。其中，只改變電壓、電流而而不改變交流頻率的電路成為交流交流電力控制電路，包括交流調(diào)壓電路，交流調(diào)功電路，交流電力電子開關(guān)等；在改變電壓電流的同時(shí)，不需要該變其頻率的交流交流變頻電路成為交交變頻電路，即直接把一種頻率的交流變頻變換成另一種頻率或可變的交流。電力電子變流技術(shù)課程設(shè)計(jì)是對(duì)本門課程的總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)先修課程的根本知識(shí)去解決某一實(shí)際問題

6、的根本訓(xùn)練，加深對(duì)該課程知識(shí)的理解。根據(jù)課堂講授內(nèi)容，學(xué)生做相應(yīng)的自主練習(xí)，消化課堂所講解的內(nèi)容。通過此次設(shè)計(jì)掌握單向橋式全控整流電路的工作原理，了解調(diào)數(shù)原理，掌握過零檢測(cè)電路及控制電力等。通過本課程設(shè)計(jì), 主要訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的以下能力:查閱資料：搜集與本設(shè)計(jì)有關(guān)部門的資料的能力；方案的選擇：樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性,又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性,并注意提高分析和解決實(shí)際問題的能力；迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力,計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；用簡(jiǎn)潔的文字,清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。第一章 設(shè)計(jì)方案要求及分析1.1 設(shè)計(jì)要求，勵(lì)磁：它勵(lì)，勵(lì)磁電壓220V，電流過載倍數(shù)1.5，使用單相可控整流電路，工

7、作于電動(dòng)狀態(tài)。1.2 設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)要求中提供的電動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，因此需要用到整流電路。整流電路是電力電子電路中經(jīng)常用的一種電路，它將交流電轉(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(dòng)機(jī)負(fù)載。由于電動(dòng)機(jī)是阻感負(fù)載，且工作時(shí)相當(dāng)于反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，因此要分別予以分析考慮。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(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。在電力電子電路中，可能會(huì)出現(xiàn)一些突發(fā)情況，比方電壓過大、電流過大、電壓電流變化速率過快等等，這些都會(huì)使晶閘管燒壞，導(dǎo)致整個(gè)電路不能正常工作，因此，需要額外的設(shè)計(jì)保護(hù)電路對(duì)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

8、作。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)是由其他直流電源單獨(dú)供應(yīng)勵(lì)磁電流的電動(dòng)機(jī)，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)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，直流電驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)工作，但為了保護(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。第二章 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管可控整流裝置帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣上稱為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。這里用到的控制電路為單相橋式全控。圖2-系統(tǒng)總體框圖整流電路直流電壓的平衡方程為：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。第三章 單相全控橋式整流電路單元

9、電路模塊分析3.1單相全控橋式整流電路在單相橋式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT6組成一對(duì)橋臂，VT3和VT4組成另一對(duì)橋臂。在U2正半周即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位,假設(shè)4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流id為零，Ud也為零，VTI、VT6串聯(lián)承受電壓U2，設(shè)VT1和VT6的漏電阻相等，那么各承受U2的一半。假設(shè)在觸發(fā)角處給VT1和VT6加觸發(fā)脈沖，VT1和VT6即導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT6流回電源b端。當(dāng)U2過零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT6關(guān)斷。 在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角處觸發(fā)VT3和VT4VT3和VT4的=0位于t=處，VT3和VT4導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT4

10、、R、VT3流回電源a端。到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT3和VT4關(guān)斷。此后又是VT1和VT6導(dǎo)通，如此循環(huán)地工作下去，整流電壓ud和晶閘管VT1、VT6兩端電壓波形分別如下圖。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為2/2 U2和2U2。圖3.1單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載，故該電路為全波整流。在U2一個(gè)周期內(nèi)，整流電壓波形脈動(dòng)2次，脈動(dòng)次數(shù)多于半波整流電路，該電路屬于雙脈波整流電路。變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，如下圖，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器繞組的利用率也高。從圖中可看出，負(fù)載

11、上的直流電壓輸出波形與單相半波時(shí)多了一倍，晶閘管的控制角可從0180，導(dǎo)通角為。晶閘管承受的最大反向電壓為，而其承受的最大正向電壓為。單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載電路參數(shù)的計(jì)算：輸出電壓平均值的計(jì)算公式：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(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即：負(fù)載電流平均值的計(jì)算公式：晶閘管允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過晶閘管電流最大有效值，即：其中，為通態(tài)平均電流其中，為實(shí)際電流有效值。輸出電壓的有效值的計(jì)算公式：U301V負(fù)載電流有效值的計(jì)算公式：流過每只晶閘管的電

12、流的平均值的計(jì)算公式：流過每只晶閘管的電流的有效值的計(jì)算公式：晶閘管可能承受的最大電壓為：由于全控橋式整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載，而電動(dòng)機(jī)負(fù)載中含有電阻和電感，由于電動(dòng)機(jī)電樞電感較小，根本可以不予考慮，但要保證電動(dòng)機(jī)電流連續(xù)，那么通常在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，平穩(wěn)負(fù)載電流的連續(xù)，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。這相當(dāng)于在回路中串聯(lián)了一個(gè)大電感。因此設(shè)計(jì)觸發(fā)電路時(shí)需要考慮到這一點(diǎn)。這里設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路采用鋸齒波同步觸發(fā)電路，這種電路輸出為雙窄脈沖也可輸出單窄脈沖，它適用于對(duì)觸發(fā)電路要求較高的晶閘管整流電路，比方全控橋式整流電路。觸發(fā)電路如圖。觸發(fā)電路3.4晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)的影響隨著電力電子技術(shù)的飛速

13、開展，各種電力電子裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但電力電子裝置也有其不好的地方，比方其帶來(lái)的無(wú)功和諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)很不利的影響。晶閘管作為一種電力電子裝置，也難免會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，突出表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。晶閘管電路中產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害包括：1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)。2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(dòng)、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱等等。3諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使危害大大加大，甚至引起嚴(yán)重事故。4諧波會(huì)對(duì)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)致信息喪失，使

14、通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。5諧波還會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并使電器測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。晶閘管電路產(chǎn)生的無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響包括：1無(wú)功功率會(huì)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使線路的壓降增大，沖擊性無(wú)功負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)。3無(wú)功功率增加，會(huì)使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。3.5 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(lái)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(lái)自晶閘管內(nèi)部的開關(guān)過程。，包括換相過電壓和關(guān)斷過電壓。 圖晶閘管過電壓保護(hù)電路晶閘管電路過電壓保護(hù)主要防止內(nèi)因過電壓，一般

15、情況下，外因過電壓出現(xiàn)的幾率比擬小，這里主要分析內(nèi)因過電壓的電路設(shè)計(jì)。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(shí)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(shí)的局部區(qū)段保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。 晶閘管過電流保護(hù)電路從圖可以看出，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12 所示?？焖偃蹟嗥髋c晶閘管直接串聯(lián)。設(shè)計(jì)體會(huì)與小結(jié)本次課程設(shè)計(jì)主要考察對(duì)單相橋式全控晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的了

16、解，并設(shè)計(jì)出符合要求的晶閘管電動(dòng)機(jī)主電路，當(dāng)然還需要設(shè)計(jì)出一些輔助電路，比方晶閘管觸發(fā)電路，晶閘管過電壓、過電流保護(hù)電路等等。整個(gè)系統(tǒng)可以先分成幾個(gè)模塊，然后再根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求將各個(gè)單元模塊電路組合，就可以設(shè)計(jì)出完整的單相橋式全控晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程可以看作一個(gè)信息梳理、信息處理、信息應(yīng)用的過程。首先，需要認(rèn)真思考設(shè)計(jì)要求，并認(rèn)真查閱資料、收集資料；其次，需要對(duì)收集好的資料進(jìn)行認(rèn)真審核，確定整體設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而將整體思路分成幾個(gè)小的模塊，分別予以分析討論，最終確定最正確設(shè)計(jì)方案；最后，將設(shè)計(jì)思路以書面形式描述出來(lái)，并完成設(shè)計(jì)報(bào)告。這個(gè)過程中，我遇到了很多難題，比方晶閘管觸發(fā)電路的選定、保護(hù)電路的選擇等等，但在我自己的努力和老師同學(xué)的幫助下，這些難題最終被克服，并順利完成了設(shè)計(jì)報(bào)告。這次課程設(shè)計(jì)時(shí)間非常緊湊，因?yàn)閮蓚€(gè)課程設(shè)計(jì)撞到了一起，兩者都要顧及，因此很花費(fèi)時(shí)間和精力。雖然，時(shí)間緊湊，但這并不影響我完成設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量，這對(duì)于我自己來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)1王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2007.2李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)根底.清華大學(xué)出版社.2005.3高玉奎.電力電子實(shí)用電路100例.中國(guó)電力出版社.2021.4栗書賢，石玉.晶閘管變流技術(shù)題例及