昆明理工自動化實訓報告-供參考

1、直流調(diào)速系統(tǒng)制作課程設計 學校： 昆明理工大學 學院： 信息工程與自動化學院 班級： 姓名： 學號： 指導教師：殷傳榮摘要 直流調(diào)速系統(tǒng)是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式, 它具有良好的起、制動性能，可以在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，較快的動態(tài)響應過程，并且低速運轉(zhuǎn)時力矩大這些極好的運行性能和控制特性。電力電子技術的應用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟建設,交通運輸,空間技術,國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域,進入21世紀后電力電子技術的應用更加廣泛,因此對電力電子技術的研究更為重要。整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)

2、速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。 本文主要介紹三相橋式全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖,目錄TOC o 1-3 h

3、u HYPERLINK l _Toc434 摘要 PAGEREF _Toc434 2 HYPERLINK l _Toc2169 一、直流電機的調(diào)速 PAGEREF _Toc2169 4 HYPERLINK l _Toc21328 1、直流調(diào)速的方法 PAGEREF _Toc21328 4 HYPERLINK l _Toc26102 2、調(diào)速方法 PAGEREF _Toc26102 4 HYPERLINK l _Toc25204 二、 三相橋式全控整流電路設計 PAGEREF _Toc25204 5 HYPERLINK l _Toc26074 1、原理及方案 PAGEREF _Toc26074

4、5 HYPERLINK l _Toc28278 2 主電路的設計與原理說明 PAGEREF _Toc28278 6 HYPERLINK l _Toc25576 2.1 主電路圖的確定 PAGEREF _Toc25576 6 HYPERLINK l _Toc16049 2.2 主電路原理說明 PAGEREF _Toc16049 7 HYPERLINK l _Toc552 3 觸發(fā)電路的設計 PAGEREF _Toc552 12 HYPERLINK l _Toc27838 3.1 電路圖的選擇 PAGEREF _Toc27838 12 HYPERLINK l _Toc15545 3.2 觸發(fā)電路原

5、理說明 PAGEREF _Toc15545 14 HYPERLINK l _Toc20868 3.3 觸發(fā)電路的定相 PAGEREF _Toc20868 16 HYPERLINK l _Toc10527 4 保護電路的設計 PAGEREF _Toc10527 19 HYPERLINK l _Toc13253 4.1 過電流保護 PAGEREF _Toc13253 19 HYPERLINK l _Toc9507 五、 心得體會 PAGEREF _Toc9507 20 HYPERLINK l _Toc3084 參考文獻 PAGEREF _Toc3084 21一、直流電機的調(diào)速1、直流調(diào)速的方法根據(jù)

6、直流電機轉(zhuǎn)速方程： （11）式中 n 轉(zhuǎn)速（r/min）； U 電樞電壓（V）； I d 電樞電流（A）； R 電樞回路總電阻（ W ）； 勵磁磁通（Wb）； Ce 由電機結(jié)構決定的電動勢常數(shù)。2、調(diào)速方法對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。因此需要可調(diào)的直流電源。三相橋式全控整流電路設計1、原理及方案三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主

7、電路得到一個合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分。保護電路采用RC過電壓抑制電路進行過電壓保護，利用快速熔斷器進行過電流保護。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個同步變壓器對觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶動直流電動機運轉(zhuǎn)。結(jié)構框圖如圖1-1所示。整個設計主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護電路三個部分。框圖中沒有表明保護電路。當接通電源時，三相橋式全控整流電路主電路通電，同時通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導

8、通工作，經(jīng)過整流后的直流電通給直流電動機，使之工作。電源三相橋式全控整流電路直流電動機同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號觸發(fā)模塊圖1-1 三相橋式全控整流電路結(jié)構圖2 主電路的設計與原理說明2.1 主電路圖的確定習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此

9、編號，晶閘管的導通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。其原理如圖1所示。圖1 整流電動機正反轉(zhuǎn)調(diào)速電路2.2 主電路原理說明整流電路的負載為帶電阻性負載。晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2所示。圖2三相全控橋整流電路a=0時的波形=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換

10、相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最?。ㄘ摰米疃啵┑南嚯妷?，輸出整流電壓 ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個

11、，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡線。為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為60o，如圖2所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。表1 三相橋式全控整流電路電阻負載=0o時晶閘管工作情況時 段共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb圖3給出了=30o時的波形。從t

12、1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30o,組成ud的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應發(fā)生變化如圖所示。圖3三相全控橋整流電路a=30時的波形圖4三相全控橋整流電路a=60時的波形由以上分析可見，當60o時，ud波形均連續(xù)當60o時，如90o時電阻負載情況下的工作波形如圖5所示，ud波形就不再連續(xù)。若繼續(xù)增大到120o時，Ud=0，因此三相橋式全控整流電路帶電阻性負載時的移相范圍是120o。圖5三相全控橋整流電路a=90時的波

13、形 3 觸發(fā)電路的設計3.1 電路圖的選擇 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性：當晶閘管承受反向電壓時，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。 對于三相橋式全控整流電路，在其合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，

14、為確保電路在正常工作，需保證同時導通的兩個晶閘管均有脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于（一般?。?，稱為寬脈沖觸發(fā)；另一種方法是，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給前一個晶閘管補發(fā)脈沖，即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差，脈寬一般為，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓飽和，需將鐵心體積做得較大，繞組匝數(shù)較多，導致漏感增大，脈沖前沿不夠陡。因此，常用的是雙脈沖觸發(fā)。圖6 雙脈沖觸發(fā)電路根據(jù)晶閘管的這種特性，通過控制晶閘管的導通和關斷時刻，就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷

15、續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o 30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。觸發(fā)電路如圖6所示。3.2 觸發(fā)電路原理說明 如圖5所示，觸發(fā)電壓的形成用KJ004芯片完成。KJ004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。電原理見下圖：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

16、變權電阻R1、R2的比例,調(diào)節(jié)相應的偏移電壓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范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導通角增大，R7和C2形成微分電路,改變R7和C2的值可以獲得不同的脈沖輸出。KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構如圖6所示。圖7 KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構圖雙脈沖信號的形成與控制用KJ041六路雙脈沖形成器完成，KJ041是三相全控橋式觸發(fā)線路中必備的電路，具有雙脈沖形成和電子開關控制封鎖功能。實用塊有電子開關控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。如圖7所示，KJ041的1-6腳管為單脈沖信號輸入。把單脈沖信號由10-15腳管兩兩同

17、時輸出形成雙脈沖信號，10-15腳管兩兩同時輸出對應輸送給VT6-VT1晶閘管。 （1）假設在t1時刻15腳管開始給VT1晶閘管輸送脈沖信號，則經(jīng)過60度后14腳管開始給VT2晶閘管雙脈沖信號，即只有15腳管和14腳管有信號輸出，其他腳管沒信號輸出，則此時VT1和VT2同時導通；（2）再過60度后，15腳管停止輸出信號，而13腳管開始給VT3輸出信號，即只有14腳管和13腳管有信號輸出，其他腳管沒信號輸出，此時VT2和VT3同時導通；（3）再過60度后，14腳管停止輸出信號，而12腳管開始給VT4輸出信號，即只有13腳管和12腳管有信號輸出，其他腳管沒有輸出信號，此時VT3和VT4同時導通；

18、（4）再過60度后，13腳管停止輸出信號，而11腳管開始給VT5輸出信號，即只有12腳管和11腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT4和VT5同時導通； （5）再過60度后，12腳管停止輸出信號，而10腳管開始給VT6輸出信號，即只有11腳管和10腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT5和VT6同時導通； （6）再過60度后，11腳管停止輸出信號，而15腳管開始給VT1輸出信號，即只有10腳管和15腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT6和VT1同時導通；3.3 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)的頻率不是固定不變的，而是會在允許內(nèi)有一定的

19、波動。觸發(fā)電路除了應當保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系。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。接下來就是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結(jié)構、觸發(fā)電路結(jié)構等。觸發(fā)電路定相的關鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關系。主電路電壓與同步電壓的關系如圖7所示。對于晶閘管VT1，其陽極與交

20、流側(cè)電壓相接，可簡單表示為VT1所接主電路電壓為+，VT1的觸發(fā)脈沖從 至的范圍為。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負半周的起點對應于鋸齒波的起點，通常使鋸齒波的上升段為，上升段起始的和終了的線性度不好，舍去不用，使用中間的。鋸齒波的中點與同步信號位置對應。三相橋整流器大量用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，且通常要求可實現(xiàn)再生制動，使的觸發(fā)角為。當時為整流工作，時為逆變工作。將確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前、向后各有的移相范圍。于是與同步電壓的對應，也就是與同步電壓的對應。對于其它五個晶閘管，也存在同樣的對應關系，即同步電壓應滯后于主電路電壓。對于共陽極組的VT4、VT6和VT2，它們的陰極分別與、

21、和相連，可得簡單表示它們的主電路電壓分別為、和。以為分析了同步電壓與主電路電壓的關系，一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的接法，即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。圖8給出了變壓器接法的一種情況及相應的圖8 同步變壓器和整流變壓器的接法及其矢量圖矢量圖，其中主電路整流變壓器為Dy11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為Dy5y11聯(lián)結(jié)。這時，同步電壓選取的結(jié)果如表2所示。表2 三相全控橋各晶閘管的同步電壓（采用圖8變壓器接法時）晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓同步電壓為防止電網(wǎng)電壓波形畸變對觸發(fā)電路產(chǎn)生干擾，可對同步電壓進行R-C濾波，當R-C濾波滯后角為時，同步電壓選取結(jié)果如表3所示。表3

22、三相橋各晶閘管的同步電壓（有R-C濾波波滯后）晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓同步電壓當變流形式不同，或整流變壓器、同步變壓器接法不同時，可參照上述例子確定同步電壓信號。4 保護電路的設計4.1 過電流保護圖9 過電流保護措施及配置位置電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。圖9給出了各種過電流保護措施及其配置位置，其中快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電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措施，以提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流民快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 采用快速熔斷器（簡稱快熔）是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應考慮：電等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流