基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

1、 PAGE1 / NUMPAGES27 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：玉剛學(xué) 生：夏良烘學(xué) 號： 20095060專 業(yè)： 自 動(dòng) 化班 級： 2009 級 1 班設(shè)計(jì)日期： 2011.12.262011.12.30大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2011年12月課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評定成績表項(xiàng)目分值優(yōu)秀(100 x90)良好(90 x80)中等(80 x70)與格(70 x60)不與格(x60)評分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)態(tài)度15學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任

2、務(wù)書規(guī)定的任務(wù)學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間，按期完成各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn),不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度技術(shù)水平與實(shí)際能力25設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有很強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較合理、可信設(shè)計(jì)合理，理論分析與計(jì)算基本正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有一定的實(shí)際動(dòng)手能力，主要文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較可信設(shè)計(jì)基本合理，理論分

3、析與計(jì)算無大錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無大錯(cuò)設(shè)計(jì)不合理，理論分析與計(jì)算有原則錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠，實(shí)際動(dòng)手能力差，文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研有較大的問題創(chuàng)新10有重大改進(jìn)或獨(dú)特見解，有一定實(shí)用價(jià)值有較大改進(jìn)或新穎的見解，實(shí)用性尚可有一定改進(jìn)或新的見解有一定見解觀念舊論文(計(jì)算書、圖紙)撰寫質(zhì)量50結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字流暢，完全符合規(guī)化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰結(jié)構(gòu)基本合理，邏

4、輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)化要求；圖紙比較工整容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯(cuò)別字較多，達(dá)不到規(guī)化要求；圖紙不工整或不清晰指導(dǎo)教師評定成績：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日自動(dòng)化學(xué)院2009級自動(dòng)化專業(yè)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的和任務(wù)電力電子技術(shù)是研究利用電力電子器件、電路理論和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電能的控制、變換和傳輸?shù)目茖W(xué)，其在電力、工業(yè)、交通、通信、航空航天等很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其它多項(xiàng)高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，提高學(xué)生的電力電子領(lǐng)域綜合設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用能力是教學(xué)計(jì)劃中必不可少的重要一環(huán)。通過電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以

5、下幾個(gè)目的：1、培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4、提高學(xué)生的電力電子裝置分析和設(shè)計(jì)能力。5、提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水平。二、課程設(shè)計(jì)的基本要求1. 教師確定方向，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自立題目注意事項(xiàng)： 所立題目必須是某一電力電子裝置或電路的設(shè)計(jì)，題目難度和工作量要適應(yīng)在一周完成，題目要結(jié)合工程實(shí)際。學(xué)生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其他電力電子裝置設(shè)計(jì)，如開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、UPS電源等，但不允許選擇其他班題目方向的容設(shè)計(jì)（復(fù)合變換除外）。 通過圖書館和Intel

6、網(wǎng)廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計(jì)的題目方向的文獻(xiàn)資料，確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計(jì)題目。自立題目后，首先要明確自己課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)容。要給出所要設(shè)計(jì)裝置（或電路）的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（如輸入技術(shù)數(shù)據(jù)，輸出技術(shù)數(shù)據(jù)，裝置容量的大小以與裝置要具有哪些功能）。如：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速可控整流電源設(shè)計(jì)主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源：三相380V10% f=50Hz直流輸出電壓：0220V50220V圍，直流輸出電流額定值100A直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A設(shè)計(jì)容：整流電路的選擇整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算晶閘管電流、電壓額定的選擇平波電抗器電感值的計(jì)算保護(hù)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖列出主電路和

7、控制電路所用元器件的明細(xì)表2. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識和創(chuàng)造性的思維方式以與創(chuàng)造能力。要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點(diǎn)。具體電路元器件的選擇應(yīng)有計(jì)算和說明。課程設(shè)計(jì)從確定方案到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須在檢索、閱讀與分析研究大量的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過刨析、提煉，設(shè)計(jì)出所要求的電路（或裝置）。課程設(shè)計(jì)中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。（注意：所確定的主電路方案如果沒有論證說明，成績不能得優(yōu)；設(shè)計(jì)報(bào)告最后給出設(shè)計(jì)中所查閱的參考文獻(xiàn)最少不能少于5篇，且文中有引注，否則也不能得優(yōu)）。3. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析和獨(dú)立解

8、決問題的能力。要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路和控制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì)（包括計(jì)算和器件選型），嚴(yán)禁抄襲。4. 課題設(shè)計(jì)的主要容是主電路的設(shè)計(jì)，主電路的分析說明，主電路元器件的計(jì)算和選型，以與控制電路設(shè)計(jì)。5. 課題設(shè)計(jì)報(bào)告要求圖表規(guī)，文字通順，邏輯性強(qiáng)。 6. 課題設(shè)計(jì)報(bào)告字?jǐn)?shù)要求為6000字左右。（A4紙打印8頁左右）三、課程設(shè)計(jì)的工作計(jì)劃課程設(shè)計(jì)時(shí)間5天。第1天上午，指導(dǎo)教師向?qū)W生講授課程設(shè)計(jì)的目的、任務(wù)、設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)。第1天下午和第2天學(xué)生到圖書館和Intel網(wǎng)上按照指導(dǎo)教師的要求查找所需要的文獻(xiàn)，并在閱讀分析中確定自己的研究題目、技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)容，交指導(dǎo)教師審閱。

9、第3天學(xué)生的主要任務(wù)是確定方案。第4天和第5天，學(xué)生的任務(wù)是綜合所學(xué)知識，進(jìn)行主電路和控制電路的設(shè)計(jì)，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。四、各班的題目方向1班題目方向：相控整流技術(shù)或斬波技術(shù)的工程應(yīng)用2班題目方向：交流調(diào)壓或變頻技術(shù)的工程應(yīng)用目錄1. 引言12. 直流電機(jī)參數(shù)與設(shè)計(jì)基本要求22.1直流電機(jī)參數(shù)22.2設(shè)計(jì)要求23. 整流電路的設(shè)計(jì)24. 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算34.1主電路設(shè)計(jì)34.2參數(shù)計(jì)算45.保護(hù)電路的設(shè)計(jì)55.1過電壓保護(hù)55.2過電流保護(hù)65.3關(guān)斷緩沖保護(hù)76. 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)77.整體電路的設(shè)計(jì)98.課程設(shè)計(jì)總結(jié)10參考文獻(xiàn)10基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引言當(dāng)今，自動(dòng)化控制

10、系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，整流電路廣泛應(yīng)用于工業(yè)生活中。電力電子器件的發(fā)展是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是電力電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，電力電子技術(shù)的每一次飛躍都是以新器件的出現(xiàn)為契機(jī)。電力電子器件的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：大容量化；高頻化；易驅(qū)動(dòng)；降低導(dǎo)通壓降；模塊化；功率集成化。直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大圍平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管蒸餾裝置，組成晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組與離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能上夜顯示出較大的優(yōu)越性。隨

11、著電力電子器件的大力發(fā)展，該方面的用途越來越廣泛。由于電力電子裝置的電能變換效率高，完成一樣的工作任務(wù)可以比傳統(tǒng)方法節(jié)約電能10%40%，因此它是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，整流技術(shù)就是其中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。1基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.直流電機(jī)參數(shù)與設(shè)計(jì)基本要求1.1直流電機(jī)參數(shù)1）PN2）UN3）IN4）nN5）l3kW220V17.5A1500r /min1.21.2設(shè)計(jì)要求利用相控整流技術(shù)，構(gòu)成電機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的原理圖，并計(jì)算晶閘管的額定電壓和額定電流。輸入交流電源：三相380V10%，f50Hz直流輸出電壓：0220V2.整流電路的設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電，晶

12、閘管相控整流電路有單相，三相，全控，半空等，調(diào)速系統(tǒng)一般采用三相橋式全控整流電路，不宜用三相半波的原因是其變壓器二次電流中含有直流分量。本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)采用三相橋式全控整流電路作為直流電動(dòng)機(jī)的可調(diào)直流電源。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角a的大小老控制輸出電壓Ud 的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)M的電源電壓。三相橋式全控整流電路如圖所示：圖1 三相橋式全控整流電路原理圖2基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)是：每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的賄賂，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，一個(gè)是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。對觸發(fā)脈沖也有一定的要求，6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1VT2

13、VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60 ，共陰極組的VT1VT3VT5的脈沖依次差120 ，共陽極組VT4臂脈沖相差180 。VT6VT2也依次差120 ，同一相的上下兩個(gè)橋圖2 三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載時(shí)a30的波形3.主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1主電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路采用三相橋式全控整流電路，系統(tǒng)主電路如圖3所示：3基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖3 系統(tǒng)主電路在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成交流瞬態(tài)過電壓保護(hù)與濾波，晶閘并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成關(guān)斷緩沖，快速熔斷器直接與晶閘管串聯(lián)，對晶閘管起短路過電流保護(hù)作用。綜合整流3.2參數(shù)計(jì)算1次級電壓U2的計(jì)算，影響U2值的因素有：1）

14、U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大直流值Ud2）晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降Ut3）變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降4）平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流經(jīng)過該電阻時(shí)就要產(chǎn)生一定的電壓降5）電樞電阻的壓降當(dāng)整流電路采用三相橋式全控整流時(shí)，且整流變壓器采用Y型聯(lián)結(jié)，一般情況下U2與Un有以下關(guān)系（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式）：3U20.95 1.0UN0.95 1.0220209220VU2120.67 127.02V取U2127V2次級電流I2與變壓器容量的計(jì)算I2K12Id，K12為各種接線形式時(shí)變壓器次級電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。K12取0.816，且忽略變壓器一二次

15、側(cè)之間的能量損耗，故I20.816 17.514.28AS1/2 S1S2m1U1I1m2U2I23 127 14.285.44kVA4基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2晶閘管參數(shù)的計(jì)算1）晶閘管額定電壓UTN通常選取晶閘管的UDRM 和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓，但是在選用時(shí)要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所能承受的峰值電壓的2-3倍。應(yīng)為采用三相全控橋所以UM6U2，晶閘管的額定電壓為：UTN取UTN236U2900V。236 127622.17933.25V2）晶閘管額定電流ITN按電流的有效值來計(jì)算電流額定值。IT AV1.52Kfb Imax，K

16、fbKf/1.57Kb由整流電路形式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)a0時(shí)，三相全控電路Kfb0.367，IT AV1.52Kfb Imax1.520.36717.5 1.211.56 15.41A，取ITN4.1過電壓保護(hù)1）直流側(cè)過電壓保護(hù)15A4.保護(hù)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷時(shí)會產(chǎn)生過電壓，用壓敏電阻一直過電壓或用單相VTS。我們采用壓敏電阻。具體電路如圖4：圖4 直流側(cè)過電壓保護(hù)2）交流側(cè)過電壓保護(hù)交流側(cè)過電壓保護(hù)電路如5：5基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖5 交流側(cè)過電壓保護(hù)電路在變壓器次級并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的

17、能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場能而存儲起來，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC賄賂可能產(chǎn)生的震蕩。4.2過電流保護(hù)對于頻繁操作的電動(dòng)機(jī)，通常用電磁式過流繼電器座短路保護(hù)。1）根據(jù)電流種類，選擇繼電器形式。2）繼電器而定電流大于或等于電動(dòng)機(jī)的而定電流。3）繼電器動(dòng)作電流的整定值Ifd值。1.1 1.3Ig ，式中Ig為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的最大常用的短路過電流保護(hù)器件為快速熔斷器。選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定。2）電流容值按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。3）快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值4）為保證熔體在正常過載情況下不熔斷，應(yīng)

18、考慮器時(shí)間-電流特性。此次設(shè)計(jì)采用快熔作為短路過電流保護(hù)裝置，如圖6：6基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖6 過電流保護(hù)電路4.3關(guān)斷緩沖電路圖7 關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路即晶閘管換相保護(hù)電路。R，C值根據(jù)工程手冊選取。5.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)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，而是會在允許的圍有一定的波動(dòng)。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路交流電壓的頻率一致外，還應(yīng)保證每個(gè)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(gè)同步變壓器，將其一側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)

19、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。接下來的問題是觸發(fā)電路的定向，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)脈沖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(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等。7基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)表1 三相橋式全控個(gè)晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主你路電壓UaUcUbUaUcUb同步電壓UsaUscUsbUsaUscUsb同步變壓器和整流變壓器的解法如圖8所示：圖8 同步電壓器和整流變壓器的接法只需3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)

20、行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖9所示：8基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-15Vusausbusc+15V16815714613512411310291KJ00416815714613512411310291KJ00416 815 714 613 512 411 310 29 1KJ00412345678910 11 12 13 14 15 16 KJ041GND至VT1至VT2 至VT3至VT4 至VT5至VT6圖9 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路說明：初次接觸PROTEL軟件，對其某些方面的了解不夠，導(dǎo)致做出的電路圖不是很完美，比如芯片的選擇，沒有在PROTEL庫中找到相應(yīng)的軟件，盡情諒解。上面三塊集成片為KJ004，下面一塊集成片為KJ041。具體的電路圖請看打包的文件。6.整體電路的設(shè)計(jì)主電路、觸發(fā)控制電路、保護(hù)電路，再加上一個(gè)檢測電路，便得到整體電路。檢測電路即為測主電路中負(fù)載兩端的電壓（電機(jī)兩端的電壓），因?yàn)橥ㄟ^這個(gè)電壓，通過這個(gè)電壓來反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)。9基于相控整流的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)觸發(fā)控制電路電機(jī)主電路檢測電路保護(hù)電路圖10 整體電路7.課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過設(shè)計(jì)一個(gè)晶閘管翔空直流調(diào)速系統(tǒng)，讓我對電力電子