直流電機無極調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

PAGE22-電力電子工程設(shè)計報告題目：直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)學(xué)院：班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：目錄TOC\o"1-3"\h\u19729第1章前言 -2-24713第2章原理框圖及電路設(shè)計 -3-75932.1原理框圖 -3-194882.2系統(tǒng)電路設(shè)計 -4-27109第3章整流電路 -6-176693.1三相橋式全控整流電路原理 -6-180593.2三相橋式全控整流電路圖 -8-145233.3整流變壓器電路 -8-12184第4章控制電路 -9-34944.1電路結(jié)構(gòu) -9-273234.2ASR調(diào)節(jié)器電路 -9-287224.3觸發(fā)電路 -10-169854.4驅(qū)動放大電路 -14-14895第5章保護電路 -15-15355.1保護電路的意義 -15-199745.2過電流保護電路 -15-254005.3過電壓保護電路 -16-196455.4濾波電路 -16-529第6章元件參數(shù)計算及選型 -18-12426.1已知數(shù)據(jù) -18-273576.2參數(shù)計算 -18-10666第7章總結(jié) -20-9971附錄 -21-7544元件清單 -22-第1章前言電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，開發(fā)出許多包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電機的調(diào)速系統(tǒng)就是其中一種，它包含直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩種，交流調(diào)速系統(tǒng)局限性比較大，而相比之下，雖然直流電機價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修難，不過，它具有良好的起動制動性能，并且更容易做到較寬范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，所以，直流調(diào)速系統(tǒng)是電機自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。此次工程設(shè)計的題目是能夠運用于集成PCB板的直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括原理的分析，主電路設(shè)計，控制電路設(shè)計，保護電路設(shè)計，元件參數(shù)計算和PCB板圖繪制等。該系統(tǒng)為無極調(diào)速，采用降電壓調(diào)速方式，主電路接入三相交流電，通過整流電路整流后連接電機。在此系統(tǒng)中，采用晶閘管整流，整流電路采用三相橋式全控整流，其六脈波整流方式能夠使波形更加平穩(wěn)。過電壓保護采用RC過電壓抑制電路，過電流保護采用快速熔斷器。三項全控橋整流電路觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊構(gòu)成，形成六路雙脈沖。觸發(fā)電路通過控制晶閘管的開斷時間控制整流端的電壓輸出，從而控制直流電機轉(zhuǎn)速。我們團隊在完成這次設(shè)計任務(wù)中，分工合作，共同努力解決難題，從中既學(xué)到了很多專業(yè)知識，又明白了團隊分工合作的重要性。這次工程設(shè)計對我們能力有很大的提升，感謝指導(dǎo)老師對我們提供的幫助。第2章原理框圖及電路設(shè)計2.1原理框圖公用三相電網(wǎng)380V公用三相電網(wǎng)380V過流保護過壓保護過流保護過壓保護變壓器變壓器過電壓保護過電壓保護晶閘管整流驅(qū)動電路晶閘管整流驅(qū)動電路負(fù)載部分取樣電路觸發(fā)電路負(fù)載部分取樣電路觸發(fā)電路比較電路電壓調(diào)節(jié)器比較電路電壓調(diào)節(jié)器圖2-1系統(tǒng)原理框圖2.2系統(tǒng)電路設(shè)計主電路主要包括：電網(wǎng)輸入，變壓器，過電壓保護，過電流保護，三相橋式全控整流電路，以及負(fù)載部分（如電動機）；控制電路主要包括：ASR調(diào)節(jié)電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動放大電路。通過各個部分的有機結(jié)合在一起，就構(gòu)成了一個晶閘管整流直流調(diào)壓電路。具體地，主電路采用三相橋式全空整流的形式，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。ASR調(diào)節(jié)電路及PI調(diào)節(jié)器用芯電阻和電容構(gòu)成，它的作用是放大給定信號與反饋信號之差轉(zhuǎn)化為觸發(fā)電路的移相控制信號。觸發(fā)電路為TC787集成觸發(fā)器；驅(qū)動放大電路由三極管、二極管以及變壓器組成；保護電路又分為電壓保護電路和電流保護電路，電壓保護采用RC電路，用熔斷器來對電路進(jìn)行電流保護。圖2-2系統(tǒng)電氣原理圖圖2-2系統(tǒng)原理圖第3章整流電路3.1三相橋式全控整流電路原理整流方式多種多樣，但目前在各種整流電路中應(yīng)用最多的是三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流電路是通過六個晶閘管和足夠大的電感把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電而供給電機使用的，它可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的控制電壓Uco改變晶閘管的控制角α，從而改變輸出電壓Ud和輸出電流Id來對負(fù)載進(jìn)行控制。整流電路在接入電網(wǎng)時由于變壓器一次側(cè)電壓為380V，一般都大于負(fù)載的額定電壓，所以選用降壓變壓器，為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星型，而一次側(cè)接成三角形，這樣可以避免三次諧波電流流入電網(wǎng)，減少對電源的干擾。三相橋式整流電路帶阻感負(fù)載運行時，當(dāng)觸發(fā)角小于60度時，其波形與帶電阻負(fù)載相同，波形如圖：圖3-1觸發(fā)角為0度時的波形圖圖3-2觸發(fā)角為30度時的波形圖當(dāng)觸發(fā)角大于60度時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4給出了α=90度時的波形。若電感L值足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負(fù)載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90度。圖3-2觸發(fā)角為90度時的波形圖3.2三相橋式全控整流電路圖下圖為三相全控橋整流原理圖，其中陰極連在其的3個晶閘管VT1，VT3，VT5為共陰極組，陽極連在一起的VT2，VT4，VT6稱為共陽極組。晶閘管按從1到6的順序經(jīng)過控制電路發(fā)出的脈沖依次導(dǎo)通。圖3-3三相全控橋整流電路3.3整流變壓器電路為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低，為避免三次諧波電動勢的不良影響，應(yīng)采用△/Y接法。下圖為整流變壓器電路。圖3-4三相全控橋整流電路第4章控制電路4.1電路結(jié)構(gòu)控制電路主要包括：ASR調(diào)節(jié)電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動放大電路。其中ASR調(diào)節(jié)電路主要采用的是PI調(diào)節(jié)器，他的作用主要是實現(xiàn)對輸入和輸出電壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使電路輸出得到一個穩(wěn)定的電壓。因為PI調(diào)節(jié)器的性能比較好，在顯示電路中得到廣泛的采用，所以我采用了這種調(diào)節(jié)器。觸發(fā)電路是是整個控制電路中的核心電路，他的主要作用是產(chǎn)生對晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時通過控制控制觸發(fā)角的大小來控制整流直流電壓的輸出大小，從而得到我們具體所需要的電壓和電流。驅(qū)動放大電路的主要功能是把觸發(fā)電路發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號進(jìn)行放大，最終驅(qū)動晶閘管的的導(dǎo)通和關(guān)斷，最終實現(xiàn)對整個主電路的控制。這就是控制電路。4.2ASR調(diào)節(jié)器電路ASR調(diào)節(jié)器是一種比例積分放大電路。大器由LM324芯片提供，再用電阻和電容與其引腳以一定的方式連接構(gòu)成一個比例積分放大電路。PI調(diào)節(jié)器可以分為兩個環(huán)節(jié)，一過熱環(huán)節(jié)是比例放大環(huán)節(jié)，另一個環(huán)節(jié)是積分放大環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的作用是對大給定信號與反饋信號之差進(jìn)行放大再輸入觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖去控制晶閘管的觸發(fā)角度從而控制輸出電壓，積分環(huán)節(jié)的作用是實現(xiàn)無靜差，穩(wěn)定輸出電壓。要改變輸出電壓的大小，只要改變給定電壓的大小即可。具體的連接電路圖如圖4-1。圖4-1ASR調(diào)節(jié)器電路4.3觸發(fā)電路（一）TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖如圖4-2所示，其內(nèi)部集成有3個過零和極性檢測單元，3個鋸齒波形成單元，3個比較器，1個脈沖發(fā)生器，1個抗干擾鎖定電路、1個脈沖形成電路，1個脈沖分配及驅(qū)動電路。他們的工作原理可簡述為：經(jīng)濾波后的三相同步電壓通過過零和極性檢測單元檢測出零點和極性后，作為內(nèi)部3個恒流源的控制信號，3個恒流源輸出的恒值電流給3個等值電容Ca，Cb，Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波，鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相控制電壓Vr比較后取得交相點，該交相點經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證交相唯一而穩(wěn)定，使交相點以后的鋸齒波或移相電壓的波動不影響輸出，該交相信號與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三相輸入同步信號相位對應(yīng)且與移相電壓大小適應(yīng)的脈沖信號送到脈沖分配及驅(qū)動電路。假設(shè)系統(tǒng)未發(fā)生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止端的信號無效，此時脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳6設(shè)定的狀態(tài)完成雙脈沖（引腳6為高電平）或單脈沖（引腳6為低電平）的分配功能，并經(jīng)輸出驅(qū)動電路功率放大后輸出，一旦系統(tǒng)發(fā)生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止信號有效，脈沖分配和驅(qū)動電路內(nèi)部的邏輯電路動作，封鎖脈沖輸出，確保集成電路的6個引腳12，11，10，9，8，7輸出全為低電平。圖4-2TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖（二）TC787的引腳功能1)同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)分別為三相同步輸入電壓連接端，應(yīng)用中分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC788的工作電源電壓VDD。2)脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8(C)、引腳10(B)、引腳12(A)分別為與三相同步電壓正半周對應(yīng)的同相觸發(fā)脈沖輸出端，而引腳7(-B)、引腳9(-A)、引腳11(-C)分別為與三相同步電壓負(fù)半周對應(yīng)的反相觸發(fā)脈沖輸出端。當(dāng)TC788被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時，引腳8為與三相同步電壓中C相正半周及B相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳12為與三相同步電壓中A相正半周及C相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳11為與三相同步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳9為與三相同步電壓中A相同步電壓負(fù)半周及C相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳7為與三相同步電壓中B相電壓負(fù)半周及A相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳10為與三相同步電壓中B相正半周及A相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，應(yīng)用中均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)或脈沖變壓器。3)控制端①引腳5(Pi)為輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC788的輸出，高電平有效，應(yīng)用中接保護電路的輸出。②引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)分別為對應(yīng)三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應(yīng)用中分別通過一個相同容量的電容接地。③引腳6(Pc)為TC788工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平時，TC788輸出雙脈沖；而當(dāng)該端接低電平時，輸出單脈沖。④引腳4(Vr)為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC788輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電壓幅值最大為TC788的工作電源電壓VDD。⑤引腳13(Cx)。該端連接的電容Cx的容量決定著TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。電源端：TC788可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為8~18V。雙電源工作時，引腳3(VSS)接負(fù)電源，其允許施加的電壓幅值為-4~-9V，引腳17(VDD)接正電源，允許施加的電壓為+4~+9V。圖4-3TC787的引腳（三）觸發(fā)電路原理圖圖4-4觸發(fā)電路原理圖4.4驅(qū)動放大電路圖4-5驅(qū)動放大電路第5章保護電路5.1保護電路的意義電力電子裝置受所用器件性能的影響，承受過電壓、過電流的能力比較差(例如電動機、變壓器等，通?？稍趲妆兜念~定電流下工作幾秒鐘或幾分鐘，而在同樣條件下電力電子器件只要0.1秒或更短的時間就已損壞)。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了設(shè)計時合理選擇電力電子器件的電流、電壓容量外，還需采取與一般電工設(shè)備不同的一些保護措施，以防止電力電子器件的過電流、過電壓損壞。5.2過電流保護電路過載電流流過電力電子器件時會使器件溫度迅速上升，如不及時切斷或限制過電流，很快就會使器件因溫度過高而損壞。過載電流越大，器件能承受過電流的時間越短。這里采用快速熔斷器，與電力電子器件直接串聯(lián)?？焖偃蹟嗥鞅仨氃诰чl管損壞以前熔斷，才能起保護作用。普通熔斷器因熔斷時間較長，不能用于電力電子器件的過電流保護?？焖偃蹟嗥饔靡欢ㄐ螤畹你y質(zhì)或鋁質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂，在過電流流過時，其熔斷時間通常在20毫秒以內(nèi)。圖5-1快速熔斷器5.3過電壓保護電路由于交流側(cè)電路在接通或斷開時出現(xiàn)暫態(tài)過程，會產(chǎn)生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級之間存在分布電容，初級高壓經(jīng)電容耦合到次級，出現(xiàn)瞬時過電壓。措施：在三相變壓器次級星形中點與地之間并聯(lián)適當(dāng)電容，就可以顯著減小這種過電壓。與整流器并聯(lián)的其它負(fù)載切斷時，因電源回路電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時，初級拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級感生出很高的瞬時電壓，這種電壓尖峰值可達(dá)工作電壓的6倍以上。交流電網(wǎng)遭雷擊或電網(wǎng)侵入干擾過電壓，即偶發(fā)性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進(jìn)行保護。一般加快速熔斷器進(jìn)行保護，實際上它不能保護可控硅，而是保護變壓器線圈。具體的圖形如圖5-2：5.4濾波電路濾波電容容量大，因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。因此，濾波效果取決于放電時間常數(shù)。電容C愈大，負(fù)載電阻RL愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，并且其平均值愈大。其電路圖如下：圖5-3濾波電路第6章元件參數(shù)計算及選型6.1已知數(shù)據(jù)1） 直流電機：Un=220V，In=8.7A，額定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)；2） 最過載倍數(shù)：λ=26.2參數(shù)計算（1）整流器主電路的設(shè)計Pd=Ud*Id=220*305=67.1kw因為Pd＞5kw，所以采用三相橋式整流電路且?guī)д髯儔浩鳎?）晶閘管的選擇1.電流參數(shù)的選取IT=(1/3，ep

\r(3)1.732)*Id=305/1.732≈176(A)ITa＝IT/1.57≈112(A)取安全裕量Kf=2,則所選晶閘管的電流值為:I=2*ITa=224(A)2.電壓參數(shù)的選取在三相橋式整流電路中,晶閘管所承受的電壓極值為根號6倍U2,其中U2其中變壓器二次側(cè)相電壓有效值.由Ud=2.34U2COSα可得:U2=Ud/2.34COSα其中Ud=300Vα取零度U2min=Ud/2.34COS0=220/2.34≈94V因為U2存在15%的波動所以U2=U2min/0.85=111V所得晶閘管的電壓值為它的根號6倍,即2.45倍2.45*111=272V取安全裕量Kf=2,則晶閘管的電壓值為544V所以晶閘管選kp100-400（3）變壓器的設(shè)計變壓器副邊容量的計算由負(fù)載要求Id＝(Ａ)I2=(1.414/1.732)*Id≈249(A)已知U2=111V有S2=3U2I2=3*111*249≈82.917KVA因為是三相橋式電路,所以S1=S2=82.917KVAI1=U2I2/U1=111*249/380≈72.7(A)n1/n2=U1/U2=380/111≈3.4取I1=73AU1=380VI2=249AU2=111VS=82.917KVA熔斷器選80A.（4）濾波電容選擇C一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取C=2200耐壓1.5Udm=1.5*544=816V取800V即選用2200、800V的電容（5）續(xù)流二極管的選擇根據(jù)得知續(xù)流二極管應(yīng)選500A、額定電壓為500V的二極管第7章總結(jié)經(jīng)過這次設(shè)計，我學(xué)到很多很多的的東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。而且通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理