直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電力電子課程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用《電力電子學(xué)》、《模擬電子技術(shù)》和《電機(jī)學(xué)》所學(xué)知識(shí)分析、解決工程或科研實(shí)際問題的能力。其目的是鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，這對(duì)于工科學(xué)生貫徹工程思想起到十分重要的作用。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過分析任務(wù)書、查閱收集資料，充分發(fā)揮主動(dòng)性與創(chuàng)造性，在老師的指導(dǎo)下聯(lián)系實(shí)際、掌握正確的方法，理清思路，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)，撰寫設(shè)計(jì)說明書，其格式和字?jǐn)?shù)應(yīng)符合規(guī)定。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出實(shí)際可行的電路，并計(jì)算電路中所用元器件的參數(shù)，確定其規(guī)格型號(hào)；課程設(shè)計(jì)說明書要求整潔、完備、內(nèi)容正確、概念清楚、文字通暢，并繪制出相應(yīng)的電路圖，符合規(guī)范。設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求卷紙機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源設(shè)計(jì)A原始數(shù)據(jù)：P=10kW,Uj220V,Ij55A,n=1500r/min,R=0.5Q,Lj3mH,入二1.5。B設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：a） 設(shè)計(jì)整流電路主電路。b） 設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)：U,I,U,I。112 2要求考慮最小控制角a、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、晶閘管管壓降和min變壓器漏抗等因素計(jì)算變壓器二次相電壓值，附主要計(jì)算步驟。c） 整流元件參數(shù)的計(jì)算及選擇：依據(jù)參數(shù)計(jì)算，正確選擇器件型號(hào)，并附主要參數(shù)。d） 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的計(jì)算，同步電壓的選擇。e） 設(shè)計(jì)保護(hù)電路：正確選擇電壓、過流保護(hù)電路，簡要說明選擇依據(jù)；計(jì)算保護(hù)元件參數(shù)并選擇保護(hù)元件型號(hào)。f） 電抗器的參數(shù)設(shè)計(jì)具體的計(jì)算和選擇過程〈一〉.主電路的選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的原始數(shù)據(jù)，直流電機(jī)的功率P=10KW>5KW,屬于較大功率的電機(jī)，同時(shí)此電機(jī)為直流電機(jī)，并且需要叫平穩(wěn)恒定的速度，因此需要驅(qū)動(dòng)電路提供叫平穩(wěn)的電壓和電流，而且在作為電力機(jī)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)其需要較大的調(diào)速范圍，綜合分析以上因素，所以選用驅(qū)動(dòng)功率大，輸出電壓脈動(dòng)較小，而且電壓調(diào)節(jié)范圍較大的三相橋式全控整流電路?！炊?整流變壓器的設(shè)計(jì)及計(jì)算變壓器二次側(cè)相電壓有效值U2的計(jì)算在不考慮最小控制角，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，晶閘管管壓降和變壓器漏感等因素的理想情況時(shí)，直流端輸出電壓Ud為：1.M一U=一j3 矽6Usinwtd(^wt)=2.34Ucos以d兀*+a 2 2I3(a<60)所以U d 2.34cosa然而，當(dāng)考慮到最小控制角，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，晶閘管管壓降和變壓器漏感等因素的理想情況時(shí)，Ud的表達(dá)式應(yīng)該為:U2=K0K1K2K3(Ud+AU^)+AU^K0 系數(shù)，K0=￡34=0.4274K1 電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，一般取K1=1.121 ?與最小導(dǎo)通角a?有關(guān)的系數(shù)K2=---1一為了在額定min負(fù)載下仍然能進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，不能按控制角a.=0。進(jìn)行計(jì)算，一般規(guī)定不可逆a.=10。-15。，此主電路中a.取15。。K3 為考慮其他因素影響的安全系數(shù)，K3取1.1—1.2,當(dāng)橋臂上串聯(lián)的元件數(shù)較多時(shí)，可取大數(shù)值，由于主電路的橋臂上串聯(lián)的元件較少，故取K3=1.1。ud 整流器額定輸出電壓。相當(dāng)于額定電流時(shí)負(fù)載的電壓。AU^ 晶閘管導(dǎo)通時(shí)的管壓降，一般取AU^=1Vo^U 變壓器漏感而產(chǎn)生的壓降，其計(jì)算方法為：AUb。為整流器輸出端的電流，XB為變壓器的漏抗，一般按XB=0.3q。根據(jù)以上分析與公式，將電機(jī)原始數(shù)據(jù)代人以上公式得：U2=K0K1K2K3(Ud+AUb)+AU"= 0.4274x1.12xcos15°x1.1x(220+2+*°，^鄧，)+2 =兀122.926V變壓器二次側(cè)相電流有效值的計(jì)算。因?yàn)檎髌鞯呢?fù)載輸出端串聯(lián)有電抗器，一次變壓器的二次側(cè)電流可視為大小不變的電流，因此其有效值為：標(biāo)準(zhǔn)文案礦廣0.816。因?yàn)镮=I=55A故：I=0.816x55=44.88A2變壓器一次側(cè)相電流有效值的計(jì)算因?yàn)樵冖僦?，已將變壓器二次?cè)相電壓有效值U2計(jì)算出來故可計(jì)算出變壓器的變比K假設(shè)采用的變壓器為△-Y連接，一次側(cè)為△接，二次側(cè)為丫接。K=N=380/122.926=3.0913.3N2I=NI1N21因此，一次側(cè)電流的有效值I=NI=I/k==15A1N2 21綜上所述：變壓器的主要參數(shù)U1U21112k為U1U2I1I2k380V122.926V15A44.88A3〈三〉.晶閘管的選擇額定電流的計(jì)算因?yàn)楸掘?qū)動(dòng)電流的主電路應(yīng)用的是三相橋全控整流電路，因此晶閘管的電流的有效值與直流端的輸出電流的關(guān)系為I疽土Id=0.5771d二31.735因此可求出晶閘管的額定電流I =1t=0.368/=20.213考慮到晶閘管的過載能力差，在選擇晶閘管的額定電流時(shí)，取實(shí)際需要的1.5—2倍，使之有一定的安全裕量，保證晶閘管的可靠運(yùn)行。因此晶閘管的額定電流計(jì)算公式為：、(爵)=(1.5-2)It-=(1.5-2)?0.368七所以在此主電路中晶閘管的額定電流為：I=(1.5-2)x￡=2x0.368I=30.32-40.427AVT(AV) 1.57 d額定電壓的計(jì)算由三相橋全控整流電路的特點(diǎn)得出晶閘管在電路中所可能承受的最大正反向電壓為：U=0Tm 2所以元件正反向重復(fù)峰值電壓必須滿足：UDRM>K^6U2 URRM>K^6U2式中氣考慮電網(wǎng)的波動(dòng)、過壓等的安全因素，一般取氣二2—3。在380V的整流電路中，K取2.2。所以根據(jù)以上晶閘管額定電壓的分析其額定電壓為：UN=氣x而xU2=2.2x*6x122.926=662.433691.3175V晶閘管的選擇極其主要參數(shù)婦(av)=2x1v7=2x0.368Id=40.48AUN=Kb^6XU2=2.2X、6X122.926=662.433V故晶閘管選用KP系列的KP50晶閘管，其主要參數(shù)為額定電流IN50A額定電壓UN100-2400V觸發(fā)電流ITM150mA〈四〉.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì).觸發(fā)電路的選擇:相比于分立元件的觸發(fā)電路，集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術(shù)達(dá)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已經(jīng)逐漸普及，現(xiàn)已逐步取代分立式電路。TC787是為移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計(jì)的單片集成電路。與TCA785及KJ（或KC）系列集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一個(gè)這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ041、1只KJ042或5只KJ系列器件組合才能具有的三相移相功能。另外，TC787分別具有A型和B型器件，使用戶可方便地根據(jù)自己應(yīng)用系統(tǒng)所需要的工作頻率來選擇（工頻時(shí)選A型器件，中頻100?400Hz時(shí)選B型器件）?？紤]到以上因素，所以觸發(fā)設(shè)計(jì)用TC787為基礎(chǔ)的觸發(fā)電路。②.觸發(fā)電路芯片的介紹：VcLLIS1^Vhl2MJ峋Vggl316ICaVr14lAJCcFiL5_TC78714|CbPci&旦&大全 -B|2_u1AC|_8_11i-c ~A19-WS 同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)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TC787的工作電源電壓VDD。脈沖輸出端：TC787被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時(shí)(此實(shí)驗(yàn)中將TC787設(shè)置為全控雙脈沖工作方式)，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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端。應(yīng)用中，均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的控制極。控制端引腳4(Vr):移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787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TC787的工作電源電壓VD(8—18V或土5-±9,)，在此觸發(fā)電路中VD取15V，為單電源工作方式。引腳5(Pi):輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。引腳6(Pc):TC787工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平時(shí)，TC787輸出雙脈沖列；而當(dāng)該端接低電平時(shí)，輸出單脈沖列。引腳13(Cx):該端連接的電容Cx的容量決定著TC787或TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca):對(duì)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。電源端TC787可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時(shí)引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為8?18V。.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)及其參數(shù)的計(jì)算:如觸發(fā)電路的電路圖所示:圖中電容C1?C3為隔直耦合電容，而C4?C6為濾波電容，它與R1-R3構(gòu)成濾去同步電壓中毛刺的環(huán)節(jié)。同時(shí)，RP1-RP3三個(gè)電位器的不同調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)0?60。的移相，它們與cqc共同起到移相的作用，從而適應(yīng)不同變壓器的要求，所以取RP1=RP=RP3=20KC1=C2=C3=10rFC4=C5=C6=1rF在TC787的同步電壓輸入端支路中，兩個(gè)R起穩(wěn)定電壓的作用，同時(shí)不可以有太大的電流：故取R=20k此時(shí)通過其電流為 I=金=0.375mA2R電流足夠小，故不會(huì)影響總電路的電壓電流。因?yàn)樵谕叫盘?hào)為50HZ時(shí)，電容C,C」C采用0.15|1F電容時(shí)，相對(duì)誤差小于5%,以鋸齒波線性好，幅度大，不平頂。所以去 C=*=C=0.15rF電容C決定調(diào)制脈沖或輸出方波的寬度，用0.01rF的電容，X脈沖寬度為1mS.其脈沖寬度為比較良好的脈沖寬度，故C取0.01rFC=0.01rF同步電壓的選擇：由上述TC787的介紹中TC787被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時(shí)，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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端等說明中可知，TC787輸入的主電路的電壓土"，土"，土"與同步電壓土u土u土u之間的相位關(guān)abc sasbsc系是可調(diào)的，調(diào)節(jié)RP,RP,RP的大小就可以調(diào)節(jié)其相位關(guān)系，1 2 3以便于適應(yīng)各種組別變壓器的使用。在此觸發(fā)電路同步電壓選擇時(shí)，將調(diào)節(jié)RP,RP,RP取消其對(duì)主1 2 3電路電壓的移相最用，即+u與+u的相位是同相的。由此可得出同步變壓器的矢量圖如下：由矢量圖可知，觸發(fā)電路的變壓器的組別與主電路的變壓器的組別是相同的，即觸發(fā)電路變壓器的組別與主電路變壓器的組別相同，假設(shè)在此主電路中所用的變壓器組別為D,y-11，則觸發(fā)電路變壓器的組別為D,y-11,5。而且當(dāng)觸發(fā)電路受外界干擾使各相同步電壓不同步時(shí)，可以調(diào)節(jié)RP,RP,RP調(diào)節(jié)相位關(guān)系從而使同步電壓保持同步。1 2 3〈五〉.設(shè)計(jì)保護(hù)電路電力電子器件以及主電路的保護(hù)大致分為兩種：過流保護(hù)和過壓保護(hù)。1.過流保護(hù)①過流保護(hù)電路的選擇標(biāo)準(zhǔn)文案電力電子電路運(yùn)行不正常或發(fā)生故障時(shí)，可能發(fā)生過電流，其中采用快速熔斷器是一種是一種常用的措施，其快速性與有效性都可以滿足對(duì)電子線路保護(hù)的要求。快速熔斷器的保護(hù)方式可以分為全保護(hù)和短路保護(hù)。全保護(hù)是指不論過載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)。此方式只適用于小功率裝置或器件裕量較大的場合。短路保護(hù)方式是指只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)的作用。為了安全可靠的保護(hù)電子線路，故此過流保護(hù)電路選擇全保護(hù)方式。其電路圖如下：ABCABC快熔式保護(hù)過流電路②過流保護(hù)電流參數(shù)的計(jì)算除了與普通熔斷器一樣要考慮熔斷器電壓必須大于線路工作電壓、爆斷器的電流等級(jí)應(yīng)大于或等于內(nèi)部焙體的額定電流外，還需特別注意熔體的額定電流ID是有效值，而晶閘管的額定電流It(^^)是正弦半波的平均值，其有效值為1.57。(^^)，通常熔體的額定電流以下式選?。篖571T(AV)>1/1T為了保證可靠與方便起見，可取ID=0（郡）所以保護(hù)電路中的快熔額定電流I=I=40.48A????根據(jù)以上參數(shù)，可選熔斷體的型號(hào)為：RS062.過壓保護(hù)①過壓保護(hù)電路的選擇壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值"UN"時(shí)，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過UN時(shí)，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。在其閥門打開后，相當(dāng)與負(fù)載短路，電流瞬間增大，由于過流電路的保護(hù)，在其電流增大的瞬間會(huì)使快熔熔斷從而使電流得到保護(hù)。其保護(hù)特點(diǎn)可以滿足主電路的要求，并且其結(jié)構(gòu)簡單，時(shí)效性強(qiáng)。因此此過壓保護(hù)電路選用壓敏電阻保護(hù)電路。其原理圖如下：整流電路整流電路壓敏電阻電壓保護(hù)電路②過壓保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算

壓敏電阻的選用主要考慮額定電壓和通流容量。額定電壓U1A的下限是線路工作電壓的峰值，考慮到電網(wǎng)電熨斗額波動(dòng)以及多次承受沖擊電流以后U1A的數(shù)值肯會(huì)下降，因此的電壓的取值應(yīng)適當(dāng)加大，通常建議以30%的裕量計(jì)算，即U1A>1.^/2U=1.3/2X焰U2式中u——壓敏電阻兩端正常工作電壓的有效值，即最大連續(xù)電壓。壓敏電壓：U1A>1.3x抵x據(jù)x122.926V=391.438V最大連續(xù)電壓：U二兵xU2=222.19V流通容量的選擇原則是壓敏電阻允許通過的最大電流應(yīng)大于泄放浪涌電壓時(shí)流過壓敏電阻的實(shí)際浪涌峰值電流。實(shí)際浪涌電流很難計(jì)算，一般情況在變壓器容量大、距外線路近且缺少避雷器的場合應(yīng)選用流通容量較大的壓敏電阻。通過以上分析，壓敏電阻的主要參數(shù)為：壓敏電壓：U1A=391.438V最大連續(xù)電壓：U二積xU=212.914V所以選擇壓敏電阻的型號(hào)為：MYG-05D431K？？？？？〈六〉.電抗器的選擇整流電路中的電感按作用可分為濾波和限制環(huán)流構(gòu)大類。這里主要是考慮用于濾波的電感量的計(jì)算。整流器輸出回路串入電感的作用主要是平滑濾波、維持電流連續(xù)、抑制諧波分量和限制短路電流。對(duì)于三相橋式全控整流電路電路中總的電感是：Ld>0.693U 2 Ld>0.693式中，常數(shù)0.693與整流電路的形式和電源頻率有關(guān)，對(duì)于三相

橋式電流為0.639,(0.05—0.1)x]d是所