卷纸机不可逆调速系统的可控直流电源设计

一. 设计的目的本课程设计是电气工程及其自动化专业重要的实践教学环 节之一。本课程设计的任务是培养学生综合运用电力电子学、 模拟电子技术和电机学所学知识分析、解决工程或科研 实际问题的能力。其目的是巩固学生所学知识的同时，提高学生 的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作 用。二. 设计的任务及要求卷纸机不可逆调速系统的可控直流电源设计A原始数据：P=7.5kW, U d=220V, I d=40.8A, n=1480r/min, R =0.25Q，ededaLM=14mH，入=L5。B设计内容及要求：a）设计整流电路主电路。b）设计变压器参数：U, I, U2, 12。要求考虑最小控制角a .、电网电压波动、晶闸管管压降和 min变压器漏抗等因素计算变压器二次相电压值，附主要计算步骤。 C）整流元件参数的计算及选择：依据参数计算，正确选择器件 型号，并附主要参数。d）触发电路设计及主要参数的计算，同步电压的选择。e）设计保护电路：正确选择电压、过流保护电路，简要说明选 择依据；计算保护元件参数并选择保护元件型号。f）电抗器的参数设计三. 具体的计算和选择过程一.主电路的选择根据实验要求的原始数据，直流电机的功率P = 7.5KW 5KW , 属于较大功率的电机，同时此电机为直流电机，并且需要较平稳第1页恒定的速度，因此需要驱动电路提供较平稳的电压和电流，而且 作为卷纸机的驱动电机，其需要较大的调速范围，综合分析以上 因素，所以选用驱动功率大，输出电压脉动较小，而且电压调节 范围较大的三相桥式全控整流电路。二.整流变压器的设计及计算 U是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。选2择过高，又会造成延迟角a加大，功率因数变坏，整流元件 的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即Ud maxAe (cos amin+ nU-cu 厂) sh I2 N式中U 整流电路输出电压最大值;d maxnU主电路电流回路n个晶闸管正向压降；TC线路连接方式系数，三相全控桥的取0.5；U变压器的短路比，对10 100kVA变压器，shU =0.050.1；shI I变压器二次实际工作电流与额定电流之比，应取最22 N大值。在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便，即式中A理想情况下，a = 0时整流电压U与二次电压U之do2比，即A二U U，三相全控桥的为2.34。do 2 变压器二次侧相电流有效值的计算。因为整流器的负载输出端串联有电抗器，一次变压器的二次侧电流可视为大小不变的电流，因此其有效值为:I 二 （12 X -兀+匚 12）x -兀）=2/ 二 0.81612、2 兀d 3d 33 dd因为 I = I = 40.8 Aedd故：I = 0.816 x 40.8 = 33.29A2 变压器一次侧相电流有效值的计算因为在中，已将变压器二次侧相电压有效值U 2计算出来 故可计算出变压器的变比K假设采用的变压器为A -Y连接，一次侧为A接，二次侧为Y接。K= N =380/ 128.286二 2.9621 3 N2I = 2 I1 N 21因此，一次侧电流的有效值I二21 =KI =99.8700iooa1 N 221综上所述：变压器的主要参数u U I I k为12 12U1U2I1I2k380V128.286V100A33.29A3三晶闸管的选择 额定电流的计算因为本驱动电流的主电路应用的是三相桥全控整流电路，因此 晶闸管的电流的有效值与直流端的输出电流的关系为二丄 I 二 0.57713 dd因此可求出晶闸管的额定电流VT (AV)侖=0.368-考虑到晶闸管的过载能力差，在选择晶闸管的额定电流时，取实 际需要的1.52倍，使之有一定的安全裕量，保证晶闸管的可 靠运行。因此晶闸管的额定电流计算公式为：I = (1.5 - 2) J = (1.5 - 2) - 0.3681VT (AV)d所以在此主电路中晶闸管的额定电流为：I = (1.5 - 2) x 倬=2 x 0.3681 = 22.52 - 30.03A VT (AV)1.57d 额定电压的计算由三相桥全控整流电路的特点得出晶闸管在电路中所可能承受 的最大正反向电压为：u =J6uTm2所以元件正反向重复峰值电压必须满足：U K K V 6UDRMb2RRMb2式中K考虑电网的波动、过压等的安全因素，一般取K = 2bb3。在380V的整流电路中，K取2.2。b所以根据以上晶闸管额定电压的分析其额定电压为：U = K X、石 x U = 2.2 x 語 x 128.286 = 691.3175VNb2 晶闸管的选择极其主要参数额定电UN50A额定电压IN100-2400V触发电流ITM150mA故晶闸管选用KP系列的KP50晶闸管，其主要参数为考虑到以上因素，所以触发设计 用TC787为基础的触发电路。触发电路芯片的介绍:Vc 1 1IS 1Vhl 2Vggl 316ICaVrl 415CcPi 1 5TC787incbPers-第5页13JCz-b rr胃| aC | s11 l-C-A | 910 1 B=2 Xv = 2 x 0.3681 = 30.03AVT (AV)1.57dU = K “6 X U = 2.2 心6 X 128.286 = 691.3175VNb2四.触发电路的设计触发电路的选择:相比于分立元件的触发电路，集成电路可靠性高，技术性能好， 体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术达的提高， 晶闸管触发电路的集成化已经逐渐普及，现已逐步取代分立式电 路。TC787是为移相触发集成电路而设计的单片集成电路。与 TCA785及KJ（或KC）系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、 输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点， 而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成 3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ系列器件组合 才能具有的三相移相功能。另外，TC787分别具有A型和B型器 件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择 （工频时选A型器件，中频100400Hz时选B型器件）。 同步电压输入端：引脚l(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va )为 三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步 电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。(2) 脉冲输出端：TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时(此 实验中将TC787设置为全控双脉冲 工作方式)，引脚8为与三相 同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引 脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个 脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正 半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同 步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7 为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两 个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相 负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节 的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。(3) 控制端引脚4(Vr):移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直 接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压(818V或土5-9卩),在此触发电路中v 取15V,为单电源工作方式。DD 引脚5(Pi):输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，咼电平有效，应用中，接保护电路的输出。 引脚6(Pc) ：TC787工作方式设置端。当该端接咼电平时,TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。 引脚13(Cx):该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788 输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。 引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca):对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波 的斜率和幅值。(4)电源端TC787可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS) 接地,而引脚17(VDD)允许施加的电压为818V。双电源工作时， 引脚3(VSS)接负电源，其允许施加的电压幅值为-4-9V,引脚 17(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4+9V。触发电路的设计及其参数的计算：如触发电路的电路图所示：图中电容C1C3为隔直耦合电容， 而C4C6为滤波电容，它与R1-R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。同时，RP1-RP3三个电位器的不同调节，可实现060第7页的移相，它们与C C C共同起到移相的作用，从而适应不同变a, b, c压器的要求,所以取RP 二 RP 二 RP 二 20 K123C 二 C 二 C 二 10 R F123C 二 C 二 C 二 1r F456在TC787的同步电压输入端支路中，两个R起稳定电压的作用， 同时不可以有太大的电流：故取R = 20k此时通过其电流为I dd = 0.375mA2 R电流足够小，故不会影响总电路的电压电流。因为在同步信号为50HZ时，电容C ,C，C采用0.15“F电容abc时，相对误差小于5%,以锯齿波线性好，幅度大，不平顶。所以去C C C 0.15rFabc电容C决定调制脉冲或输出方波的宽度，用0.01 RF的电容，脉x冲宽度为1mS.其脉冲宽度为比较良好的脉冲宽度，故C取0.01 RFxC =0.01 rFx同步电压的选择：由上述TC787的介绍中TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式 时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端； 引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两 个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相 正半周对应的两个脉冲输出端等说明中可知，TC787输入的主电第8页U ABUUa ab!UsabUsa路的电压土 u，土u，土u与同步电压土 u 土 u 土 u 之间的相位关abcsasbsc系是可调的，调节RP , RP , RP的大小就可以调节其相位关系，123以便于适应各种组别变压器的使用。在此触发电路同步电压选择时，将调节RP ,RP ,RP取消其对主123电路电压的移相最用，即+ u与+ u的相位是同相的。由此可得asa出同步变压器的矢量图如下：由矢量图可知，触发电路的变压器的组别与主电路的变压器的组 别是相同的，即触发电路变压器的组别与主电路变压器的组别相 同，假设在此主电路中所用的变压器组别为D,y -11 ,则触发电 路变压器的组别为D,y -11,5。而且当触发电路受外界干扰使各相同步电压不同步时，可以调节RP ,RP ,RP调节相位关系从而使同步电压保持同步。123五.设计保护电路电力电子器件以及主电路的保护大致分为两种：过流保护和过压 保护。1.过流保护过流保护电路的选择第9页电力电子电路运行不正常或发生故障时，可能发生过电流，其中 采用快速熔断器是一种是一种常用的措施，其快速性与有效性都 可以满足对电子线路保护的要求。快速熔断器的保护方式可以分为全保护和短路保护。全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护。此方式只适用 于小功率装置或器件裕量较大的场合。短路保护方式是指只在短路电流较大的区域起保护的作用。 为了安全可靠的保护电子线路，故此过流保护电路选择全保护方 式。其电路图如下：快熔式保护过流电路过流保护电流参数的计算除了与普通熔断器一样要考虑熔断器电压必须大于线路工作电 压、熔断器的电流等级应大于或等于内部焙体的额定电流外，还 需特别注意熔体的额定电流I是有效值，而晶闸管的额定电流RDI是正弦半波的平均值，其有效值为1.57，通常熔体的T(AV)T (AV)额定电流以下式选取：1.571 I IT( AV)RD T为了保证可靠与方便起见，可取I二IRDT (AV)所以保护电路中的快熔额定电流I二I二30.03ARDT (AV)根据以上参数，可选熔断体的型号为：RS062.过压保护过压保护电路的选择压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值 UN时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电 压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用 这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电 路免受过电压的损害。在其阀门打开后，相当与负载短路， 电流瞬间增大，由于过流电路的保护，在其电流增大的瞬间 会使快熔熔断从而使电流得到保护。其保护特点可以满足主 电路的要求，并且其结构简单，时效性强。因此此过压保护 电路选用压敏电阻保护电路。其原理图如下：整涼电路压敏电阻电压保护电路过压保护电路的参数计算压敏电阻的选用主要考虑额定电压和通流容量。额定电压u 的1mA下限是线路工作电压的峰值，考虑到电网电熨斗额波动以及多次承受冲击电流以后U 的数值肯会下降，因此的电压的取值应适1mA当加大，通常建议以30%的裕量计算，即U 1.3 迈U = 1.3/2 x1mA2式中U 压敏电阻两端正常工作电压的有效值，即最大连续电 压。压敏电压：U 1.3 x 迈x 128.2860V=408.51V1mA最大连续电压：U = J3 x U二222.19V2流通容量的选择原则是压敏电阻允许通过的最大电流应大于泄 放浪涌电压时流过压敏电阻的实际浪涌峰值电流。实际浪涌电 流很难计算，一般情况在变压器容量大、距外线路近且缺少避雷 器的场合应选用流通容量较大的压敏电阻。通过以上分析，压敏电阻的主要参数为：压敏电压：U = 408.51V1mA最大连续电压：U = J3 x U二222.19V2所以选择压敏电阻的型号为：MYG-05D431K六.电抗器的选择整流电路中的电感按作用可分为滤波和限制环流构大类。这里 主要是考虑用于滤波的电感量的计算。整流器输出回路串入电感 的作用主要是平滑滤波、维持电流连续、抑制谐波分量和限制短 路电流。对于二相桥式全控整流电路电路中总的电感是：UL 0.6932d(0.05 - 0.1)Ied式中，常数0.693与整流电路的形式和电源频率有关，对于二相 桥式电流为0.639，(0.050.1) xI是所要求的最小临界ed电流I 。d min第12页根据以上的分析和公式推导可得出：128.286L 0.693 x= 43.57mHd0.05 x 40.8以上得出的Ld中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电 抗器的电感，冋时，对于三相桥式整流电路，因变压器两串联导 电，所以L应该以2L带入。 因此最终的出的平波电抗器的BB电感为L为L 二 L - 2 L - LdBDLB 变压器的漏感LD 电动机的电枢电感故 L = 43.57 - 2 x 1 14 二 27.57mH四. 总结：通过几天的查询资料，思考计算，以及书写课程设计，完成了电 力电子课程设计报告，在这其中我觉得收获的不仅是这份课程设 计报告，在书写的过程中，我遇到了许多理想情况下不会出现的 问题，比如电网波动和最小导通角对整流电路输出电压的影响， 平波电抗器的实际的计算，这些工程上的思想都是我们平时在书 本的题目中很少见到的，了解这些工程上的思想有利于我们以后 对于这门课程的应用。同时，在书写课程设计的过程中，以使我 学会了怎么迅速的从网上图书馆查找相关资料，怎么用word和 其中的公示编译器进行课程设计的书写。总之，在完成这份课程 设计报告的同时，我学会了很多与电力电子这门课程相关的知 识，也锻炼了许多需要的能力。五. 参考文献1 王兆安，黄俊主编电力电子技术（第4版）北京:机械工业 出版社，20042 莫正康 半导体变流技术（第一版）机械工业出版社，19973 刘志刚叶斌梁晖电力电子学清华大学出版社北京交通第13页大学出版社20044 赵光林常用电子元器件识别/检测/选用读通电子工业 出版社20075 张宪 王春娴 电子元器件的选用与检测问答 化学工学出版 社 2006第14页