三相全控桥式晶闸管电动机系统设计

本科生课程设计 三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计 专 业电气工程及其自动化班 级电气2班学 生 姓 名 联 系 方 式年 月课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：题目： 三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计初始条件：1直流电动机额定参数： PN=10KW, UN=220V, IN =50A,nN =1000r/min，电枢电阻Ra=0.5，电流过载倍数1.5，电枢电感LD =7mH，励磁电压UL=220V 励磁电流IL=1.6A，使用三相可控整流电路，电动机负载，工作于电动状态。2. 进线交流电源：三相380V3. 性能指标：直流输出电压0-220V，最大输出电流75A，保证电流连续的最小电流为5A。要求完成的主要任务：1. 三相全控桥式主电路设计（包括整流变压器参数计算，整流元件定额的选择，平波电抗器电感量的计算等）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。2.触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的定相等。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.提供系统电路图纸不少于一张。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2012.4.52012.4.15 收集资料2012.4.162012.5.18 系统设计2012.5.192012.6.1 撰写课程设计论文指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 摘 要整流电路由其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用的最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统以及其他领域。三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路。这次设计主要对三相桥式整流电路进行研究。本设计主要就是针对直流调速装置，利用晶闸管三相全控桥式整流技术，结合集成触发器芯片，组成晶闸管三相全控桥式整流直流电动机调速系统。同时设计出完整的电气原理图，将分别介绍各个模块的构成原理和使用方法。关键词：整流电路；触发电路；三相全控桥式目 录1三相全控桥式主电路设计21.1整流变压器的设计21.1.1整流变压器的设计原理21.1.2整流变压器的参数设定21.1.3变压器次级相电压的计算21.1.4初、次级电流与变压器容量的计算41.1.5变压器参数计算和选择51.2整流电路61.2.1晶闸管简介61.2.2整流器件的定额计算和选择71.2.3三相全控桥式整流电路的特点71.3 平波电抗器的参数及选择81.3.1电抗器的电感81.3.2整流变压器漏电感的计算91.4晶闸管对电网的影响91.5 系统功率因数的讨论102晶闸管保护电路设计112.1晶闸管过压保护电路设计112.1.1交流侧过电压保护122.1.2直流侧的过电压保护132.1.3晶闸管换相过电压的保护142.2晶闸管过流保护电路设计142.3电流上升率、电压上升率153.电动机参数计算164.电枢串联电阻的有级启动电阻值计算175. 仿真参数设置及结果185.1.电源参数设置及相电压波形18 5.2.整流变压器参数设置及波形195.3.变压器二次侧线电压205.5.同步变压器、触发脉冲参数设置及触发电流波形215.6.电动机参数设置、全压启动波形及串电阻有级启动波形226.设计心得247.仿真电路25参考文献26三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计1三相全控桥式主电路设计1.1整流变压器的设计1.1.1整流变压器的设计原理整流变压器就是降压变压器。降到所需电压后再用半导体管整流。变压器和普通变压器的原理相同。变压器是根据电磁感应原理制成的一种变换交流电压的设备。变压器一般有初线和次级两个互相独立绕组，这两个绕组共用一个铁芯。变压器初级绕组接通交流电源，在绕组内流过交变电流产生磁动势，于是在闭合铁芯中就有交变磁通。初、次级绕组切割磁力线，在次级就能感应出相同频率的交流电.变压器的初，次级绕组的匝数比等于电压比。在晶闸管整流装置中，很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流电电压与电网电压往往不能一致，这就需要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管交流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器把晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中，一般都需要设置整流变压器，当且仅当晶闸管交流侧电压和电网电压一致时可以省去。1.1.2整流变压器的参数设定变压器的参数计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择二次电压有效值U2，U2数值的选择不可过高和过低，如果过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大，使功率因素变小；如果过低会得不到负载要求的直流电压的现象。整流变压器额定参数的计算，主要根据主电路的形式，负载的大小，输出直流电压和负载电流，求出整流变压器的次级相电压、次级电流和容量，然后求出初级电流和容量。1.1.3变压器次级相电压的计算整流器主电路有多种接线形式，在理想情况下，输出直流电压Ud与变压器次级相电压U2有以下关系在实际运行中，整流器输出的平均电压还受其它因素影响，主要有：（1）电网电压的波动。一般电网电压的波动允许范围在+5%-10%，考虑电网电压最低的情况，设计中通常取电压波动系数=0.9-1.05。（2）整流元件的正向压降。实际上整流元件要降掉一部分输出电压，设其为UT。由于整流元件和负载是串联的，导通回路中串联元件越多，所以降掉的电压也就越多，设回路原件串联个数为NS，这样降掉的电压为NSUT。（3）直流回路的杂散电阻。设备工作时会产生附加电压降，一般U占额定电压的0.2%0.25%。（4）换相重叠角引起的电压损失。换相重叠角引起的电压降Ud由交流回路的电抗引起，可由整流变压器漏抗表示。变压器漏抗主要和短路电压百分比Uk%有关。不同容量的变压器其短路电压百分比也不一样。Ud可由以下公式计算，对于n相桥式电路，在三相桥式里，也为（5）整流变压器电阻的影响。假定功率因数为1，则交流电压的损失Ua为由其引起的整流输出电压的压降为考虑以上所有因素，整流电压的直流输出电压为次级相电压有效值的计算公式为KX叫做换相电压降系数，对换相压降有影响，它与电路的接线形式有关，当电路为n相桥式整流时，KX为表1-1整流变压器计算系数1.1.4初、次级电流与变压器容量的计算以三相桥式整流电路为例进行分析。大电感负载时，负载电流基本上是直流，因而晶闸管电流为方波，变压器次级电流也为方波，其有效值与负载电流成正比关系。变压器次级电流的波形为正负对称的矩形波，可分解成基波与各次谐波。由于没有直流分量，因此它们都可以通过变压器的磁耦合反映到一次绕组中去。所以，和电流波形相似，其有效值为次级电压以理想情况计算为,所以，变压器次级容量为变压器初级电流为变压器初级容量为可见，当变压器次级电流无直流分量时，次级容量等于初级容量。对于三相全控桥式整流电路来说，=变压器的等效电容为初、次级电容的平均值表1-2各种整流电路变压器容量计算系数整流电路变压器负载性质三相全控桥电阻性负载2.341.221.051.051.05电感性负载2.341.221.051.051.05由表可知，整流变压器的平均容量都大于整流功率Pd，二者之比越接近于1，则该种线路变压器的利用率越高。1.1.5变压器参数计算和选择（1）的选择：直流电动机的额定电压为220，即可知道要使电动机工作在电动状态所需要的额定电压为220，即UD=220。根据给定的直流电动机的参数可求得和的值为为电动机电枢电路总电阻的标么值，为对于电动机额定电流和电压的电阻的标么值。根据所给参数，得。由于是三相全控桥整流电路，Ns=2，整流元件降压UT=1，KUV=2.34，KB=COS， 。为度范围，取。为计算方便，电枢回路铜损耗忽略。将以上所得的参数带入到公式得，因为进线交流电源是三相380V。故本设计可以选择，此电压可以在为度范围内使整流电路输出的直流电压，使电动机达到额定工作状态。（2）容量的计算：根据三相全控桥变压器二次侧电流的有效值的计算公式计算得，。由于变压器采用型连接，则即即可求得， 即综上所述，选择型号为380的变压器。1.2整流电路1.2.1晶闸管简介晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管的开通和关闭和三极管有很大的差别，可以视为一个双稳态器件，只具有两个工作状态即开通和关闭。晶闸管的开通受2个条件约束，阴阳极的正偏压和门极与阴极的正偏压，关断则只需要流过管子的电流小于一定的值，并且维持一定的时间就自然关断。不受门极控制。工作原理相当于两个三极管的等效电路。图1-1 晶闸管的结构与工作原理a)晶闸管双晶体模型 b)工作原理1.2.2整流器件的定额计算和选择本设计采用晶闸管三相全控桥整流电路，根据设计要求可得由此可以的出，经分析知，综上所述，选定额为IT(AV) 50A, UTN800V的晶闸管作为整流器件，可采用KP50系列的晶闸管，其IT(AV) 50A，通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。1.2.3三相全控桥式整流电路的特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同一相器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。 表1-3三相桥式全控整流电路电阻负载a=0时晶闸管工作情况时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。此设计电路需要六个晶闸管，三相桥式晶闸管主电路图如图1-2所示。图1-2 三相桥式晶闸管主电路图1.3 平波电抗器的参数及选择平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。1.3.1电抗器的电感若要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算：式中 交流测电源相电压有效值。要求连续的最小负载电流平均值。与整流主电路形式有关的计算系数，=0.693。对于不同控制角，所需的电感量为本设计中的参数为：，临界值。将以上所述参数代入，可计算出本设计所需的临界电感参数值，即：1.3.2整流变压器漏电感的计算整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算：式中 变压器次级相电压有效值。 晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)。变压器的短路比。100以下的变压器取；1001000的变压器取；与整流主电路形式有关的系数，=3.9。本设计，。将以上所需参数代入式中可计算出漏电感的值，即综上所述，根据直流电动机的电枢电感为，可得使输出电流连续的临界电感量电抗器要选的值应比大，故选的电感作为平波电抗器。1.4晶闸管对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件，导通时认为其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。世界各国所指定的谐波标准大都比较接近。我国由技术监督局与1993年发布了国家标准(GB/T14549-93)电能质量公用电网谐波，并从1994年3月1日起开始实施。1.5 系统功率因数的讨论三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，由于设计时接了平波电抗器，所以负载电感足以使电流连续，则电路的工作情况与感性负载时相似，即可以根据感性负载来讨论功率因数。设交流电抗为零，假设直流电感 为足够大，。此时，电流为正负半周各的方波，三相电流波形相同，且依次相差，其有效值与直流电流的关系为(2.3.3)同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有由式(2.3.4)可得电流基波和各次谐波有效值分别为由此可得以下结论：电流中仅含(为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。可得基波因数为电流基波与电压的相位差仍为，故位移因数仍为功率因数即为2晶闸管保护电路设计晶闸管以其额定电流大、额定电压高、效率高、反应快以及体积小等优点, 作为中频静止逆变电源中主要元件而被选用, 但其缺点是过载能力低。因此, 在晶闸管中频静止逆变电源中, 为了使晶闸管免受大电流、高电压的冲击, 均设置了过流过压保护电路。当晶闸管中频静止电源用于金属熔炼时, 由于负载为时变性元件, 变化大, 情况比较复杂, 若保护不可靠, 速度慢, 故障一旦出现, 晶闸管立即被损坏的现象常有发生。影响了整个设备的性能和使用, 因而保护电路显得尤为重要。2.1晶闸管过压保护电路设计正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为，超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压。这两种过电压都是经常发生和不可避免的。因此，在变流过程中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。抑制暂态过电压的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护3种。2.1.1交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。通常是在变压器次级(元件侧)并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。其电路图如图3-1所示。图3-1 阻容过电压保护电路（一）RC参数的计算公式为电容的耐压电阻的功率为(3.1)式中 变压器每相平均计算容量。 变压器二次相电压有效值。 励磁电流百分数 当几百伏安时=10 当1000伏安时=35。 变压器的短路比，当变压器容量为101000时，=510。 ，当正常工作时电流电压的有效值。（二）RC参数计算变压器每相平均计算容量为（1）电容器的计算取=20。电容器的耐压值为取500。故选择参数为20，500的电容。（2）电阻值计算考虑到所取电容已大于计算值，故电阻可适当取小些。取=3。正常工作时，RC支路始终有交流电流过，过电压总是短暂的，所以可按长期发热来确定电阻的功率。RC支路电流可由式(3.1)确定，即电阻的功率为故选用3，20的电阻。2.1.2直流侧的过电压保护也可以采用阻容电路进行保护，其计算参数同交流侧过电压保护。2.1.3晶闸管换相过电压的保护由于晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的，所以晶闸管的缓冲电路就简化为了晶闸管的换相过电压保护，即采用RC吸收电路即可。其电路图如图3.2所示。图3-2 晶闸管换相过电压保护电路图电容C的选择为取C=0.2，电阻一般取40。2.2晶闸管过流保护电路设计变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面：(1) 外部短路：如直流输出端发生短路。(2) 内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。(3) 可逆系统中产生换流失败和环流过大。(4) 生产机械发生过载或堵转等。晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。因此必须设置过流保护，其目的在于一旦变流电路出现过电流，就把它限制在元件允许的范围内，在晶闸管被损坏前就迅速切断过电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其它元件。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：交流断路器；进线电抗器；灵敏过电流继电器；断路器；电流反馈控制电路；直流快速开关；快速熔断器。可按实际需要选择其中一种或数种。本设计采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器保护方法，其参数的选择为：因工作时电压为380，取。流过快速熔断器的电流的有效值为快速熔断器的额定电流为选取。2.3电流上升率、电压上升率1、电流上升率的限制晶闸管在导通的初瞬，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。此过程需几微秒到几十微秒。若导通时电流上升率太大，会引起门极附近过热，导致PN结击穿使元件损坏。因此必须把限制在最大允许范围内。产生过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护的电容放电造成过大；晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对阻容保护电容进行充电造成过大。通常，限制的措施主要有：1、在晶闸管阳极回路串入电感。2、采用整流式阻容吸收装置。本设计采用的是第一种方法。的计算公式为：式中 交流电压的峰值晶闸管通态电流临界上升率。此设计的，根据所选晶闸管的型号，可以根据相应的工程手册查到晶闸管通态电流临界上升率，将以上参数代入，得取稍微大一些，即取。2、电压上升率的限制处于阻断状态下晶闸管的结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管误导通。从而引起较大稍微浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。因此对也必须予以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。产生过大的原因及其限制措施如下：交流侧产生的对于带有整流变压器和交流侧阻容保护的交流装置，因变压器漏电感和交流侧RC吸收电路组成了滤波环节，使由交流电网入侵的前沿陡、幅值大的过电压有较大衰减，并使作用于晶闸管的正向电压上升率大为减小。在无整流变压器供电的情况下，则应在电源输入端串联在数值上相当于变压器漏感的进线电感，以抑制，同时还可以起到限制短路电流的作用。进线电感近似按下式计算式中 ，交流侧的相电压和相电流。 电源频率。与晶闸管装置容量相等的整流变压器的短路比。本设计的参数值为 晶闸管换相时的由于晶闸管比较小，所以此处可以忽略不考虑。3.电动机参数计算励磁回路电压方程 励磁电阻为 电枢回路电压方程 或 因为 因此 额定负载转矩 4.电枢串联电阻的有级启动电阻值计算取 取 所以m取6重新计算， 5. 仿真参数设置及结果5.1.电源参数设置及相电压波形 5.2.整流变压器参数设置及波形 5.3.变压器二次侧线电压5.4.晶闸管电流波形 5.5.同步变压器、触发脉冲参数设置及触发电流波形5.6.电动机参数设置、全压启动波形及串电阻有级启动波形6.设计心得 电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程，且具有很强的实践性，因此在教学中占据着十分重要的地位，所以这次的电力电子技术课程设计就显得十分重要与需要。刚拿到题目时，觉得还比较简单。可实际操作起来，却发现问题有很多。课本上的知识都是在理想情况下求出的，而且教材为了方便学生的运算，有很多的参数没给出明确的算法，在设计时给我造成了很大的困扰。通过查阅大量资料，得知了实际估算运算公式，逐步将参数计算出来，然后选择合适的型号。通过本次的课程设计，让我对电力电子知识认识和掌握加深了不少，进一步明白了三相桥式全控整流电路的原理。通过对晶闸管的相控，将交流变为直流，从而驱动直流电动机。本次设计涵盖主电路，触发电路和保护电路三方面的设计，系统全面地应用到了所学知识，也提高了我理论能力。而且，通过本次设计我加强了查阅资料的能力，设计能力，与同学相互探讨的能力，能熟练运用WORD， Altium Designer Summer 09，MathType等工具。我也知道了课本的知识是有很大的局限性，只能让带我们入门，对概念有个初步的了解，而真正实际运用中还需要通过我们自己的努力和研究去深入展开。总之，本次电力电子技术的课程设对我是有很大帮助的，同是也让我认识到了电力电子技术的重要。美中不足的是没有做出实物来验证所设计的。7.仿真电路参考文献1张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社，2008.82王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，2007. 73翁瑞琪，袖珍电子工程师手册.机械工业出版社，2003.34刘雨隶，电力电子技术及应用.西安电子科技大学出版社，20065颜世钢，张承慧.电力电子技术问答.机械工业出版社.2007.6本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好（20分）设计说明书文理通顺，工整（10分）设计方案合理，论证充分（20分）设计资料齐全，格式规范（10分）独立完成任务，无原理性错误（20分）答辩（20分）总 分：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日