直流電機無極調(diào)速系統(tǒng)課程設計

1、<p>　　電力電子工程設計報告</p><p>　　題 目： 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) </p><p>　　學 院： </p><p>　　班 級： </p><p>　　姓

2、 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導老師： </p><p><b>　　目錄</b></p><p&

3、gt;　　第1章 前言- 2 -</p><p>　　第2章 原理框圖及電路設計- 3 -</p><p>　　2.1 原理框圖- 3 -</p><p>　　2.2 系統(tǒng)電路設計- 4 -</p><p>　　第3章 整流電路- 6 -</p><p>　　3.1 三相橋式全控整流電路原理- 6 -

4、</p><p>　　3.2 三相橋式全控整流電路圖- 8 -</p><p>　　3.3 整流變壓器電路- 8 -</p><p>　　第4章 控制電路- 9 -</p><p>　　4.1 電路結構- 9 -</p><p>　　4.2 ASR調(diào)節(jié)器電路- 9 -</p><p>

5、;　　4.3 觸發(fā)電路- 10 -</p><p>　　4.4 驅動放大電路- 14 -</p><p>　　第5章 保護電路- 15 -</p><p>　　5.1 保護電路的意義- 15 -</p><p>　　5.2 過電流保護電路- 15 -</p><p>　　5.3過電壓保護電路- 16 -&l

6、t;/p><p>　　5.4 濾波電路- 16 -</p><p>　　第6章 元件參數(shù)計算及選型- 18 -</p><p>　　6.1 已知數(shù)據(jù)- 18 -</p><p>　　6.2 參數(shù)計算- 18 -</p><p>　　第7章 總結- 20 -</p><p><b&g

7、t;　　附錄- 21 -</b></p><p>　　元件清單- 22 -</p><p><b>　　第1章 前言</b></p><p>　　電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據(jù)器件的特點和電能轉換的要求，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)應用對象的不同，組成了各種用

8、途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統(tǒng)。</p><p>　　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、結構復雜、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。</p><p>　　此次工程設計的題目是

9、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，主電路設計，控制電路設計，保護電路設計，元件參數(shù)計算和PCB板圖繪制等。</p><p>　　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

10、整流電路觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊構成，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速。</p><p>　　我們團隊在完成這次設計任務中，分工合作，共同努力解決難題，從中既學到了很多專業(yè)知識，又明白了團隊分工合作的重要性。這次工程設計對我們能力有很大的提升，感謝指導老師對我們提供的幫助。</p><p>　　第2章

11、原理框圖及電路設計</p><p><b>　　2.1 原理框圖</b></p><p><b>　　</b></p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)電路設計</p><p>　　主電路主要包括：電網(wǎng)輸入，變壓器，過電壓保護，過電流保

12、護，三相橋式全控整流電路，以及負載部分（如電動機）；控制電路主要包括：ASR調(diào)節(jié)電路、觸發(fā)電路、驅動放大電路。通過各個部分的有機結合在一起，就構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成，它的作用是放大給定信號與反饋信號之差轉化為觸發(fā)電路的移相控制信號。 觸發(fā)電路為TC787集成觸發(fā)器；驅動放大電路由三極管、二極管以及變壓器組成；保護電

13、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行電流保護。</p><p>　　圖 2-2 系統(tǒng)電氣原理圖</p><p>　　圖 2-2 系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　第3章 整流電路</b></p><p>　　3.1 三相橋式全控整流電路原理</p><

14、p>　　整流方式多種多樣，但目前在各種整流電路中應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來對負載進行控制。整流電路在接入電網(wǎng)時由于變壓器一次側電壓為380V，一般都大于負載的額定電壓，所以選用降壓變壓器，為得到零線，變壓器二次側必須接成星型，而一次側接

15、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。</p><p>　　三相橋式整流電路帶阻感負載運行時，當觸發(fā)角小于60度時，其波形與帶電阻負載相同，波形如圖：</p><p>　　圖 3-1 觸發(fā)角為0度時的波形圖</p><p>　　圖 3-2 觸發(fā)角為30度時的波形圖</p><p>　　當觸發(fā)角大于60度時，阻感負載

16、時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。圖2-4給出了α=90度時的波形。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90度。</p><p>　　圖 3-2 觸發(fā)角為90度時的波形圖</p><p>　　3.2 三相橋式全控整流

17、電路圖</p><p>　　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)出的脈沖依次導通。</p><p>　　圖3-3 三相全控橋整流電路</p><p>　　3.3 整流變壓器電路</p><p>　　為保證供

18、電質量，應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，應采用△/Y接法。下圖為整流變壓器電路。</p><p>　　圖3-4 三相全控橋整流電路</p><p><b>　　第4章 控制電路</b></p><p><b>　　4.1 電路結構</b></p><p>　　控

19、制電路主要包括：ASR調(diào)節(jié)電路、觸發(fā)電路、驅動放大電路。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。驅動放大電路的

20、主要功能是把觸發(fā)電路發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號進行放大，最終驅動晶閘管的的導通和關斷，最終實現(xiàn)對整個主電路的控制。這就是控制電路。</p><p>　　4.2 ASR調(diào)節(jié)器電路</p><p>　　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)

21、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。</p><p>　　圖4-1 ASR調(diào)節(jié)器電路</p><p><b>　　4.3 觸發(fā)電路</b></p>&l

22、t;p>　?。ㄒ唬?TC787的內(nèi)部結構</p><p>　　TC787的內(nèi)部結構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

23、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且與移相電壓大小適應的脈沖信號送到脈沖分配及驅動電路。假設系統(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，

24、此時脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳6設定的狀態(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</p><p>　　圖 4-2 TC787的內(nèi)部結構及工作原理框圖</p><p>　?。ǘ?TC787的引腳功能</p><p>　　1) 同步電壓輸

25、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，同步電壓的峰值應不超過TC788的工作電源電壓VDD。</p><p>　　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半周對應的

26、反相觸發(fā)脈沖輸出端。當TC788被設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相負半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳12為與三相同步電壓中A相正半周及C相負半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳11為與三相同步電壓中C相負半周及B相正半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳9為與三相同步電壓中A相同步電壓負半周及C相電壓正半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳7為與三相同步電壓中B相電壓負半周及A相電壓正半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳10為與

27、三相同步電壓中B相正半周及A相負半周對應的兩個脈沖輸出端，應用中均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)或脈沖變壓器。</p><p><b>　　3) 控制端</b></p><p>　?、?引腳5(Pi)為輸出脈沖禁止端。該端用來進行故障狀態(tài)下封鎖TC788的輸出，高電平有效，應用中接保護電路的輸出。 ②引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)分別為對應三相同步電壓的鋸齒

28、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，應用中分別通過一個相同容量的電容接地。</p><p>　?、?引腳6(Pc)為TC788工作方式設置端。當該端接高電平時， TC788輸出雙脈沖；而當該端接低電平時，輸出單脈沖。</p><p>　?、?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，應用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電

29、壓幅值最大為TC788的工作電源電壓VDD。</p><p>　?、?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。</p><p>　　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)接負電源，其允許施加的電壓幅值為

30、-4~-9V，引腳17(VDD)接正電源，允許施加的電壓為+4~+9V。</p><p>　　圖4-3 TC787的引腳</p><p>　?。ㄈ?觸發(fā)電路原理圖</p><p>　　圖4-4 觸發(fā)電路原理圖</p><p>　　4.4 驅動放大電路</p><p>　　圖 4-5 驅動放大電路</p>

31、<p><b>　　第5章 保護電路</b></p><p>　　5.1 保護電路的意義</p><p>　　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，除了設計時合理選擇電力

32、電子器件的電流、電壓容量外，還需采取與一般電工設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。</p><p>　　5.2 過電流保護電路</p><p>　　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)。快速熔斷器必須在晶閘管損

33、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質或鋁質熔絲，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)。</p><p>　　圖 5-1 快速熔斷器</p><p>　　5.3過電壓保護電路</p><p>　　由于交流側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

34、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)的其它負載切斷時，因電源回路電感產(chǎn)生感應電勢的過電壓。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行保護。一般加快速熔

35、斷器進行保護，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：</p><p><b>　　5.4 濾波電路</b></p><p>　　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，負載電阻RL愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，

36、并且其平均值愈大。其電路圖如下：</p><p>　　圖 5-3 濾波電路</p><p>　　第6章 元件參數(shù)計算及選型</p><p><b>　　6.1 已知數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1）直流電機：Un=220V，In=8.7A，額定轉速為1500轉；</p><p>　　2）最

37、過載倍數(shù)：λ=2</p><p><b>　　6.2 參數(shù)計算</b></p><p>　?。?） 整流器主電路的設計</p><p>　　Pd=Ud*Id=220*305=67.1kw</p><p>　　因為Pd＞5kw，所以采用三相橋式整流電路且?guī)д髯儔浩?lt;/p><p>　?。?） 晶閘

38、管的選擇</p><p>　　1. 電流參數(shù)的選取</p><p>　　IT=(1/1.732)*Id=305/1.732≈176(A)</p><p>　　ITa＝IT/1.57≈112(A)</p><p>　　取安全裕量Kf=2,則所選晶閘管的電流值為:I=2*ITa=224(A)</p><p>　　2. 電壓

39、參數(shù)的選取</p><p>　　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其中變壓器二次側相電壓有效值.</p><p>　　由Ud=2.34U2COSα可得:</p><p>　　U2=Ud/2.34COSα 其中 Ud=300V α取零度U2min=Ud/2.34COS0=220/2.34≈94V</p><p&

40、gt;　　因為U2存在15%的波動</p><p>　　所以U2=U2min/0.85=111V</p><p>　　所得晶閘管的電壓值為它的根號6倍 ,即2.45倍</p><p>　　2.45*111=272V</p><p>　　取安全裕量Kf=2,則晶閘管的電壓值為544V</p><p>　　所以晶閘管選kp

41、100-400</p><p>　　（3） 變壓器的設計</p><p>　　變壓器副邊容量的計算</p><p>　　由負載要求Id＝(Ａ)</p><p>　　I2=(1.414/1.732)*Id≈249(A)</p><p><b>　　已知U2=111V</b></p>&

42、lt;p>　　有S2=3U2I2=3*111*249≈82.917KVA</p><p>　　因為是三相橋式電路,所以S1=S2=82.917KVA</p><p>　　I1=U2I2/U1=111*249/380≈72.7(A)</p><p>　　n1/n2= U1/U2=380/111≈3.4</p><p>　　取I1=73A

43、U1=380V I2=249A U2=111V S=82.917KVA</p><p><b>　　熔斷器選80A.</b></p><p>　?。?） 濾波電容選擇</p><p>　　C一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴格計算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取C=2200</p><

44、;p>　　耐壓 1.5Udm=1.5*544=816V 取800V</p><p>　　即選用2200、800V的電容</p><p>　?。?） 續(xù)流二極管的選擇</p><p><b>　　根據(jù) </b></p><p>　　得知 續(xù)流二極管應選500A、額定電壓為500V的二極管</p&g

45、t;<p><b>　　第7章 總結</b></p><p>　　經(jīng)過這次設計，我學到很多很多的的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。而且通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正的學到知識，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。

46、</p><p>　　直流電機整流電路在生產(chǎn)生活中運用很多，本次設計的目的是實現(xiàn)的是一種可控整流，是把交流電變成大小可調(diào)的直流電的過程，它是變流技術的基礎。本次團隊工作，整流電路是擺在我們面前的第一個任務，其次，晶閘管的參數(shù)，變壓器的容量，過電壓保護的電阻和電容參數(shù)等等。在參數(shù)確定后就根據(jù)參數(shù)選用型號。最后，把選取的各型號器件案總體設計方案連接起來組成電路。當然，我們設計的電路有很多理想化的環(huán)節(jié)，很多只是停留在理

47、論的分析上，也通過少時的模擬實驗。</p><p>　　在這次課程設計中，我不僅在專業(yè)課題上有了更多的認識，同時，我體會到了實踐操作和理論相結合的重要性，我學到了，團隊分工合作能產(chǎn)生更大的效率。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，也是對自己能力的一種提高，學習是一個長期積累的過程。更培養(yǎng)了獨立思考和設計的能力，在以后的工作和生活中都應該不斷的學習，努力提高自己的知識和綜合素質，并將理論與實際相結合。 <

48、/p><p>　　最后，感謝學校和老師給我們提供的良好平臺，也感謝老師的寶貴意見，通過這次課程設計，我收獲很大。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1．石玉 栗書賢．電力電子技術題例與電路設計指導．機械工業(yè)出版社，1998 <

49、;/p><p>　　2．王兆安 黃?。娏﹄娮蛹夹g（第4版）．機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　3．浣喜明 姚為正．電力電子技術．高等教育出版社，2000</p><p>　　4．莫正康．電力電子技術應用（第3版）．機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　5．鄭瓊林．耿學文．電力電子電路精選．機械工業(yè)出版社，1996</p

50、><p>　　6．劉定建朱丹霞．實用晶閘管電路大全．機械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　7．劉祖潤 胡俊達．畢業(yè)設計指導．機械工業(yè)出版社，1995</p><p>　　8．劉星平．電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng)．校內(nèi)，1999</p><p>　　9．李曉秀 沈細群 胡彗．自動控制原理實驗指導．校內(nèi)，2005年9月</p>