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电力电子课程设计书 ——晶闸管直流调速系统设计 * ***** 班 级：机电二班 学 号： 指导教师：*** *********** 2012-7-3 一、设计意义及目的 通过课程设计是学生对本课程所学内容加深理解让学生熟悉工程设计的过程、规范和方法术手册和标准培养学生工程设计能力。 另一方面 能正确查阅技术资料、技二、设计技术数据及要求 1. 直流电动机额定数据 2. 主电路中晶闸管要有过电压、过电流及抑制其正向电压上升率、 正向电流上升率的保护电路。 3.选择合适的晶闸管触发电路。 三、设计内容 1.系统调速方案的确定。 2.主电路的选择与计算 a.整流变压器次级电压的计算量的计算 b.电枢整流桥路中晶闸管额定电压和额定电流的计算,以及晶闸管 型号的确定。 C. 电枢电感M L的计算整流变压器漏电感BL的计算。 整流变压器次级电流及变压器容 3.主电路中各种保护电路的选用及元件参数计算。 摘要 直流电动机具有良好的起、制动性能宜于在大范围内平滑调速在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后生产出成套的晶闸管整流装置组成晶闸管—电动机调速系统晶闸管整简称V-M系统和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高也显示出较大的优越性。 本文首先明确了设计的任务和要求而且在技术性能上在了解了转速电流双闭环直流调速系统的调速原理后依次对晶闸管相控整流调速系统的主电路保护电路检测电路和触发电路进行了设计并且计算了相关参数。 最后给出了这次设计的心得体会参考文献和系统的电气总图。 目 录 设计任务及要求 摘要 第一章 晶闸管直流调速系统概述 第一节 直流调速系统的组成 第二节 双闭环直流调速系统的静特性 第二章 系统主电路原理分析 第一节 晶闸管直流电动机调速系统原理 第二节 总体方案 第三节 三相桥式全控整流电路 第三章 系统参数计 第一节 整流变压器参数计算 第二节 晶闸管参数计算 第三节 其他参数计算 第四章 保护电路 第一节 过电压保护 第二节 过电流保护 第五章 系统控制电路设计 第一节 信号检测电路设计 第二节 系统调节器 第三节 触发电路 心得 第一章 晶闸管直流电动机调速系统概述 直流调速系统通过调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。当负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高采用开环系统就能实现一定范围内的无级调速。但是对静差率有较高要求时开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统的动态性能要求较高.要求快速起制动突加负载动态速降小等等单闭环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。 本课题研究目的及意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。 随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。 通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固 第一节 直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用可在系统中设置两个调节 器分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套串联联接。把转速调节器 的输出当作电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制电力电子变换 器UPE。从闭环结构上看电流环在里面称作内环转速环在外边称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定电压的最大值电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。转速、电流双闭环直流调速系统原理框图 ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器 UPE—电力 电子变换器Un —转速给定电压Un—转速反馈电压Ui—电流给定电 压Ui—电流反馈电压。 第二节 双闭环直流调速系统的静特性 第二章 系统主电路原理分析 第一节 晶闸管直流电动机调速系统原理 晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图如图所示 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差这 时转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节气 的饱和输出Uim这时电流调节器起主要调节作用系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护。 (晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图) 系统采用转速、电流双闭环的控制结构。两个调节器分别调节转速和电流两者 之间实行串行连接转速调节器的输出作为电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路。从闭环反馈的结构上看电流调节环是内环按典型I型系统设计速度调节环为外环按典型Ⅱ型系统设计。为了获得良好的静、动态性能双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器这样组成的双闭环系统在给定突加含启动的过程中表现为一个恒值电流调节系统在稳态中又表现为无静差调速系统可获得良好的动态及静态品质。 第二节 总体方案 直流电动机由单独的可调整流装置供电。晶闸管相控整流电路有单相三相全控半控等调速系统一般采用三相桥式全控整流电路不采用三相半波的原因是其变压器二次电流中含有直流分量。本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延 迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小从而改变电动机M的电源电压。 三相桥式全控整流电路如图所示 (桥式全控整流电路原理图) 三相桥式全控整流电路的特点是:每个时刻均需2个晶闸管同时导通形成向负载供电的回路其中一个晶闸管是共阴极组的一个是共阳极组的 且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲也有一定的要求6个晶闸管的脉冲 按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序相位依次差60°共阴极组的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脉冲相差180°。 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: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,使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。此设计中在主 电路前端需配置一个整流变压器以得到与负载匹配的电压同时把晶闸管装 置和电网隔离可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的 干扰的作用。 当晶闸管的控制角α增大会造成负载电流断续当电流断续时电动 机的理想空载转速将抬高机械特性变软负载电流变化很小也可引起很大 的转速变化。负载电流要维持导通必须加平波电抗器来存储较大的磁能。 .2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。 PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。 根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。 利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为，占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0≤≤1。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。 在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法： （1）、定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。 前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。 第三节 三相桥式全控整流电路 系统主电路采用三相桥式全控整流电路 系统主电路如图所示 ~200VT~300VaiCRRVCRRVRCFUFURCFURCCRRVRCFUFURCFURC图 2 晶闸管电路 在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲快速熔断器直接与晶闸管串联对晶闸管起短路过电流保护作用。 第三章 系统参数计算 第一节 整流变压器参数计算 一、 次级电压U2的计算 在进行变压器计算之前,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。先选择其次级电压有效值U2,U2数值的 选择不可过高和过低,如果U2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,使功率因数变小。如果U2过低又会在运行中出现 当α=αmin时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。通常次级电压,初级 和次级电流根据设备的容量,主接线结构和工作方式来定。由于有些主接线形 式次级电流中含有直流成分,有的又不存在,所以变压器容量的计算要根据具 体情况来定。 影响U2值的因素有: 1U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud。 2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用UT表示。 3变压器漏抗的存在会产生换相压降。 4平波电抗器有一定的直流电阻当电流流经该电阻时就要产生一定 的电压降。 5电枢电阻的压降。 当整流电路采用三相全控桥整流时并采用以转速反馈为主反馈的调速 系统时且整流变压器二次侧采用Y型联结一般情况下U2与UN有下述关系 不可逆系统 3U2=0.95~1.0UN可逆系统 3U2=1.05~1.1UN 3U2=0.95~1.0UN=0.95~1.0×220=209~220VU2=120.67~127.02V 取U2=125V 二、 次级电流I2及变压器容量的计算 I2=KI2•Id , KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平 均值之比。 KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗故I2=0.816× 17.5=14.28A S=1/2S1+S2=m1U1I1=m2U2I2=3×125×14.28=5.36KVA 第二节 晶闸管参数计算 一、 晶闸管额定电压UTN 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压但是在选用时额定电压要留有一定的裕量一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能 承受的峰值电压的2~3倍。 因为采用三相全控桥所以UM= 6U2所以晶闸管的额定电压为 UTN=2~36U2=2~3×6×125= 612.4918.6V 取UTN=800V 二、晶闸管额定电流ITN 按电流的有效值来计算电流额定值。IT(AV)= (1.5~2)max fbKIwww.docin.com - 10 - Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路形式而定Kf为波形系数Kb为共阴极或共阳极 电路的支路数。当α=00时三相全控桥电路Kfb=0.367IT(AV)= (1.5~2)max fbKI= (1.5~2) ×0.367×(17.5×1.2)=11.5615.41A取ITN=15A。 可选晶闸管型号KP15-8 第三节 其他参数计算 一、电枢电感M L的计算式中P—电动机磁极对数KD—计算系数对一般无补偿电机KD=8~12 P=2KD=10则33101022010 20.95() 222150017.5DN U2—变压器次级相电压有效值,Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电 流,KB—与整流主电路形式有关的系数 KB=3.9%KU=5则2%5125 3.90.11() 100100220K BB dUU LKmH 2DN M N NKU LmH PnI 第四章 保护电路 第一节 过电压保护 一、直流侧过电压保护 当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压用压敏电阻抑 制过电压或用单相VTS。此次设计中采用压敏电阻压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算 1.8~2.2()mAdUUVUd0为晶闸管控制角a=00时直流输出电压。保护措施如图所示 (直流侧过电压保护 )通常作为中小功率整流器操作过电压保护时KA。 二、关断缓冲电路 关断缓冲电路如图所示 压敏电阻通流容量可选择3~5 (关断缓冲电路 ) 关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R、C值根据工程手册选取此设计晶 闸管额定电流为15A故C可取0.3F,R可取20。在变压器次级并联RC电路以吸收变压器铁心的磁场释放的能量并把它转换为电容器的电场能而存储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回路可能产生的震荡。采用三相全控桥整流电路为得到零线变压器二次侧必须接成星形而一次 侧接成三角形避免3次谐波电流流入电网。变压器的绕组为△—Y联结 阻容保护装置采用三角形接法故可按下式计算阻容保护元件的参数 电容C的耐压 电阻R的功率为ST—变压器每相平均计算容量VAU2—变压器次级相电压有效 值V%0i—励磁电流百分比当ST≤几百伏安时%0i=10当ST≥1000伏安时%0i=3~5。UK%—变压器的短路电压百分比。IC,UC—当R正常工作时电流电压的有效值。 (1)电容的计算 ,取4F 21.5321.56125459.28CUUV ,取500V 选择C=4μF耐压500V的电容。 (2)电阻值的计算 取R=25 RC支路电流IC近似为 电阻R的功率为 22 (3~4)(3~4)0.6282529.58~39.44R CPIRW 第二节 过电流保护 常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。 选择快熔时应考虑 (1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。 (2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。 (3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。 (4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化应考虑其时间电流特性。 此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置熔断器的参数按照以下原则选取 额定电压RNU UTK—为可控硅元件的电压计算系数取UTK=2.45 额定电流RN I iK—电流裕度系数取iK=1.1~1.5aK—环境温度系数取aK=1~1.2RI—实际流过快熔的电流有效值。 因U2=125V取URN=220V 第五章 系统控制电路设计 第一节 信号检测电路设计 电流反馈环节由霍尔元件及运算放大器组成 用以检测可控硅直流侧 的电流信号以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。速度反馈环 节把测速发电机输出的电压变换为适合控制系统的电压信号。电流检测电路 如图5.1所示 (阻容检测电路) 第二节 系统调节器 设计双闭环直流调速系统电流调节器与电压调节器的结构相同都是 PI调节器。含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调节器的原理图 第三节 触发电路 向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网电网电压的频率不 是固定不变的而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证 工作频率与主电路交流电源的频率一致外还应保证每个晶闸管的触发脉冲 与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系这就是触发电路的 定相。为保证触发电路和主电路频率一致利用一个同步变压器将其一次 侧接入为主电路供电的电网由其二次侧提供同步电压信号这样由同步 电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来的 问题是触发电路的定相即选择同步电压信号的相位以保证触发脉冲相位1 4iioiR KRCT 1100 01 ,, 4nnonR KRCTRC R正确。 触发电路的定相由多方面的因素确定主要包括相控电路的主电路结 构、触发电路结构等。 由于集成触发电路不仅成本低、体积小而且还有调试容易、使用方便 等优点故 采用集成触发电路用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路双脉冲再由 六个晶体管进行脉冲放大即构成完整的三相全控桥触发电路。 采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。设计 的主电路采用Dy-11联结同步变压器采用Dy-115联结。同步电压选 取的结果如表三相全控桥各晶闸管的同步电压 晶闸管 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 主电路电压 +Ua -Uc +Ub -Ua +Uc -Ub 同步电压 -Usa +Usc -Usb +Usa -Usc +Usb 同步变压器和整流变压器的接法如图所示 (步变压器和整流变压器的接法) 心得 通过设计一个晶闸管直流电动机不可逆调速系统的设计让我对电力电子装置及系统这门课程所讲述的知识内容有了更深刻的理解。在设计过程中查阅了大量的资料不仅有关于电力电子技术方面的也有关于电力拖动方此次设计让我深刻地感受到了各门课程之间的联系以及工程设计与理论计算之间的差别也借由这次设计回顾了电力电子技术这门课程的知识。自己在以后的学习过程当中应多加思考将所学的不同学科之间的知识联系起来。 从搜集资料到方案设计从写稿到反复修改期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨在写作课程设计报告的过程中思绪是如此复杂混乱。如今随着设计报告的最终成稿复杂的心情烟消云散自己甚至还有一点成就感。 在此我要感谢我的导师赵老师。她为人随和热情治学严谨细心。 在他的严格要求下从选题、定题开始预备方案一直到最后设计报告的反复完善赵老师始终认真负责地给予深刻而细致地指导帮助我开拓设计思路精心点拨、热忱鼓励。正是赵老师的无私帮助与热忱鼓励我的课程设计报告才能够得以顺利完成。由于本人知识浅薄在本文中的完成过程中参考了电力电子电力电子学有关书籍在此向本文参考资料的作者表示由衷的感谢。 参考文献 [1] 王兆安黄俊. 电力电子技术.北京: 机械工业出版社,2007 [2] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京: 机械工业出版社,2008 [3]杨荫福段善旭朝泽云.电力电子装置及系统.北京: 清华大学出版社 2006 [4]朱仁初万伯任.电力拖动控制系统设计手册.北京: 机械工业出版社 1994 [5]机械工程手册电机工程手册编辑委员会.电机工程手册第九卷自动控制 系统. 北京:机械工业出版社 1982 本文来源：https://www.dywdw.cn/eb3544f0cd2f0066f5335a8102d276a20029600e.html
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2022-08-02
