《电力电子技术》课程设计说明书二相晶闸管电机控制

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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书摘要基于单相桥式整流电路设计对电动机的调速控制系统，根据电机的参数计算所需使用的器件参数，选择经济适用的器件，以及对设计的系统的功率因素进行计算和设计。同时为了保证电路的可靠运行，要设计晶闸管的保护电路，以及触发电路，保护电路的设计要考虑到过电流和过电压；晶闸管的触发电路需要对晶闸管的控制时序、导通情况进行分析。关键词：桥式，电动机，功率因素，晶闸管Abstract Based on single-phase bridge rectifier circuit of the motor speed control system, according to t

2、he calculation of the required motor parameters used in device parameters, the parameters of selection of affordable, well-designed system power factor calculation and design.Meanwhile, in order to ensure reliable operation of the circuit, to design the protection thyristor circuit, and trigger circ

3、uit, protection circuit is designed to take into account the over-current and over-voltage;Thyristor thyristor trigger circuit needs to control the timing, turn to analyze the situation. Key words: Bridge, motors, power factor, thyristor目录绪论11.设计任务及分析21.1 设计要求21.2设计分析22. 单相全控桥式主电路的分析设计32.1单相全控桥式主电路及

4、原理分析32.2整流变压器参数计算42.2.1 电动机系统的分析计算42.2.2 整流变压器二次侧电压计算52.2.3 整流变压器二次侧电流的计算52.3 晶闸管定额的选择62.3.1 晶闸管电压定额的确定62.3.2 晶闸管电流定额的确定62.4晶闸管电路对电网的影响72.5系统功率因素的分析82.6 平波电抗器83 晶闸管触发电路的设计及定相93.1晶闸管触发电路的设计93.2触发电路的定相124 晶闸管过电压、过电流保护电路的设计124.1 晶闸管过电压保护电路的设计134.2 晶闸管过电流保护电路的设计145 MATLAB仿真155.1 MATLAB仿真的电路图155.2 仿真结果截图

5、16心得体会17参考文献18附录 系统总体电路图19 绪论在单相桥式全控晶闸管-电动机系统中，主电路的设计分析相对来说比较容易，反电动势负载的分析也不困难。主要是其中为保证系统经济可靠地运行，对于用到的各个器件的参数的计算比较麻烦，而且还要考虑到整个系统功率因素的计算。特别应该注意的是，晶闸管的触发电路需要对晶闸管的控制时序、导通情况进行分析，从而设计出正确、合理的触发电路。因为集成芯片具有可靠性高、技术性能好、功耗低、调试方便等优点，故采取集成触发电路代替分立式电路。另外，电路可靠运行还应该设计出过电压、过电流保护电路。 单相全控桥式晶闸管电动机系统设计1. 设计任务及分析1.1 设计要求

6、电动机负载，直流电动机额定参数为：PN3KW，UN220V，IN17A，nN1500r/min ，Ra0.2，励磁：它励，励磁电压220V，交流电源：单相220V，电流过载倍数1.5，使用单相可控整流电路，工作于电动状态。要求设计出单相全控桥式主电路、触发电路、晶闸管的过电压保护与过电流 保护电路，并且提供系统总的电路图。1.2 设计分析 设计要求使用直流电动机，因此要用整流电路。整流电路是将交流电转变为直流电。这里要求设计的主电路为单相全控桥式晶闸管电路，接电动机负载。由于电动机是阻感负载，且工作时相当于反电动势负载，因此要分别分析考虑两种情况。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉

7、冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。电路在工作中可能会出现一些突发情况，比如电压过大、电流过大、电压电流变化速率过快等等，这些都会使晶闸管烧坏，导致整个电路不能正常工作，因此需要额外的设计辅助电路，保护电路对晶闸管进行过电压过电流保护，从而保证电力电子电路正常工作。他励直流电动机励磁由其他直流电源提供，它是将直流电能转变为机械能。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，再驱动直流电动机工作，同时为了保护晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。2. 单相全控桥式主电路的分析设计 2.1单相全控桥式主电路及原理分析 根据系统的要求，在

8、protues中画出全控桥式主控电路图如图2-1所示。图2-1 单相全控桥式主电路图 由图2-1可知，系统的主电路由变压器TR4引入电网电源，给桥式电路供电。后面接电动机负载，整个负载成阻感性且为反电动势负载。桥式电路由4个晶闸管组成，且每个晶闸管接了过电流过电压的保护电路。当交流电源电压的正半周时VT1和VT4导通给负载供电；当电源电压进入负半周由于VT2和VT3尚未打开，且阻感负载电流不能突变，VT1和VT4继续导通。当VT2和VT3控制脉冲到来打开时，VT1和VT4关断，VT2和VT3和负载构成回路给负载供电。因此，流过负载的电流的方向在整个过程中不发生变化。桥式电路起到整流的作用。 2

9、.2整流变压器参数计算 2.2.1 电动机系统的分析计算 在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压往往与电网电压不一致，需要利用变压器来匹配。此外，为降低或减少晶闸管变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。负载为电机的整流电路电压的平衡方程为：式中：为电路总的阻抗，它包括变压器等效电阻、电枢电阻以及重叠角引起的阻抗；为晶闸管正向压降，一般为1V左右。由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联较大电感来保证电流连续。当电流连续时，电动机转速与电流的关系如下式所示： 对于单相全控桥式整流电路电流连续时：

10、 所以有： 为电动机在额定磁通下的电动势系数。 由上得到的计算式可得，被控电机的转速的大小取决于触发角的大小。2.2.2 整流变压器二次侧电压计算整流变压器二次侧电压的计算，考虑到各种因素的影响，整流变压器二次侧电压的计算公式如下：式中，整流电路输出电压最大值。=220V； 主电路电流回路n个晶闸管正向压降。=21=2V； 为最小控制角，一般不可逆系统取 线路接线方式系数。这里=0.707； 变压器短路比，=0.050.1，取=0.05； 变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，取最大值，这里 =1.5； A-理想情况下，即时整流电压与二次侧电压之比，这里取 A=0.9; 电网波动系数，通常取

11、=0.9。所以： 2.2.3 整流变压器二次侧和一次侧电流的计算 整流变压器二次侧电流的计算公式如下： 这里由于是单相桥式全控电路，所以=1。所以： 变压器的变比为： 一次侧电流： 二次侧容量： 综上所述：选择容量为，380/380V的变压器。 2.3 晶闸管定额的选择2.3.1 晶闸管电压定额的确定通常取晶闸管的（断态重复峰值电压）和（反复重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍，即： ，所以得额定电压为：2.3.2 晶闸管电流定额的确定晶闸管通过的电流有效值，即： 其中，为通态平均电流： 其中，考虑

12、到安全裕量额定电流，等于的通态平均电流，即： 综上所述：选择KP308的晶闸管4只。2.4晶闸管电路对电网的影响 电力电子技术正在快速的发展，各种电力电子装置的应用越来越广泛，但电力电子装置也会带来一些不利的因素，比如其带来的无功和谐波会对电网带来很不利的影响。晶闸管作为一种电力电子装置，也难免会对电网产生不利影响，突出表现为以下两个方面：1晶闸管电路中产生的谐波对电网的危害包括：（1）谐波影响各种电气设备的正常工作，例如使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热等等。（2）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，甚至会使线路过热而发生火灾。（3）谐波会

13、引起电网中局部的并联谐振，从而使谐波放大，使危害大大加大，甚至引起严重事故。（4）谐波会对邻近通信系统产生干扰，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。（5）谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量仪表计量不准确。2. 晶闸管电路产生的无功功率对电网带来的不利影响包括：（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）无功功率使线路的压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波波动。2.5系统功率因素的分析由傅里叶分析得单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为： =1,3

14、,5, 因此可得基波电流有效值为： 的有效值，可得基波因数为： 又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，所以位移因素为： 所以，功率因数为： 可知系统的功率因素的大小主要取决于控制角的大小。触发角越小功率因素越大；触发角越大，功率因素越小。触发角的移相范围为，所以系统的功率因素的范围为：2.6 平波电抗器负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。导通角越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势。因此，当电流断续时，随着的增大，转速（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于

15、整流电源的内阻增大。一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当小于时甚至值为负时，晶闸管仍可导通。因此，带反电动机电动势负载时，要在直流输出侧串联一个大电感，平稳负载电流的脉动，保证整流电流连续，如图6所示。图6 带平波电抗器的电动机反电动势负载电路图3 晶闸管触发电路的设计及定相 3.1晶闸管触发电路的设计所谓晶闸管触发电路就是产生符合晶闸管门极所需的触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。这里设计的触发电路采用KJ004可控硅移相电路，芯片KJ004采用双列直插C16白瓷和黑瓷两种外壳封装，其管脚图如图4-1所示：图4-1 K

16、J004芯片的管脚图 各引脚的名称、功能及用法如下所述：(1) 同步电压输入端：引脚8(Vc)同步输入电压连接端。(2) 脉冲输出端：引脚1(C)、引脚15(B)分别可调节输出相位相差180度(3) 电源端：引脚16(Vcc)，引脚5(Vee)，引脚7接地内部结构及工作原理简介：电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电路原理图见下图4-2：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1

17、,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。同步电压为任意值。图4-2 KJ004内部结构图器件输出两路相差的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器电路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。触发电路图如图4-3所示。图4-3 KJ004移相触发电路图3.2触发电路的定相 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

18、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。 本触发电路的同步电压环节由同步变压器TR2等元件组成，若锯齿波频率与主电路电源频率同步，就能使触发脉冲与主电路同步。在这里同步变压器TR和主电路整流变压器接在同一电源上，用TR2的二次侧电压接入KJ004，这就保证了触发电路发出的脉冲与主电路同步。1和15管角输出控制脉

19、冲，其脉冲宽度由滑动变阻器RV2和RV3决定。采用KJ004触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，且同步电压应滞后于主电路电压。4 晶闸管过电压、过电流保护电路的设计在电力电子电路中，电力电子器件由于承受电压、电流过大，或变化过快，就会使电力电子器件烧坏，从而使整个电路不能正常工作，因此设计过电压、过电流保护电路来保证电力电子器件的正常工作是非常有必要的。下面就过电压保护电路、过电流保护电路的设计分别予以讨论分析。 4.1 晶闸管过电压保护电路的设计 晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来

20、自晶闸管内部的开关过程。，包括换相过电压和关断过电压。 晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。 晶闸管内因过电压保护电路如图5-1所示。图5-1 晶闸管过电压保护电路 这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和di/dt抑制电路串联使用，从而更好的保护晶闸管，如图5-2所示。图5-2 晶闸管过电压、di/dt抑制保护电路 如图5-2所示，V开通时刻缓冲电容Cs先通过Rs向V放电，使电流iC先上一个台阶，以后因为有di/dt抑制电路的Li，iC的上升速度减慢。Ri、VDi是在V关断时刻为L

21、i中的磁场能量提供放电回路设置的。在V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。 4.2 晶闸管过电流保护电路的设计晶闸管电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图5-3给出了各种过电流保护措施及其配置位置。图5-3 过电流保护措施及配置位置 其中采用快速熔断器、直流快速断路器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 从图5

22、-3可以看出，晶闸管的过电流保护采用快速熔断器进行保护，因为快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。如图5-4 所示，快速熔断器与晶闸管直接串联的电路。图5-4 晶闸管过电流保护电路5 MATLAB仿真 5.1 MATLAB仿真的电路图在simulink中根据系统的原理绘制的仿真电路图如图5-1所示：图5-1 系统仿真电路图5.2 仿真结果截图 （1）当触发角等于30度时的仿真结果图如图5-2所示：图5-2 触发角为30度的仿真结果截图 （2）当触发角等于60度时的仿真结果图如图5-3所示：图5-3 触发角为60度的仿真结果截图 心得体会本次课程设计是对单相桥式全控晶闸

23、管电动机系统的设计，需要设计符合要求的晶闸管电动机主电路，还需要一些辅助电路，比如晶闸管触发电路，晶闸管过电压、过电流保护电路等等。整个系统可以先分成几个模块，然后再根据总体设计要求将各个单元模块电路组合，就可以设计出完整的单相桥式全控晶闸管电动机系统。 我在这次课程设计中主要做了以下工作：（1） 收集查找整流变压器的计算方法，并且承担这部分计算的主要任务。（2） 晶闸管触发电路的资料查找，并且设计了这部分的电路。（3） 收集了各种过电流过电压的保护方法与措施，供大家最后选取采用。（4） 在protues中画整个系统的电路原理图。（5） 整篇报告的编写与修改。（6） 应用MATLAB中的sim

24、ulink对系统进行仿真。 参考文献1王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2007.2李发海，王岩.电机与拖动基础.清华大学出版社.2005.3高玉奎.电力电子实用电路100例.中国电力出版社.2008. 4 陈坚.电力电子学(第二版).北京：高等教育出版社，20045黄俊，王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版社.1993. 6 王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社，20007栗书贤，石玉.晶闸管变流技术题例及电路分析.机械工业出版社.1991.8王文郁，石玉，李秉象.晶闸管变流技术应用图集.机械工业出版社.1988. 附录 系统总体电路图ut2ApOdfXXc02

25、GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932t

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