电力电子技术课程设计晶闸管10KW直流电动机调速系统设计

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1、 电力电子技术 课程设计报告题 目：晶闸管10KW直流电动机调速系统设计院 （系）： 机电与自动化学院 专业班级： 电气自动化技术1002 学生姓名： 曹 畅 学 号： 20102822054 指导教师： 刘 政 亷 2012年6月25日至2012年7月6日华中科技大学武昌分校电力电子技术课程设计任务书一、设计题目晶闸管10KW直流电动机调速系统设计 二、设计主要内容工业生产中常常要求电动机具有宽的调速范围和调速精度，例如连续式轧钢机. 造纸机. 电梯等。为此利用调节直流电机电枢电压获得良好的调速性能，而晶闸管三相桥全控整流电路可以根据伩号Ug（直流）的大小変化方便地改变直流输出电压的大小。本

2、课题要求设计一个由晶闸管整流桥、直流电动机、PI调节器(运放)组成的调速控制系统，完成完整电路原理图设计和绘制。具体设计内容如下：1、晶闸管三相桥式全控整流电路旳基本工作原理（1）晶闸管型号規格选择（2）晶闸管保护设计（3）整流变压器设计(求U2)2、整流变压器设计3、三相脉冲触发器设计刺按下启动按钮，可选择工频/变频控制，手动控制（自动转换4、测速电路设计和PI调节器设计三、原始资料1、直流电动机：Z3-71 Pn = 10KW Un = 220V In = 55A Nn = 1000r/min 电枢电阻Ra = 0.5 电枢电忎Ld = 7mH 励磁电压UL = 220V 励磁电流IL =

3、 1.6A 2、直流测速发电机：55CY61 Nn = 2000r/min Un = 110V3、霍尓电流传感器：LA50 4，最小整流角= 20度 Cos20 = 0.94四、要求的设计成果（1）根据控制要求进行电气控制系统电路设计。A4完整电路图一张。（2）整流变压器(/ y) 容量大小计祘和U2值计祘。（3）晶闸管额定电压和额定电流的计祘。（4）晶闸管过电压保护计祘。（5）过电流保护设计。（6）三相六脉冲触发器设计並阐述其工作原理, 关健点位的波形。（7）由测速发电机测到的转速伩号+fn与速度给定伩号-Ug比较后引到PI调节器输入 端，调节器输出正电压Uct去脉冲触发器控制脉冲产生的时间

4、, 从而改変晶闸管整 流角, 进而调节输出直流电压大小。这样就形成了以速度为调节对象的速度负反馈闭环系统。以此绘制电路理图。 （8）该直流调速系统速度可以方便调节大小, 並且当机械阻力负载大小変化(电机 电流I成正比変化) 时, 电动机转速基本恒定(约有変化), 分析其原理。（9 ）不得少于2000汉字。论文可以偏重某一部分, 例(4).(5);(6);(7).(8); 但完整电路图及简要说明,(2).(3) 部分为公共部分五、进程安排内容时间下达课程设计任务书。讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。学生到实验室熟悉设备。1天搜集资料、方案论证、初步设计。1天系

5、统设计、绘制系统控制原理图、。2天利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作，运行控制程序，进行运行调试。3天方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告2天答辩、课程设计总结。1天共计10天（2周）六、主要参考资料1 石玉. 电力电子技术题例与电路设计指导. 北京: 机械工业出版社，2006.2 郑凤翼. 图解电力拖动系统电路.北京：人民邮电出版社，2006.3 巫莉.电气控制与PLC应用.北京：中国电力出版社，2008.指导教师（签名）： 20 年 月 日 目录 1. 课程设计题目及要求.1 1.1 题目.1 1.2 控制要求.1 1.3 系统总体方案设计.2 2. 三相全控桥主电路设计.

6、3 2.1 电路及原理.3 2.2 整流变压器参数计算.4 2.3 晶闸管参数计算.6 3. 触发电路设计.7 3.1 KC04芯片引脚介绍.7 3.2 KC04芯片原理图.7 3.3 触发电路及原理.8 4. 反馈电路参数的选择与计算.11 4.1 测速发电机的选择.11 4.2 电流截止反馈环节的选择.11 4.3 调速静态精度的计算.12 4.4 给定环节的选择.14 4.5 电机负载变化转速恒定原理.14 5.设计总结.15 6.参考文献.16 7.附录1.17 附录2.18 1. 课程设计题目及要求 1.1 题目 晶闸管10KW直流电动机调速系统设计 1.2 控制要求工业生产中常常要

7、求电动机具有宽的调速范围和调速精度，例如连续式轧钢机. 造纸机. 电梯等。为此利用调节直流电机电枢电压获得良好的调速性能，而晶闸管三相桥全控整流电路可以根据伩号Ug（直流）的大小変化方便地改变直流输出电压的大小。本课题要求设计一个由晶闸管整流桥、直流电动机、PI调节器(运放)组成的调速控制系统，完成完整电路原理图设计和绘制。具体设计内容如下：1、晶闸管三相桥式全控整流电路旳基本工作原理（1）晶闸管型号規格选择（2）晶闸管保护设计（3）整流变压器设计(求U2)2、整流变压器设计 3、三相脉冲触发器设计刺按下启动按钮，可选择工频/变频控制，手动控制（自动转换 4、测速电路设计和PI调节器设计原始数

8、据如下：（1）直流电动机：Z3-71 Pn = 10KW Un = 220V In = 55A Nn = 1000r/min 电枢电阻Ra = 0.5 电枢电忎Ld = 7mH 励磁电压UL = 220V 励磁电流IL = 1.6A （2）直流测速发电机：55CY61 Nn = 2000r/min Un = 110V（3）霍尓电流传感器：LA50 （4）最小整流角= 20度 Cos20 = 0.94 1.3系统总体方案设计 图13 由于电机容量较大，且要求电流脉动小，故选用三相全控桥式整流电路的供电方案。电动机额定电压为220V，为保证其供电质量，采用三相减压变压器将电源电压降低。同时考虑三次

9、谐波的影响，主变压器采用D/Y联结。为了使电路简单，工作可靠，装置体积小，触发电路选用集成度高，触发可靠的KJ组成的六脉冲集成触发电路。因调速精度要求较高，故采用装速负反馈调速系统，同时采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时，由过流继电器切断主电路电源。该系统采用减压调速，故要求励磁保持恒定；励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源直接从变压器二次侧引入，同时设有弱磁保护环节，使得励磁绕组通电后主接触器主触头才闭合。该系统采用减压调速方案，故励磁电流保持恒定。励磁绕组采用三项不可控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入，为保证先加励磁后再加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通

10、电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节。 2.三相全控桥主电路设计2.1 电路及原理电路图如下所示： 图21 其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相

11、差23；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差，给分析带来了方便；当=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。0时，Ud的波形出现缺口，随着角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当=23时，输出电压为零，所以电阻性负载时，的移相范围是O23；当O3时，电流连续，每个晶闸管导通23；当323时，电流断续，个晶闸管导通小于23。23=3是电阻性负载电流连续和断续的分界点

12、。 2.2 整流变压器参数计算的计算是一个重要参数，现在过低，无法保证输出额定电压。选择过高，又会造成延迟角加大，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 （3-1）式中，理想情况下，时整流电压与二次电压之比，即； 控制角为时，输出电压与之比，即； 电网波动系数，通常取；整流电路输出电压最大值； 主电路电流回路； 线路连接方式系数； 变压器的短路比，变压器； 变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。在要求不高的场合或近似估算时，用下式计算则更加方便 （3-2）其中， 取角考虑 20的裕量：=0.94 =104125V，取电压比 （3-3）一次和二次相电

13、流和的计算考虑变压器的励磁历次电流时，应乘以1.05左右的系数，所以 （3-5） （3-6）变压器的容量计算 （3-7） 式中：、一次侧、二次侧绕组的相数 考虑励磁功率，取，。晶闸管和整流管的选择主要指合理的选择器件的额定电压和额定电流。2.3晶闸管参数计算 晶闸管的额定电压，取Utn=1000V晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，即 （3-8） （3-9）考虑倍的裕量，取。故选用型号为KP50100晶闸管元件。图23 阻容保护接线方式3. 触发电路设计3.1 KC04芯片引脚介绍 图31（1） 脚同向脉冲输出端 （2）脚

14、悬空（3）脚锯齿波电容连接端（4）脚同步锯齿波电压输出端（5）脚电源负端（6）脚悬空（7）脚地端（8）脚同步电源信号输入端（9）脚移相偏置及同步信号综合端（10）脚悬空（11）脚方波脉冲输出端（12）脚脉宽信号输入端（13）脚负脉冲调制及封锁控制端（14）脚正脉冲调制及封锁控制端（15）脚反相脉冲输出端（16）脚电源正端3.2 KC04芯片原理图 图32移相触发器kc04电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。Kc04器件输出两路相差l80的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器电路。该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

15、电压要求低、有脉冲列调制输出端等功能和特点。3.3触发电路及原理原理图如下所示：图331普通晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态，晶闸管在承受正向阳极电压的同时，还需要在门极加上适当的触发电压。控制晶闸管导通的电路称为触发电路。触发电路常以所组成的主要元件名称进行分类，包括简单触发电路、单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器和计算机控制数字触发电路等。 控制、功率、等全控型器件的通断则需要设置相应的驱动电路。基极（门极、栅极）驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关

16、损耗。另外，许多保护环节也设在驱动电路或通过驱动电路来实现。 触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分。为了充分发挥电力电子器件的潜力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动电路。 晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分，也可用直流，还可用短暂的正脉冲。为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性，触发信号常采用脉冲形式。晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条： （1）触发信号要有足够的功率 为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率。例如，要求触发电压不小于，触发电流不小于；要求触发电压

17、不小于4V，触发电流不小于。但触发信号不许超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流，以防损坏晶闸管的门极。在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，允许触发电压或触发电流的幅值在短时间内大大超过铭牌规定值。 （2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 为了保证电路的品质及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关系，即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶闸管主电压之间满足一定的相位关系。 （3）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡 为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消

18、失前必须达到擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲，才可使元件可靠导通。例如，单相整流电路，电阻性负载时脉冲宽度应大于，电感性负载时则因大于；三相全控桥中采用单脉冲触发时脉宽应大于（通常取），而采用双脉冲触发时，脉宽为左右即可。此外，很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡的前沿，以实现精确的触发导通控制。 （4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求 触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。例如，单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为，而电感性负载（不接续流管时）要求移相范围为。三相半波

19、整流电路电阻负载时要求移相范围为，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为。选用集成六脉冲触发器实用电路。 为了实现弱磁保护，在磁场回路中串入欠电压继电器，动作电流通过RP1调整。已知励磁电流，可选用吸引线圈电流为的直流欠电压继电器。 晶闸管的触发电流为，触发电压为，在触发电路电源电压为时，脉冲变压器匝数比，可获得约的电压，脉冲变压器一次电流只要大于，即可满足晶闸管要求，这里选用的作为脉冲功率放大管，其极限参数，,完全能足要求。该电路需要设计一个三相同步变压器，考虑各种不便因素，用三个单相变压器结成三相变压器组代替，并结成，确定单相变压器的参数为：容量，电压为三台。同步变压器的联接如图4

20、所示。图332 同步变压器的联接 4. 反馈电路参数的选择与计算4.1 测速发电机的选择 图41由电机产品样本查得，选用型永磁直流测速发电机。其参数为：，负载电阻是，的电位器，测速发电机与主电机同轴联结。由于主电机额定转速为，因此测速发电机发出的最高电压为，若给定电源取，则只要适当取反馈系数，即可满足系统要求。4.2 电流截止反馈环节的选择为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在电流单闭环中，将反映电流变化的电流

21、互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。选用模块电流传感器作为电流检测元件，其参数为：额定电流，匝数比为，额定输出电流为，测量电阻，取为、的绕线电位器。负载电流为时，

22、让电流截止反馈环节起作用，此时LA的输出电流为，输出电压为，考虑一定的调节裕量，选稳压管作为比较电压，。4.3 调速静态精度的计算(1)电动机和测速发电机电动势常数计算电动机电动势常数：测速发电机电动势常数：(2)整流装置的内阻取1.2，则(3)要求调速系统的静态速降(4)求闭环系统的开环放大倍数触发器与整流装置的放大倍数的估算在触发器选用电源情况下，锯齿波同步电压最大值应小于15V，这里按最大移相电压为计算。 计算转速反馈系数由于取，约左右，而，故。所以转速反馈系数计算放大器的放大倍数由于，故因为较大，故选用放大倍数可调的放大器，如图6所示。图6 放大倍数可调的放大器由于点是虚地，故 。 式

23、中分压电阻的分压系数。所以 。为了避免放大器开环，不能调到零，可在电位器接地端串一个不可调的小电阻。若该电路电位器取、，固定小电阻取、，则，故最多能把放大倍数从提高到11倍。采用运算放大器，其输入电阻,为了不影响，应使。故取, ,取，实取。、均取。 4.4 给定环节的选择由于放大器输入电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压又为正电压，故给定电压就得取负电压，而一切反馈均取正电压。为此给定电压与触发器共用一个电源，用一个、电位器引出给定电压。4.5 电机负载变化转速恒定原理负载变化时候，会拉低转速，所以负载加上去的时候电机的转速会瞬时降下来，但是由于负反馈的作用，引起集成运放两边的电流发

24、生变化，从而使速度环检测到转速降低，系统马上就会做出反应，会使输出电压增大，让转速保持不变。根据以前学的公式我们可以知道，电压对转速有直接的影响，当电压变大时，转速就会随之变大。总结的说，之所以转速能恒定，就是因为反馈带来的信号被系统识别处理，改变电流电压的改变来维持转速。 n15001500149814961491I0.160.220.50.751 Ud163165175183185Uot2.93.13.844.5 5.设计总结在本次设计过程中，老师给了我们大量的资料，也将这次试验主题的思路大体的讲了一遍。在课外我也通过自己的钻研，也将老师所给的资料仔细的看了一些时间，有了不少的领悟。我也查

25、阅了大量的书籍，设计电力电子技术、电机学、电力电子技术、模拟电子技术等几门学科，不但巩固和加深了所学的专业基础课知识，还将所学的知识融会贯通，并且将课本与实际相结合，真正实现了学有所用。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，能够通过查阅相关书籍得以解决同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。在这次课程设计之中

26、，也有一些不足的地方，虽然我学到了一些知识，但是还是还有很多的地方没有弄得很懂，我也知道这不是我一时半会儿就能全部弄明白的，毕竟还是有一些知识我们是没有学到的。老师也对我们做了一个小小的思想教育，学东西不能急，慢慢来，相信不久的将来，我通过自己不断的学习充电，我会有很大的成功的。6. 参考文献1 石玉. 电力电子技术题例与电路设计指导. 北京: 机械工业出版社，2006.2 郑凤翼. 图解电力拖动系统电路.北京：人民邮电出版社，2006.3 巫莉.电气控制与PLC应用.北京：中国电力出版社，2008.4 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京：机械工业出版社，2009.5 唐介等. 电机与拖动. 北京：高等教育出版社，2007.6 彭鸿才. 电机原理及拖动. 北京：机械工业出版社，2005.7王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2000.8 黄家善. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2002.9 刘松. 电力拖动自动控制系统. 北京：清华大学出版社，2006. 附录1 电气原理总图转速不同时电压波形实物图 1500转/min 750转/min 课程设计成绩评定表成绩评定项 目比例得 分平时成绩（百分制记分）30%业务考核成绩（百分制记分）70%总评成绩（百分制记分）100%评定等级优 良 中 及格 不及格指导教师（签名）：20 年 月 日XXV