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1、运动控制系统课程设计学 院：现代科技学院班 级：自动化08-1班姓 名： 学 号： 20081006xx 前言一、 性能指标i5% i10%二、 设计对象参数Pnom=550kW Unom=750V Inom=780A nnom=375r/min Ti=0.003sTm=0.03s Ce=1.92V min/r R=0.1 Ks=75 Toi=0.002s To=0.01s =1.5 U*nm=12V U*im=12V1、 整流电路和整流器件的选择1.整流电路：三相全控桥式整流电路（1）三相全控桥式整流电路（电阻性负载）1）电路结构 三相半波整流的变压器存在直流磁化问题，三相全控桥式整流电路可
2、看作是三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT4，VT6，VT2)的串联组合。 2）工作原理（=0时） 一个周期内，晶闸管的导通顺序T1VT2VT3VT4 VT5VT6。将一周期相电压分为六个区间：在t1t2区间：u相电压最高，VT1触发导通，v相电压最低，VT6触发导通，负载输出电压uduuv。在t2t3区间：u相电压最高，VT1触发导通，w相电压最低，VT2触发导通，负载输出电压uduuw。在t3t4区间：v相电压最高，VT3触发导通，w相电压最低，VT2触发导通，负载输出电压uduvw。在t4t5区间：v相电压最高，VT3触发导通，u相电压最低，VT4触发导
3、通，负载输出电压ud uvu。在t5t6区间：w相电压最高，VT5触发导通，u相电压最低，VT4触发导通，负载输出电压ud uwu。在t6t7区间：w相电压最高，VT5触发导通，v相电压最低，VT6触发导通，负载输出电压ud uwv。三相桥式全控整流电路带电阻负载 =60度时的波形 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =90度时的波形3）三相全控桥式整流电路的工作特点： 任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路。 共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位互差120，共阳极组VT2、VT4、VT6，相位相差120，同一相的晶闸管相位相差180。每个晶闸管导通角
4、120； 输出电压ud由六段线电压组成，每周期脉动六次，每周期脉动频率为300Hz。 晶闸管承受的电压波形与三相半波同，只与晶闸管导通情况有关，波形由3段组成：一段为零(忽略导通时的压降)，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。 对触发脉冲的要求：要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60（一般为80100），另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变
5、压器饱和，所以多采用双窄脉冲触发。 电阻性负载60时的ud波形连续，60时ud波形断续。=120时，输出电压为零Ud=0，三相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0120。晶闸管两端承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值 4）参数计算 =60是输出电压波形连续和断续的分界点，输出电压平均值应分两种情况计算：6060（2）三相桥式全控整流电路（阻感性负载）1)工作情况分析当60时，电感性负载的工作情况与电阻负载相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形都一样；区别在于由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形近似为一条水平线。 6
6、0时，电感性负载时的工作情况与电阻负载不同，由于负载电感感应电势的作用，ud波形会出现负的部分。下图是带电感性负载=90时的波形，可看出，=90时，ud波形上下对称，平均值为零，因此带电感性负载三相桥式全控整流电路的角移相范围为90度。 三相桥式全控整流电路带电感性负载 =0度时的波形 三相桥式整流电路带电感性负载， =90度时的波形2)参数计算 输出电压平均值 由于 ud波形是连续的，所以 输出电流平均值 晶闸管电流平均值 晶闸管电流有效值 晶闸管额定电流变压器二次电流有效值 2. 整流器件：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bip
7、olar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。它将P-MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。（1） IGBT的结构和工作原理1）IGBT的基本结构 IGBT是在P-MOSFET基础上发展起来的集成新型器件，其结构是以GTR为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。外
8、部有三个电极(G门极、C集电极、E发射极)。2）IGBT的工作原理当IGBT门极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使IGBT导通；当IGBT门极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。当UCE0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。当UCE0时，分两种情况：若门极电压UGEUT（开启电压），沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。若门极电压UGEUT ，门极下的沟道形成，从而使IGBT导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。（2）IGBT的特性与参数1）静态特性IGBT的静态特性主要有输出（伏安）特性
9、及转移特性，如下图所示。IGBT的输出（伏安）特性以栅射电压UGE为参变量，集电极电流IC和集射电压UCE间的关系曲线。IGBT的输出特性分为饱和区、放大区和击穿区三个部分。在正向导通的大部分区域内，IC与UCE呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。对应着输出特性的弯曲部分，IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。IGBT的输出（伏安）特性和转移特性IGBT的转移特性 是指输出集电极电流IC与栅射控制电压UGE之间的关系曲线。当栅射电压UGEUT时，IGBT处于关断状态。当UGEUT时，I
10、GBT导通。IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。2）IGBT动态特性IGBT的动态特性包括开通和关断过程两方面，如下图示。IGBT的开通过程是从正向阻断状态到正向导通的过程。在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。td为开通延迟时间，tr为电流上升时间，开通时间为：ton=td+tr。而集射电压UCE下降分为tfu1和tfu2两段。 tfu1段为MOSFET单独工作时的电压下降时间； tfu2为MOSFET和PNP管两个器件同时工作，PNP管从放大进入饱和时的电压下降时间。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程，关断时间为：toff=
11、ts+tf式中ts关断储存时间； tf电流下降时间。又可分为tf1和tf2两段，tf1对应MOSFET的关断过程； tf2对应于PNP晶体管的关断过程。IGBT动态特性（3）IGBT的主要参数 1）集射极额定电压UCES 栅射极短路时的IGBT最大耐压值。 2）栅射极额定电压UGES UGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。 3）栅射极开启电压UT 使IGBT导通所需的最小栅-射极电压。 4）集电极额定电流IC 在额定的测试温度(壳温为25)条件下，IGBT所允许的集电极最大连续电流5） 通态压降UCE(on) 指IGBT处于导通状态时集
12、射极间的导通压降。 3、 整流变压器参数的计算前面介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况，即假设： （1）变压器的漏抗、绕组电阻和励磁电流都可忽略； （2）晶闸管元件是理想的。 但实际的交流供电电源总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬时完成。 1、换相过程与换相重叠角 以三相半波可控整流电路为例来讨论换相过程。 假设三相漏抗相等，忽略交流侧的电阻，负载电感足够大，则负载电流连续且平直。以晶闸管从u相换到v相为例，VT1已导通。当=30时触发VT2，由于变压器漏抗的作用，VT1不立即关断，u
13、相电流iu=Id- ik逐渐减小到零；VT2导通，iv=0逐渐增加到Id。换相过程中，两个晶闸管同时导通，在 uvu电压作用下产生短路电流ik，当 iu=0， iv= Id时，u相和v相之间完成了换相。 变压器漏感对整流电路的影响 2 换相期间的整流电压换相回路电压平衡方程换相期间变压器漏感LB两端的电压 换相期间输出电压 3 、换相压降由波形可以看出：与不考虑变压器漏抗的情况比较，整流电压波形少了一块阴影部分，缺少部分为：式中 XB漏感为LB的变压器每相折算到二次侧的漏电抗，单相双半波电路m=2，三相半波m=3，三相桥式电路m=6 说明：对于单相全控桥，换相压降的计算上述通式不成立，因为单相
14、全控桥虽然每周期换相2次(m=2)，但换相过程中ik是从-Id增加到Id，所以上式)中的Id应该带入2Id，故对于单相全控桥有：4、换相重叠角 对下式： 两边积分，可得 显然，当一定时，XB、Id增大，则增大，换流时间增大；XB 、Id一定时，随角的增大而减小。 （1） 与换相压降的讨论一样，对单相全控桥有m=2，Id应该带入2Id，故有（2） 对三相桥式电路，m=6，三相桥式电路等效为相电压为的六相半波整流电路， 变压器漏感LB的存在可以限制短路电流，限制电流变化率di/dt 。但也会引起电网波形畸变，使du/dt加大，影响其他负载；会使功率因数降低，输出电压脉动增大，降低电压调整率。 3、 整流器件的保护1. 过电压保护电力电子装置中可能发生的过电分为外因和内因两类。外因过电压主要来自雷击系统中的操作过程等外部原因，包括：（1） 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器组绕组之间存在的分布电容静电感应偶合起来。（2） 雷击过电压：由雷击引
