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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书1单相全控桥式晶闸管电动机系统设计1 设计要求及分析1.1 设计要求电动机负载，直流电动机额定参数为：3KW， 220V， 17A， 1500r/min ， 0.2，励磁：它NPUNInaR励，励磁电压 220V，进线交流电源：三相 380V，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 设计分析设计要求中提供的电动机为直流电动机，因此需要用到整流电路。整流电路是电力电子电路中经常用的一种电路，它将交流电转变为直流电。这里要求设计的主电
2、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，因此要分别予以分析考虑。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。在电力电子电路中，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。他励直流电动机是由其他直流电源单独供给励磁电流的电动机，它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，直流电驱动直流电
3、动机工作，但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。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书22 晶闸管电动机系统根据设计要求可以画出系统总体框图如图 1 所示。图 1 系统总体框图晶闸管可控整流装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到的控制电路为单相桥式全控。整流电路直流电压的平衡方程为： UIREUdMd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R起的阻抗。由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联一平波电抗器来保证电流连续。当电流连续时，
4、电动机转速与电流的关系如下式所示。 edeCUIRn由于单相全控桥式整流电路中， cos9.02d所以， edeCUIRUn.式中， 为晶闸管正向压降，一般为 1V 左右；U为电动机在额定磁通下的电动机转速比；eC为电路总的阻抗；R武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书33 单相全控桥式整流电路单元电路模块分析从系统总体框图可以看出，单项全控桥式晶闸管电动机系统包含整流变压器、全控桥式主控电路、触发电路、保护电路、电动机负载几个部分，下面将分别对每个电路模块进行详细分析。3.1 单相全控桥式整流电路 所谓整流电路就是利用电力电子器件（例如晶闸管）对电路进行控制，将交流电转变为直流电的一种电力电
5、子电路。而单相桥式全控整流电路主要利用晶闸管这一电力电子器件对电路进行控制，形成直流电压或电流，从而为直流电动机提供直流电。单相全控桥式整流电路图如图 2 所示。图 2 单相全控桥式整流电路由于电动机是阻感负载，并且带反电动势，因此需要对这两种情况分别予以考虑分析。3.1.1 带阻感负载时的工作情况所谓阻感负载就是负载中既有电阻，又有电感。其电路图如图 3 所示。图 3 单相全控桥带阻感负载武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书4为了便于讨论，假设电路已工作与稳态。在 正半周，触发角 处给晶闸管 和 加触发脉冲使其开通，2u1VT4。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作d
6、用，假设负载电感很大，负载电流 连续且波形近似为一水平线，其波形如图di4 所示。 过零变负时，由于电感的作用晶闸管 和 中仍流过电流 ，2u 1T4Vdi并不关断。至 + 时刻，给 和 加触发脉冲，因 和 本已承t2VT323T受正电压，故两管导通。 和 导通后， 通过 和 分别向 和u1V施加反压使 和 关断，流过 和 的电流迅速转移到 和 上，4VT1VT414此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。波形如图 4 所示。其平均值为：du)(sin2tdUdcos9.0co单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为。2U图 4 单相全控桥式整流带
7、阻感负载时的工作波形变压器二次电流 的波形为正负各 的矩形波，其相位由 决定，有效2i o180值 。dI2电流 波形如图 4 所示。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书53.1.2 带反电动势负载时的工作情况所谓反电动势负载就是当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。直流电动机工作时会产生反电动势，因此可以看作是反电动势负载。其电路图如图 5 所示。图 5 单相全控桥带电动机反电动势负载忽略主电路各部分的电感时，只有在 瞬时值的绝对值大于反电动势即2u时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，Eu2
8、， ，直至 ， 即降至 0 使得晶闸管关断，此dREdui/)(Edi后 。与电阻负载相比，晶闸管提前了电角度 停止导电。3.1.3 晶闸管电路对电网的影响随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的应用越来越广泛，但电力电子装置也有其不好的地方，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，突出表现为以下几个方面。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
9、至会使线路过热而发生火灾。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书6（3）谐波会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。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）使线路的压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。3.1.4 晶闸管电路参数计算分
10、析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DRMURMU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：)(TN )(TTMTNU)32(2. 晶闸管电流定额的确定晶闸管允许通过的额定电流有效值 大于实际流过晶闸管电流最大有效I值 ，即：TI TAVTNIII)(57.1其中， 为通态平均电流)(AVI dKII)2.()(其中， 为实际电流有效值。dI3. 整流变压器参数计算整流变压器二次侧电压 的计算 整流变压器二次侧电压 的计算公式2U2U如下： ）（ Nsh
11、TdIcAn2miaxos武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书7式中， 整流电路输出电压最大值。 = + =227.1VmaxdUmaxdUNaIR主电路电流回路 n 个晶闸管正向压降。 =2*1=2VTn Tn线路接线方式系数。这里 =0.707cc变压器短路比， =0.050.1，取 =0.05shshshNI2/变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，取最武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书8大值，这里 NI2/=1.5A 理想情况下，即 时整流电压 与二次侧电压 之比，这里o00dU2U取 A=0.9电网波动系数，通常取 =0.9综上所述，整流变压器二次侧电压 为：2=）（ Nsh
12、TdIcUAnUmiax2os )5.1*07.10cos9.*025.（301V整流变压器二次侧电流 的计算 整流变压器二次侧电流 的计算公式2i 2i如下：dIK2这里由于是单相桥式全控电路，所以 =1.11所以，=1.112IdI4. 系统功率因素的计算单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为：=1,3,5,nIId因此可得基波电流有效值为：dII21的有效值 ，可得基波因数为：2idI9.0I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：武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书9cos1所以，功率因数为： 11csIs9.023.2 平波电抗器负载为直流电动机时，如果出
13、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dIn落较大，机械特性较软，相当于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2uE2u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
14、电路图3.3 晶闸管触发电路的设计及定相3.3.1 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。由于全控桥式整流电路带电动机负载，而电动机负载中含有电阻和电感，武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书10由于电动机电枢电感较小，基本可以不予考虑，但要保证电动机电流连续，则通常在电枢回路中串联一个平波电抗器，平稳负载电流的连续，保证整流电流在较大范围内连续。这相当于在回路中串联了一个大电感。因此设计触发电路时需要考虑到这一点。这里设计的触发电路采用锯齿波同步触发电路，这种电路输出为双窄脉冲（也可输出单窄脉冲） ，它适用于对触发电
15、路要求较高的晶闸管整流电路，比如全控桥式整流电路。锯齿波同步触发电路如图 7 所示。锯齿波电路脉冲形成过程如下：当 VT4 管截止时，+15V 电源通过电阻 、 给 VT5、VT6 提供足够的基1R0极电流，使之饱和导通。VT5 集电极电位约-15V（略去 VT5、VT6 管的饱和压降），所以 VT7 管截止，没有脉冲输出。同时+15V 电源又通过电阻 、9RVT5、VT6、-15V 电源给电容 充电，极性左正右负。充电结束后， 两端电3C3C压约为 30V。当 VT4 管基、射极间电压即 C 点电压 时，VT4 管导通，V7.0cuD 点电位 突变到约等于 0V。因为电容两端不能突变，所以
16、VT5 管的基极电位u即 E 点电位突变到-30V，VT5 管截止，其集电极 F 点电位 迅速上升。当时，VT7 管导通，脉冲变压器 TP 二次侧有脉冲输出。在 VT4 导通、VF4.1VT5 截止的同时，电容 经二极管 VD4、VT4、+15V 电源和电阻 放电，然后3C1R又反向充电，使 VT5 管基极电位即 E 点电位 上升，到 VT5 管基、射极正偏时，uVT5 又重新导通，使 VT7 截止，脉冲结束。由此可知，VT4 管导通瞬间即是脉冲发出时刻，VT5 管持续截止时间决定了脉冲宽度，而 VT5 管截止时间的长短和充放电时间常数 相关，因此变更 和 的值，可以改变脉冲的宽度。3C31CR1R3CVT4 管导通时刻，脉冲变压器 TP 二次
