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1、 电力电子技术电力电子技术课程设计报告课程设计报告题 目： 晶闸管 10KW 直流电动机调速系统设计 专 业： 电气自动化技术 班 级： 14 电气 姓 名： 闫薇薇 学 号： 140104020 指导教师： 喻丽丽 目录目录1. 课程设计题目及要求.III1.1 题目.III1.2 控制要求.III1.3 系统总体方案设计IV2.三相全控桥主电路设计V2.1 电路及原理V2.2 整流变压器参数计算.VI2.3 晶闸管参数计算.VIII3.触发电路设计.IX3.1 KC04 芯片引脚介绍.IX3.2 KC04 芯片原理图.X3.3 触发电路及原理.X4. 反馈电路参数的选择与计算XIII4.1
2、 测速发电机的选择XIII4.2 电流截止反馈环节的选择XIV4.3 调速静态精度的计算.XV4.4 给定环节的选择.XVII4.5 电机负载变化转速恒定原理.XVII5.设计总结.XVIII参考文献.XIX1. 课程设计题目及要求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
3、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
4、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 = 0.941.3 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
5、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
6、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
7、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。2.2 整流变压器参数计算的计算2U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，2U功率因数变坏，整
8、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） NshTdIICUCosAnUUU22 minmax 2 式中，理想情况下，时整流电压与二次电压之比，AC 00dU2U即；20UUAd控制角为时，输出电压与之比，即；BdU0dU0ddUUB 电网波动系数，通常取；9 . 0整流电路输出电压最大值；maxdU主电路电流回路；TnU线路连接方式系数；C变压器的短路比，变压器；shUKVA100101 . 005. 0shU变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，应取最大值。NII22/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）BAUUd )2 . 11 (2其中
9、， 取34. 2A9 . 0角考虑 20的裕量：cos=0.94=104125V，取BAUUd )2 . 11 (2VU1102电压比（3-3）45. 311038021UUK一次和二次相电流和的计算1I2I816. 021IIKK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1I（3-5）AAKIKId I7 .1345. 355816. 005. 105. 111（3-6）AAIKIdI4555816. 022变压器的容量计算（3-7） 1111IUmS 2222IUmS )(2121SSS式中：、一次侧、二次侧绕组的相数1m2mkVAkVAIUS6 .15)7 .1338
10、03(3111kVAkVAIUS85.14)451103(3222kVAkVASSS3 .15)85.146 .15(21)(2121考虑励磁功率，取，kWWPL352. 0)6 . 0220(kVAS161kVAS2 .152，。kVAS6 .15AI141AI462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=1000VVVUUUmTN8085391106)32(6)32()32(2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TNI流最大有效值，即TI（3-8）TAVTTN
11、III57. 157. 1)(（3-9）d ddTT AVTKIIIIII57. 157. 1)(考虑倍的裕量，25 . 1367. 0K，取。AAKIIdAVT4 .483 .3655367. 0)25 . 1 ()25 . 1 ()(AIAVT50)(故选用型号为 KP50100 晶闸管元件。TR图 23 阻容保护接线方式3.触发电路设计触发电路设计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（1
12、1）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
13、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GTRGTOMOSFETIGBT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
14、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；要求触发电压不小50KPV5 . 3mA100200KP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mA200
15、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s10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s1006090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，10以实现精确的触发导通控制。 （4）触发脉冲的移
