电力电子课程设计三相全控桥式晶闸管电动机系统设计

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1、 武汉理工大学电力电子技术课程设计书说明书 目录1 三相全控桥主电路设计11.1 整流变压器设计11.1.1设计原理11.1.2 参数计算11.2 整流电路设计21.2.1 晶闸管参数计算21.2.2 晶闸管电路对电网的影响31.2.3 晶闸管电路对系统功率因数的影响41.3 平波电抗器的参数计算52 触发电路设计62.1 触发电路选择62.2 TC787芯片介绍62.2.1 芯片介绍62.2.2管脚介绍72.3 触发电路设计82.3.1原理说明82.3.2 同步信号的定相93 保护电路设计103.1 过电压保护设计103.1.1 交流侧过电压保护103.1.2 直流侧过电压保护113.1.3

2、 晶闸管换相过电压保护113.2 过电流保护设计123.3 缓冲电路设计123.3.1 抑制电路设计123.3.2 抑制电路设计12设计心得13参考文献14附录：三相桥式全控晶闸管-电动机系统设计系统电路总图15三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计 1 三相全控桥主电路设计 1.1 整流变压器设计 1.1.1设计原理 由题目要求可知，供电电压为380V市电电压而整流电路的负载是额定电压值为220V的直流电动机，同时题目性能要求整流输出直流电压为0220V，所以整流电路的输入电压最大值应为220V，实现380V电压到220V的电压可以使用合适型号的变压器实现，本设计采用即选用合适的变压器实现降压。

3、而整流电路通常都是采用变压器实现降压，变压器不但可以实现降压而且还多用来作为隔离电路，由于晶闸管整流电路会对电网造成谐波污染等负面影响，所以设计电路时也需要隔离电路以减小影响，在本设计中变压器可以减弱晶闸管整流电路对电网以及其他用电设备的干扰起到隔离作用降低晶闸管电路的负面影响。 1.1.2 参数计算 变压器一次侧电压为380V，二次侧电压为220V，变压器一、二次侧采用连接方式，若不计变压器的励磁电流，则一、二次侧电压与变比关系为： 代入数值： 式中、为一、二次侧线圈匝数比，、为一、二次侧电压值。 由于整流电路输出结果并不是标准的幅值大小不变的正弦波，变压器的电流、容量计算与电路连接形式有关

4、，不过计算变压器容量时我们可以取220V作为有效值计算。 对于三相桥式全控电路，变压器一、二次侧采用连接方式时，接电动机负载，电路中接入平波电抗器电感足够大以使负载电流连续，此时变压器二次侧电流为正负半周各宽、前沿相差的矩形波，其有效值为： 由已知直流电动机额定参数，则计算变压器容量时可取 即： 一次侧电流为： 故变压器一次侧容量为：变压器二次侧容量为： 故可选择电压器容量为：1.2 整流电路设计 1.2.1 晶闸管参数计算 由于晶闸管具有耐压性好，经济性好，性能稳定等优点，设计采用六个晶闸管组成三相全控整流电路，下面计算晶闸管选型时所需参数：晶闸管额定电压与额定电流，根据性能指标要求整流电路

5、输出最大直流电流为： 由于整流电路采用三相全控形式晶闸管有效值与的关系为： 代入数据计算得： 则晶闸管的额定电流为： 代入数值计算得： 对于整流电路采用三相全控形式晶闸管承受的最大电压为： 故晶闸管的额定电压为： 代入数值计算得： 根据电路要求需选用六个晶闸管组成整流电路，按照上述晶闸管参数计算选择合适的晶闸管构成整流电路。电路图接线大致如下：图1 三相桥式整流主电路图1.2.2 晶闸管电路对电网的影响 理论分析学习时我们市场将晶闸管看做理想元件，但是在实际应用中分析问题时，我们不能将其看做理想元件，其有些负面影响是我们应用时必须要考虑的。晶闸管电路对电网的影响主要表现在谐波污染和无功功率两个

6、方面： 晶闸管要消耗无功功率，会对电网产生不利影响，主要表现为： 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，会导致总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。 3.无功功率是线路压降增大，冲击性无功负载还会导致电压剧烈波动。 晶闸管会产生谐波，对公用电网产生危害，主要表现为： 1.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，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。 2.谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 3.谐波会引起

7、电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。 4.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。 5. 谐波会对临近的通信系统产生干扰，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。 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。 所以电路时一般采用相应

8、措施消除无功功率与谐波产生的不利影响，本电路采用的变压器设备可以起到减弱谐波对电网的不利影响。1.2.3 晶闸管电路对系统功率因数的影响 三相桥式全控整流电路接电动势负载时，由于设计加入平波电抗器以达到设计要求即电流连续，所以接电动机负载即电动势负载时可以看做感性负载来计算功率因数，即交流侧电抗为零，直流侧电感L为足够大，以为例，此时电流正负半周各方波，三相电流波形相同，且依次相差，其二次侧电流有效值与整流输出电流的关系为：将电流分解为傅里叶级数，以a相为例，将电流正、负两半波的中点作为时间零点，则有： 由上式可知电流基波与各次谐波有效值分别为： 其中， 由此可得以下结论：电流中仅含（为正整数

9、）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 经计算可知谐波因数为： 电流基波与电压的相位差为，故位移因数仍为： 功率因数即为：1.3 平波电抗器的参数计算在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中，含有各种谐波成份。当控制角增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外

10、，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。 根据设计性能指标要求，保证电流连续的最小电流为5A，则电抗器的电感计算为： 式中：为变压器二次侧电压有效值。 为要求连续的最小负载电流平均值。 为与整流主电路有关的计算系数。 对于不同的控制角，所需的平波电抗器的电感量计算公式为： 式中：为变压器二次侧电压有效值取220V，由设计要求知，为与整流电路有关的计算系数，三相全控桥式电路，计算时取，代入相关参数可以计算出电路所需的最大电感值为： 整流变压器漏电感折算到刺次级绕组每相的漏电感为： 式中：为变压器次级相电压有效值。 为整流电路额定输出电流平均值。 为变压器的短路

11、比，的变压器。 为与整流主电路形式有关的计算系数。 本设计电路中，由设计要求知：，变压器短路比取：，计算系数取：，将各参数代入计算公式得： 由已知电动机参数知电枢电感为： 根据上述计算可得出平波电抗器的大致电感为： 代入各电感参数得： 选择具体平波电抗器时应选择电感值比上述计算得出的电感值L大的平波电抗器。2 触发电路设计2.1 触发电路选择 晶闸管可控整流电路时通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。同时传统

12、的集成触发器KJ和KC系列完成六个晶闸管需要多个芯片共同才能实现，电路比较麻烦。TC787一片芯片即可以完成对六个晶闸管的触发，所以本设计电路选用TC787集成触发电路。2.2 TC787芯片介绍2.2.1 芯片介绍 TC787是用独有的先进IC工艺技术，并参照最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和交流装置，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠。2.2.2管脚介绍 TC787管脚图如下： 图2 TC787管脚图 管脚

13、说明： 1 同步电压输入端：引脚1、引脚2及引脚18为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。 2 脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8、引脚10、引脚12分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7、引脚9、引脚11分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对

14、应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。 3 控制端 （1）引脚4：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压VDD。 （2）引脚5：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。 （3）引脚6：TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。 （4）引脚13：该端连接的电容容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。 （5）引脚14、引脚15、引脚16：对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。 4 电源端 TC787可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3接地，而引脚17