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1、电力电子学课程设计信息工程学院电力电子学课程设计报告书题目: 直流电动机调压调速可控整流电源设计 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 0309410 学 号： 030941017 学生姓名： 李 攀 指导教师： 钟建伟 2012年 5 月 7 日 目 录1.设计的基本要求22.总体方案32.1方案选择32.2总体框图33.电路原理说明43.1主电路原理说明43.2触发电路64.电路参数及元件选取104.1主电路元件选择104.2整流变压器额定参数计算104.2. 一次与二次额定电流及容量计算115.保护电路工作原理135.1过电流保护135.2过电压保护136.应用举例167.总结体会18
2、附录一：元器件清单19附录二：参考文献20附录三：附图211.设计的基本要求设计要求： 1、电源电压：交流380V/50Hz2、输出电压范围50V-150V3、50150V范围内，直流输出额定电流：100A4、具有过流保护功能5、具有稳压功能6. 直流输出电流连续的最小值为10A7、效率不低于70%随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能10%40%，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节。该设计以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分三个基本
3、环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。该装置可以用于发电机励磁仿真实验，实现励磁全工艺调节；还可用于直流电机调速系统、同步电机传动系统、通用直流电源、UPS等，也可作为交流电机传动系统相控交交变频器的基本单元。52.总体方案2.1方案选择该设计以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲，脉冲宽度在8左右。本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉
4、冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。 三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短。，由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。9 根据已知要求，额定电流为100A，额定电压为150V，可求的功率P=100*150=15KW，一般整流装置容量不能很好满足，选用三相整流较为合适。2.2总体框图该系统的总体框图如图1所示。图1 系统框图 3.电路原理说明3.1主电路原理说明主电路图如下图所示；为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换
5、作二极管，这种情况就也就相当于晶闸管触发角=0o时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 为相电压
6、在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压 为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端所接的电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几乎为一条直线。其电路工作波形如图2所示。当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。当= 时，从角开始把一个周期等分为6段，每段为与时的情况相比，一
7、周期中波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了,组成 的每一段线电压因此推迟，平均值降低。图3中给出了变压器二次侧a相电流的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，为正，由于大电感的作用，波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，波形的形状也近似为一条直线，但为负值。图3 =30o时的波形当=时，波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值继续降低，时出现了为零的点。由以上分析可见，当时，波形连续。对于带大电感的反电图4 90o时的波形动势，波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当时，如时电阻负载情况
8、下的工作波形如图4所示，平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得的值出现负值，当电感足够大时，中正负面积基本相等，平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的角的移相范围为。1，23.2触发电路3.2.1触发电路的脉冲类型对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，称为双脉冲触发。1，2双脉冲电路较复
9、杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲触发。3.2.2 常用的集成触发电路常用的三相全控桥整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个KJ041集成块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。图5 KJ004电路原理图KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见图5：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY，只
10、有改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和 C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为任意值。双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。8 图6 三相全控桥整流电路的集成触发电路3.3.3触发信号波形7向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，
11、电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。2图7 三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。触发电路定相的关键是确定
12、同步信号与晶闸管阳极电压的关系。主电路电压与同步电压的关系如图7所示。对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电压相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为+，VT1的触发脉冲从 至的范围为。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为，上升段起始的和终了的线性度不好，舍去不用，使用中间的。锯齿波的中点与同步信号位置对应。三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使的触发角为。当时为整流工作，时为逆变工作。将确定为锯齿波的中点，锯齿波向前、向后各有的移相范围。于是与同步电压的对应，也就是与同步电压的对应。2对于其它五个晶闸管，也存在同
13、样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压。对于共阳极组的VT4、VT6和VT2，它们的阴极分别与、和相连，可得简单表示它们的主电路电压分别为、和。以为分析了同步电压与主电路电压的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可图8 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图选定每一个晶闸管的同步电压信号。图8给出了变压器接法的一种情况及相应的矢量图，其中主电路整流变压器为Dy11联结，同步变压器为Dy5y11联结。这时，同步电压选取的结果如表2所示。3表2 三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图8变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压同步电压为防止电网电压波形畸变对触发
14、电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波滞后角为时，同步电压选取结果如表3所示。表3 三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波波滞后）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压同步电压当变流形式不同，或整流变压器、同步变压器接法不同时，可参照上述例子确定同步电压信号。4.电路参数及元件选取4.1主电路元件选择该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。Ud=150V时，不计控制角余量按=0计算：由U2得 U2= =64.1V 取80V=（23） =（23）*U2 =（23）*120V =392588 V取Ute为700V 当Id=100A时，流过每个晶闸管的电流有效值为：= =50A=29A 晶闸管额定电流: = =18.5A 取Kf=1.73,考虑2倍裕量：取50A,当Id=5A时=5A=2.85A = 1.8A 考虑2倍裕量：取5A 按要求表明应取=0
