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1、电力机车可控直流电源课程设计.电力机车可控直流电源设计二. 设计的目的本课程设计的任务是培养学生综合运用电力电子学、模 拟电子技术和电机学所学知识分析、解决工程或科研实际 问题的能力。其目的是巩固学生所学知识的同时，提高学生的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作用。在规定时间内通过分析任务书、查阅收集资料，充分发挥主 动性与创造性，在老师的指导下联系实际、掌握正确的方法，理清思路，独立完成课程设计，撰写设计说明书，其格式和字数应 符合规定。根据要求设计出实际可行的电路，并计算电路中所用 元器件的参数，确定其规格型号；课程设计说明书要求整洁、完 备、内容正确、概念清楚、文字通畅，
2、并绘制出相应的电路图， 符合规范。三. 设计的任务和要求电力机车不可逆调速系统的可控直流电源设计A原始数据：P=10kW， Ued=220V，led=55A， n=1500r/min， Ra=0.5Q， LM=3mH，入=1.5。B设计内容和要求：a）设计整流电路主电路。b）设计变压器参数：U1，I1，U2, I2。要求考虑最小控制角a min、电网电压波动、晶闸管管压降和 变压器漏抗等因素计算变压器二次相电压值，附主要计算步骤。 C）整流兀件参数的计算和选择：依据参数计算，正确选择器件 型号，并附主要参数。d）触发电路设计和主要参数的计算，同步电压的选择。e）设计保护电路：正确选择电压、过流
3、保护电路，简要说明选 择依据；计算保护元件参数并选择保护元件型号。电力机车可控直流电源课程设计f)电抗器的参数设计二具体的计算和选择过程一.主电路的选择根据实验要求的原始数据，直流电机的功率 P 10KW 5KW， 属于较大功率的电机，同时此电机为直流电机，并且需要叫平稳 恒定的速度，因此需要驱动电路提供叫平稳的电压和电流， 而且 在作为电力机车的驱动电机其需要较大的调速范围， 综合分析以 上因素，所以选用驱动功率大，输出电压脉动较小，而且电压调 节范围较大的三相桥式全控整流电路。一.整流变压器的设计和计算 变压器二次侧相电压有效值U2的计算在不考虑最小控制角，电网电压波动，晶闸管管压降和变压
4、器漏感等因素的理想情况时，直流端输出电压 Ud为：U d 3 V6U 2 sinwtd(wt) 2.34U 2 cos33( 60 )所以UdU2 d2.34 cos 然而，当考虑到最小控制角，电网电压波动，晶闸管管压降和变压器漏感等因素的理想情况时，Ud的表达式应该为：U2 KoKQgUedUb)Uvt1K0系数，Kc=0.42742.34Ki电网波动系数，一般取Ki=1.12K2与最小导通角min有关的系数K2=1CSmin为了在额定负载下仍然能进行电压调节，不能按控制角min=0进行计算，一般规定不可逆 min = 1015 ,此主电路中 min取15。K3 为考虑其他因素影响的安全系数
5、， K3取1.1 1. 2, 当桥臂上串联的元件数较多时，可取大数值，由于主电路的桥臂 上串联的元件较少，故取K3=1.1。Ued 整流器额定输出电压。相当于额定电流时负载的电压。Uvt 晶闸管导通时的管压降，一般取Uvt=1V。U b 变压器漏感而产生的压降，其计算方法为：3XbJId为整流器输出端的电流，Xb为变压器的漏抗，一般按Xb=0.3。根据以上分析与公式，将电机原始数据代人以上公式得：U2 KoK1K2K3(UedUb) Uvt3 0.3 55、 c=0.42741.12 cos15 1.1 (2202)2=122.926V 变压器二次侧相电流有效值的计算。因为整流器的负载输出端串
6、联有电抗器，一次变压器的二次侧电流可视为大小不变的电流，因此其有效值为:322dId22,3Id0.8161 d因为 led Id 55A故：l20.816 55 44.88A 变压器一次侧相电流有效值的计算因为在中，已将变压器二次侧相电压有效值 U2计算出来故可计算出变压器的变比K假设采用的变压器为-Y连接，一次侧为 接，二次侧为丫接。K=Ni =380/ 122.926= 3.0913N2I1N2 .I 2N1因此，一次侧电流的有效值l1 N2|2=|2/k二15AN1综上所述：变压器的主要参数U1 U2 I1 I2 k为U1U2I1I2k380V122.926V15A44.88A3三.晶
7、闸管的选择 额定电流的计算因此因为本驱动电流的主电路应用的是三相桥全控整流电路, 晶闸管的电流的有效值与直流端的输出电流的关系为0.5771 d =31.735因此可求出晶闸管的额定电流IVT(AV)1 VT1.570.3681 d =20.213考虑到晶闸管的过载能力差，在选择晶闸管的额定电流时，取实 际需要的1.5 2倍，使之有一定的安全裕量，保证晶闸管的可 靠运行。因此晶闸管的额定电流计算公式为：lVTIvt(av) (1.52) VT (1.5 2) 0.368Id1.57所以在此主电路中晶闸管的额定电流为：1 VT (AV )(1.5lVT2)1.572 0.368ld30.32 4
8、0.427A 额定电压的计算由三相桥全控整流电路的特点得出晶闸管在电路中所可能承受 的最大正反向电压为：UTm 6U2所以元件正反向重复峰值电压必须满足：U drmK b2 U rrmK b 6U 2式中Kb考虑电网的波动、过压等的安全因素，一般取Kb= 2 3。在380V的整流电路中，Kb取2.2。所以根据以上晶闸管额定电压的分析其额定电压为：Un Kb6 U2 2.26 122.926 662.433691.3175V 晶闸管的选择极其主要参数lVT(AV) 2 储 2 0.368ld 40.48AUn Kb6 U2 226 122.926 662.433V故晶闸管选用KP系列的KP50晶
9、闸管，其主要参数为额定电流1N50A额定电压Un100-2400V触发电流I TM150mA四.触发电路的设计.触发电路的选择： 相比于分立元件的触发电路，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达的提高， 晶闸管触发电路的集成化已经逐渐普和， 现已逐步取代分立式电 路。TC787是为移相触发集成电路而设计的单片集成电路。与 TCA785和KJ（或KC）系列集成电路相比，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，只需一个这样的集成电路，就可完成 3只TCA785与 1只KJ041、1只KJ042
10、或5只KJ系列器件组合 才能具有的三相移相功能。另外，TC787分别具有A型和B型器 件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择 （工频时选A型器件，中频100400Hz时选B型器件）。考虑到以上因素，所以触发设计用 TC787为基础的触发电路。.触发电路芯片的介绍：Ye 1 I1SIV17|nn电迂1610ftVr匡EICcPI 1 5TC7877m CtPc叵-e vr1Z1 AC |_g_UJ-c(1) 同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)和引脚18(Va)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
11、电源电压VDD脉冲输出端：TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时(此 实验中将TC787设置为全控双脉冲 工作方式)，引脚8为与三相 同步电压中C相正半周和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相正半周和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相负半周和B相正 半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同 步电压负半周和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相电压负半周和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相正半周和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
12、 的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。控制端 引脚4(Vr):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( 8 18V或5 9V)，在此触发电路中Vdd取15V,为单电源工作方式。电力机车可控直流电源课程设计 引脚5(Pi):输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下圭寸锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。 引脚6(Pc) : 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。 引脚13(Cx):该端连接的电容C
13、x的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，贝U脉冲宽度越宽。 引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca):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。(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(VSS) 接地，而引脚17(VDD)允许施加的电压为818V。.触发电路的设计和其参数的计算：图中电容C1C3为隔直耦合电容，而C4C6为滤波电容，它与R1-R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。同时， RP1-RP3三个电 位器的不同调节，可实现060的移相，它们与Ca,Cb,Cc共同起到移相的作用
14、，从而适应不同变压器的要求，所以取RP RP, RR 20KC1 C2 C310 FC4 C5 Cq 1 F在TC787的同步电压输入端支路中，两个 R起稳定电压的作用, 同时不可以有太大的电流：故取R 20k此时通过其电流为I VdD 0.375mA2R电流足够小，故不会影响总电路的电压电流。因为在同步信号为50HZ时，电容Ca,Cb, Cc采用0.15 uF电容时，相对误差小于5%，以锯齿波线性好，幅度大，不平顶。所以去Ca Cb Cc 0.15 F电容Cx决定调制脉冲或输出方波的宽度，用0.01 F的电容，脉冲宽度为1mS.其脉冲宽度为比较良好的脉冲宽度，故 Cx取0.01 FCx=0.01 F同步电压的选择：由上述TC787的介绍中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相正半周和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相正半周和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相负半周和B相 正半周对应的两个脉冲输出端等说明中可知，TC787输入的主电路的电压 Ua, Ub, Uc与同步电压 Usa Usb Use之间的相位关系是可调的，调节RR,RR,RF3
