电力电子课程设计直流电动机调压调速单相可控直流电源设计.doc

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1、武汉理工大学华夏学院课 程 设 计题 目直流电动机调压调速单相可控直流电源设计院 系 信息工程系专 业自动化班 级1081姓 名 学 号10212408121指导教师 2011年1月19日课程设计任务书学生姓名： 符圣驹 专业班级： 自动化1081 指导教师： 李向明 工作单位： 信息工程系 题目：直流电动机调压调速单相可控直流电源设计初始条件：1直流电动机参数：PN3KW，UN220V，IN16A，nN1500r/min，Ra0.2，励磁：它励，励磁电压220V，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。2.进线交流电源：单相220V3.性能指标：直流输出电压0-220V，最

2、大输出电流24A，保证电流连续的最小电流为5A。要求完成的主要任务：1. 单相全控桥式主电路设计（包括整流变压器参数计算，整流元件定额的选择）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。2.触发电路设计。触发电路选型（可使用单结管触发电路或集成触发器），同步信号的定相等。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.提供系统电路图纸不少于一张。 课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.1.142011.1.15 收集资料，确定设计方案2011.1.

3、162011.1.17 系统设计2011.1.182011.1.19 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名： 年 月 日 摘 要随着科学技术的不断进步,电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我们的工业的整体面貌。同时，对社会的生产方式,人们的生活方式与思想观念也尝试了重大的影响，并且在现代化的建设中发挥着越来越重要的作用。在进入21世纪后电力电子技术的应用得到了更加广泛的发展,对电力电子技术的研究更为重要起来。主电路是采用晶闸管可控整流装置进行调速;控制电路是采用双闭环速度电流调节方法进行反馈。系统采用调压调速的调速方法可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基

4、速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速。双闭环速度电流调节这种方法虽然初次头次成本相对而言较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。本设计的重点也就是对ASR和ACR的设计。 目录前言4第一章 设计方案要求及分析51.1 设计要求51.2 设计分析5第二章 电动机系统6第三章 单相全控桥式整流电路单元电路模块分析73.1 单相全控桥式整流电路73.2 电路参数计算分析83

5、.3 晶闸管触发电路的设计93.4晶闸管电路对电网的影响103.5 晶闸管过电压保护电路的设计113.6晶闸管过电流保护电路的设计12第四章 设计体会与小结13参考文献14附录15前言电力电子线路的基本形式之一，即交流交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。其中，只改变电压、电流而而不改变交流频率的电路成为交流交流电力控制电路，包括交流调压电路，交流调功电路，交流电力电子开关等；在改变电压电流的同时，不需要该变其频率的交流交流变频电路成为交交变频电路，即直接把一种频率的交流变频变换成另一种频率或可变的交

6、流。电力电子变流技术课程设计是对本门课程的总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一实际问题的基本训练，加深对该课程知识的理解。根据课堂讲授内容，学生做相应的自主练习，消化课堂所讲解的内容。通过此次设计掌握单向桥式全控整流电路的工作原理，了解调数原理，掌握过零检测电路及控制电力等。通过本课程设计, 主要训练和培养学生的以下能力:查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料的能力；方案的选择：树立既考虑技术上的先进性与可行性,又考虑经济上的合理性,并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速准确的进行工程计算的能力,计算机应用能力；用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想

7、的能力。第一章 设计方案要求及分析1.1 设计要求直流电动机参数：PN3KW，UN220V，IN16A，nN1500r/min，Ra0.2，励磁：它励，励磁电压220V，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。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

8、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。第二章 电动机系统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

9、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。图2-系统总体框图整流电路直流电压的平衡方程为：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起的阻抗。第三章 单相全控桥式整流电路单元电路模块分析3.1单相全控桥式整流电路在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT6组成一对桥臂，VT3和VT4组成另一对桥臂。在U2正半周（即a点电位高于b点电位）,若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，Ud也为零，VTI、VT6串联承受电压U2，设VT1和VT6的漏电阻相等，则各承受U2的一半。若在触发角处给VT1和VT6加触发脉冲，VT1和VT6即导通，电流从电源a端经VT1

10、、R、VT6流回电源b端。当U2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT6关断。 在u2负半周，仍在触发角处触发VT3和VT4（VT3和VT4的=0位于t=处），VT3和VT4导通，电流从电源b端流出，经VT4、R、VT3流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，VT3和VT4关断。此后又是VT1和VT6导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管VT1、VT6两端电压波形分别如图3.1所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为2/2 U2和2U2。图3.1单相桥式全控整流电路电阻性负载由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在U2一个周期内，整流电压

11、波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，如图3.2所示，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。3.2单相全控桥式整流带阻感负载时的工作波形从图中可看出，负载上的直流电压输出波形与单相半波时多了一倍，晶闸管的控制角可从0180，导通角为。晶闸管承受的最大反向电压为，而其承受的最大正向电压为。3.2电路参数计算分析单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：输出电压平均值的计算公式：通常取晶闸管的（断态重复峰值电压）和（反复重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用

12、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：负载电流平均值的计算公式：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值，即：其中，为通态平均电流其中，为实际电流有效值。输出电压的有效值的计算公式：U301V负载电流有效值的计算公式：流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：晶闸管可能承受的最大电压为：3.3晶闸管触发电路的设计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，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

13、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），它适用于对触发电路要求较高的晶闸管整流电路，比如全控桥式整流电路。触发电路如图3.3。图3.3触发电路3.4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）谐波使

14、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，甚至会使线路过热而发生火灾。（2）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。（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）使线路的压降增大，冲击

15、性无功负载还会使电压剧烈波动。（3）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。3.5 晶闸管过电压保护电路的设计晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。，包括换相过电压和关断过电压。如图3.5 图3.5晶闸管过电压保护电路晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。3.6晶闸管过电流保护电路的设计其中采用快速熔断器、直流快速断路器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提

16、高保护的可靠性和合理性。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 图3.6晶闸管过电流保护电路从图3.6可以看出，晶闸管的过电流保护采用快速熔断器进行保护，因为快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。如图12 所示。快速熔断器与晶闸管直接串联。第四章 设计体会与小结本次课程设计主要考察对单相桥式全控晶闸管电动机系统的了解，并设计出符合要求的晶闸管电动机主电路，当然还需要设计出一些辅助电路，比如晶闸管触发电路，晶闸管过电压、过电流保护电路等等。整个系统可以先分成几个模

17、块，然后再根据总体设计要求将各个单元模块电路组合，就可以设计出完整的单相桥式全控晶闸管电动机系统。设计过程可以看作一个信息梳理、信息处理、信息应用的过程。首先，需要认真思考设计要求，并认真查阅资料、收集资料；其次，需要对收集好的资料进行认真审核，确定整体设计思路，进而将整体思路分成几个小的模块，分别予以分析讨论，最终确定最佳设计方案；最后，将设计思路以书面形式描述出来，并完成设计报告。这个过程中，我遇到了很多难题，比如晶闸管触发电路的选定、保护电路的选择等等，但在我自己的努力和老师同学的帮助下，这些难题最终被克服，并顺利完成了设计报告。这次课程设计时间非常紧凑，因为两个课程设计撞到了一起，两者

18、都要顾及，因此很花费时间和精力。虽然，时间紧凑，但这并不影响我完成设计报告的质量，这对于我自己来说是一个挑战。参考文献1王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2007.2李发海，王岩.电机与拖动基础.清华大学出版社.2005.3高玉奎.电力电子实用电路100例.中国电力出版社.2008.4栗书贤，石玉.晶闸管变流技术题例及电路分析.机械工业出版社.1991.5黄俊，王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版社.1993.6王文郁，石玉，李秉象.晶闸管变流技术应用图集.机械工业出版社.1988.附录本科生课程设计成绩评定表姓 名符圣驹学 号10212408121专业、班级自动化1081课程设计题目：直流电动机调压调速单相可控直流电源设计课程设计质疑记录：成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好（20分）设计说明书文理通顺，工整（10分）设计方案合理，论证充分（20分）设计资料齐全，格式规范（10分）独立完成任务，无原理性错误（20分）答辩（20分）总 分：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）