直流电机控制系统晶闸管整流.docx

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直流电机控制系统晶闸管整流

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：

电力电子技术

题目：

直流电机控制系统（晶闸管整流）

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导老师：

审批：

任务书下达日期2009年06月08日

设计完成日期2009年06月19日

设计内容与设计要求

一．设计内容：

1．电路功能：

1）用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：

整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：

触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。

3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护

2.系统总体方案确定

3.主电路设计与分析

1）确定主电路方案

2）主电路元器件的计算及选型

3）主电路保护环节设计

4.控制电路设计与分析

1）检测电路设计

2）功能单元电路设计

3）触发电路设计

4）控制电路参数确定

二．设计要求：

1．设计思路清晰，给出整体设计框图；

2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

3．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。

4．绘制总电路图

5．写出设计报告；

主要设计条件

1．设计依据主要参数

1）输入输出电压：

（AC）220（1+15%）、

2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择

3）要求电机能实现单向无级调速

4）电机型号布置任务时给定

2.可提供实验与仿真条件

说明书格式

1．课程设计封面；

2．任务书；

3．说明书目录；

4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；

5．单元电路设计（各单元电路图）；

6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。

7．总结与体会；

8．附录（完整的总电路图）；

9．参考文献；

10、课程设计成绩评分表

进度安排

第一周星期一:

课题内容介绍和查找资料；

星期二:

总体电路方案确定

星期三:

主电路设计

星期四:

控制电路设计

星期五:

控制电路设计；

第二周星期一:

控制电路设计

星期二：

电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:

写设计报告，打印相关图纸；

星期五下午:

答辩及资料整理

参考文献

1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998

2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000

4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000

5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996

6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996

7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995

8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999

一、概述

二、课程设计方案

本次课程设计的主要内容是利用晶闸管整流来设计直流电机控制系统，主要设计内容有

一、电路功能：

（1）、用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。

（2）、电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：

整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：

触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。

（3）、主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。

（4）、系统具有完善的保护

二、系统整体方案肯定

3、主电路设计与分析

（1）、肯定主电路方案

（2）、主电路元器件的计算及选型

（3）、主电路保护环节设计

4、控制电路设计与分析

（1）、检测电路设计

（2）、功能单元电路设计

（3）、触发电路设计

（4）、控制电路参数肯定

设计要求有一下四点：

一、设计思路清楚，给出整体设计框图；

二、单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

3、分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。

4、绘制总电路图

五、写出设计报告；

主要的设计条件有：

一、设计依据主要参数

（1）、输入输出电压：

（AC）220（1+15%）、

（2）、最大输出电压、电流按照电机功率予以选择

（3）、要求电性能实现单向无级调速

（4）、电机型号布置任务时给定

二、可提供实验与仿真条件

三、系统电路设计

一、主电路的设计

（1）、主电路设计方案

主电路的主要功能是实现整流，将三相交流电变成直流电。

主要通过整流变压器和三相桥式全控整流来实现。

整流变压器是整流设备的电源变压器。

整流设备的特点是原方输入电流，而副方通过整流原件后输出直流。

变流是整流、和三种工作方式的总称，是其中应用最普遍的一种。

作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。

工业用的整流直流电源大部份都是由交流电网通过整流变压器与整流设备而取得的。

整流变压器是专供整流系统的变压器。

整流变压器的功能：

1.是供给整流系统适当的电压，

2.是减小因整流系统造成的波形畸变对电网的污染。

目前在各类整流电路中，应用最为普遍的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示，适应将其中阴极连接在一路的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一路的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

另外，适应上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管别离为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管别离为VT4、VT6、VT2。

从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

以下第一分析带电阻负载时的工作情形。

整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。

另外，以线电压的过零点为时刻坐标的零点，于是可适当整流输出电压持续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60o时）的平均值为

    带电阻负载且α>60o时，整流电压平均值为

    输出电流平均值为Id=Ud/R。

    当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为

    晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。

    三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为

   式中R和E别离为负载中的电阻值和反电动势的值。

主电路图中的保护电路说明在后续章节中会介绍

（3）、主电路的参数计算及器件的选型

①、电动机

本直流电机控制系统选用Z2-102型号电动机，其主要参数如下：

额定电压

额定电流

额定功率

额定转速

②、整流变压器

变压器二次侧电压：

；考虑安全裕量，取1.倍的电压值，因为是三相桥式全控整流，所以A=，所以

变压器二次侧电流：

由三相桥式全控整流电路知识及考虑安全裕量有

变压器的容量：

变压器的变比：

则变压器一次侧电流：

③、晶闸管

晶闸管元件在电路中实际经受的最大电压为

V

考虑安全裕量，所以晶闸管的额定电压为

晶闸管元件在电路中实际经受的最大电流为

考虑安全裕量，所以晶闸管的额定电流为

④、断路器

整流变压器一次侧所接断路器经受的最大电压为

整流变压器一次侧所接断路器经受的最大电流为

考虑安全裕量，选取整流变压器的额定电压为

选取整流变压器的额定电压为

⑤、压敏电阻

压敏电阻的选取主要考虑额定电压和流通容量，压敏电阻额定电压的选取通常可按下面公式计算

为电网电压升高系数，一般取

=~.

考虑安全裕量，整流变压器一次侧压敏电阻额定电压为350V，二次侧压敏电阻额定电压为280V

⑥、电抗器

通常取电动机的额定电流的10%~15%作为电抗器的额定电流

故

考虑安全裕量，取电抗器的额定电流为100A。

⑦、熔断器

⑧、接收器

⑨、电压表

为了电压表的安全考虑，应三相电源相电压的额定值为220V，应选取整流变压器一次侧电压表的量程为250V。

二、控制电路设计

（1）、控制电路简述

本部份利用的是电流、转速双闭环直流调速控制系统。

电流、转速双闭环直流调速系统由电流调节器和转速调节器串级联结而形成电流负反馈内环和转速负反馈外环而组成，如下图所示：

转速调节器的输出作为电流调节器的输入，由电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发器。

通过设置转速调节器的输出限幅和配合调节转速反馈的通道的增益，能够取得电机启动、制动等进程中的电枢回路的最大电流值，使得电动机快速启动和制动。

同时通过双环结构能够专门好的抑制电网电压波动和负载转变等扰动量的电机转速输出的影响，因此电流、转速双闭环直流调速控制系统具有良好的动态和静态特性。

电流、转速双闭环直流调速控制系统设计出来对主电路与控制电路设计之外更为重要的环节就是电流调节器和转速调节器的设计一般电流和转速调节器由比例积分调节器组成，因此即是二者比例积分参数整定的问题。

（2）、控制电路原理图

（3）、触发电路简述

本触发电路以TCA785为核心的可控硅三相全控桥触发电路

TCA785是德国西门子（Siemens）公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它是取代TCA780及TCA780D的更新换代产品，其引脚排列与TCA780、TCA780D和国产的KJ785完全相同，因此能够互换。

目前，它在国内变流行业中已普遍应用。

与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相较，它对零点的识别加倍靠得住，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。

①、引脚排列、各引脚的功能及用法

TCA785是双列直插式的16引脚大规模集成电路。

它的引脚排列如下图所示。

各引脚的名称、功能及用法如下:

引脚16（VS）：

电源端。

使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。

引脚1（OS）：

接地端。

应用中与直流电源VS、同步电压VSYNC及移相控制信号V11的地端相连接。

引脚4（Q1）和2（Q2）：

输出脉冲1与2的非端。

该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相位互差180°，两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13（L）的控制。

它们的高电平最高幅值为电源电压VS，允许最大负载电流为10mA。

若该两端输出脉冲在系统中不用时，电路自身结构允许其开路。

引脚14（Q1）和15（Q2）：

输出脉冲1和2端。

该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样互差180°，脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚12（C12）的控制。

两路脉冲输出高电平的最高幅值为VS。

引脚13（L）：

非输出脉冲宽度控制端。

该端允许施加电平的范围为~VS，当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。

引脚12（C12）：

输出Q1、Q2脉宽控制端。

应用中，通过一电容接地，电容C12的电容量范围为150~4700pF，当C12在150~1000pF范围内变化时，Q1、Q2输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为100μs，而输出宽脉冲的最宽宽度为2000μs。

引脚11（V11）：

输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。

应用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785工作于50Hz，且自身工作电源电压Vs为15V时，则该电阻的典型值为15kΩ，移相控制电压V11的有效范围为~Vs-2V，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整个移相范围内变化，其触发脉冲出现的时刻为

trr=（V11R9C10）/（VREFK）

式中R9、C10、VREF──分别为连接到TCA785引脚9的电阻、引脚10的电容及引脚8输出的基准电压

K──常数

为降低干扰，应用中引脚11通过μF的电容接地，通过μF的电容接正电源。

引脚10（C10）：

外接锯齿波电容连接端。

C10的实用范围为500pF~1μF。

该电容的最小充电电流为10μA。

最大充电电流为1mA，它的大小受连接于引脚9的电阻R9控制，C11两端锯齿波的最高峰值为VS-2V，其典型后沿下降时间为80μs。

引脚9（R9）：

锯齿波电阻连接端。

该端的电阻R9决定着C10的充电电流，其充电电流可按下式计算：

I10=VREFK/R9

连接于引脚9的电阻亦决定了引脚10锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为：

V10=VREFKt/（R9C10）电阻R9的应用范围为3~300kΩ。

引脚8（VREF）：

TCA785自身输出的高稳定基准电压端。

负载能力为驱动10块CMOS集成电路，随着TCA785应用的工作电源电压VS及其输出脉冲频率的不同，VREF的变化范围为~，当TCA785应用的工作电源电压为15V，输出脉冲频率为50Hz时，VREF的典型值为，如用户电路中不需要应用VREF，则该端可以开路。

引脚7（QZ）和3（QV）：

TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。

其高电平脉冲幅值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为10mA。

QZ为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲Q2与Q1或Q1与Q2的两倍，是Q1与Q2或Q1与Q2的或信号，QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控制角φ+180°，它与Q1、Q2或Q1、Q2同步，频率与Q1、Q2或Q1、Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。

引脚6（I）：

脉冲信号禁止端。

该端的作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值10kΩ的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为~VS，当该端通过电阻接地，且该端电压低于时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。

而该端通过电阻接正电源，且该端电压高于4V时，则封锁功能不起作用。

该端允许低电平最大灌电流为，高电平最大拉电流为。

引脚5（VSYNC）：

同步电压输入端。

应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二极管，该端吸取的电流为20~200μA，随着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同，同步电压可以取不同的值，当所接电阻为200kΩ时，同步电压可直接取~220V。

②、以TCA785为核心的可控硅三相全控桥触发电路

TCA785可控硅移相触发器是西门子公司生成的单片可控硅移相触发电路。

它能够输出两路相位差180°的移相触发脉冲，且触发脉冲可在0～180°之间任意移动。

该电路主要用于各类变流设备中触发单双相可控硅，亦可用于晶体管驱动。

电参数如下：

电源电压：

直流±（15V+5V）％。

交流同步电压：

任意值（由所加同步电阻值决定）。

同步输入电流：

≤500µA。

移相范围：

0～180°。

锯齿波幅度：

≥10V。

输出脉冲：

a．脉冲宽度：

30µs～180°-α。

b．脉冲幅度：

≥12V。

以TCA785为核心的可控硅三相全控桥触发电路

KM-18-2模块电原理图本电路可普遍地应用于三相全控整流、三相交流调压等方面。

3、保护电路设计

（1）、过电压保护

电路中电感元件积累的能量骤然释放或外界侵入电路的大量电荷积累产生过电压，对系统的安全运行组成危害。

所以，过电压保护的大体做法，是在电路中设置吸收能量保护的元件，使能量得以释放，以保证晶闸管装置的靠得住工作。

在本设计系统中，采用压敏电阻保护。

压敏电阻保护是将压敏电阻并联在电路中,当电压大于必然值的时候,压敏电阻击穿短路,将电压限制在击穿电压下,刹时（容量小于压敏电阻极限电流）的浪涌是不会烧掉压敏电阻的,可是长时刻或容量大于压敏电阻短路容量的,就会损坏压敏电阻,乃至会炸裂压敏电阻.因为电路的上级必然会有短路保护元件,所以压敏电阻击穿短路后会引发上级短路保护动作.

主电路压敏电阻过电压保护接线如下图所示：

（2）、过电流保护

①、快速熔断器保护

对于晶闸管整流装置，过电流保护设计是很重要的。

若是短路或过电流数值过大，而切断的时刻稍慢，就会造成晶闸管的损坏。

所以过电流保护办法在系统中是必不可少的。

本系统中采用快速熔断器作为短路保护元件，将快速熔断器串联在交流侧做过电流保护，能对元件起到较好的保护作用。

快速熔断器做过电流保护是晶闸管装置中应用最普遍的保护办法。

快速熔断器德的断流时刻在10ms之内。

将快速熔断器与晶闸管元件串联，由于二者的电流相同，对做保护用最好接法如下图所示：

②、断路器保护

断路器的作用是切断和接通负荷电路，和切断故障电路，避免事故扩大，保证安全运行。

而高压断路器要开断1500V，电流为1500-2000A的电弧，这些电弧可拉长至2m仍然继续燃烧不熄灭。

故灭弧是高压断路器必需解决的问题。

吹弧熄弧的原理主如果冷却电弧减弱热游离，另一方面通过吹弧拉长电弧增强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。

（3）、电抗器保护

在晶闸管变流装置供电的直流调速系统中，常在直流侧串有带空气隙的铁心电抗器，使输出电流持续、限制电流脉动，并抑制环流，以提高装置对负载供电的性能和提高运行的安全靠得住性。

四、总结

为期两周的电力电子课程设计就要结束了，虽然两周的时刻很短暂，但这两周的每一天都值得回忆，因为这两周的每一天咱们都收获颇丰，每一天咱们都过得很充实，每一天咱们都感受到一种紧迫同时又感受到了自己实实在在的进步，最为重要的是，通过如此一次动手实践，咱们不仅进一步夯实了咱们对《电力电子技术》这门学科的理论学习，更让咱们明白了一个道理：

理论只有结合实践才能加倍清楚深刻，学习只有付出才能有收获，只要付出也必然会有收获。

在第一天，也就是在分派任务那天，唐勇奇老师把直流电机控制系统（晶闸管整流）那个任务分下来时，感觉很迷茫，惊惶失措，也不明白从哪里入手。

但在唐老师的细心讲解后仍是有了必然的头绪，也大体上肯定了自己的设计方向。

最开始我并无急于去做，而是先构思整个思路和夯实基础，先是把讲义上与整流电路相关的知识温习了一遍；然后去图书馆借了部份参考书，把整个直流电机控制系统的相关知识了解了一遍；并通过网络找到了最新的触发电流。

一直到周三才开始着手做，因为有了充分的预备，再加上唐老师天天耐心的答疑，到周五，我的课程设计的大致内容大体上出来了。

在课程设计完成后，我真正体会的学习的乐趣，感受到了一份付出一份回报的快乐，先前碰到的如此那样的畏难的想法、各种麻烦困难一下烟消云散，心里面一片豁达爽朗，我开始庆幸自己的选择，庆幸自己没有舍弃，庆幸自己一直在尽力，也特别感激唐老师在整个课程设计中的帮忙，谢谢您！

五、参考文献

一、王兆安、黄俊主编的《电力电子技术》机械工业出版社

2、刘祖润、胡俊达主编的《毕业设计指导》机械工业出版社

3、王忠礼、段慧达、高玉峰主编的《MATLAB应用技术——在电气工程与自动化专业中的应用》清华大学出版社

4、石玉、栗书贤主编的《电力电子技术题例与电路设计指导》机械工业出版社

5、莫正康主编的《电力电子技术应用（第3版）》机械工业出版社

6、郑琼林主编的《耿学文．电力电子电路精选》机械工业出版社

7、刘定建、朱丹霞主编的《实用晶闸管电路大全》机械工业出版社

8、刘星平主编的《电力电子技术及电力拖动自动控制系统》

9、刘星平主编的《一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用》

10、陈伯时主编的《电力拖动自动控制系统》机械工业出版社

六、附录

附直流电机控制系统（晶闸管整流）电路图

七、评分表

电气与信息工程系课程设计评分表

项目

评价

设计方案的合理性与创造性

硬件制作或软件编程完成情况*

硬件制作测试或软件调试结果*

设计说明书质量

设计图纸质量

答辩汇报的条理性和独特见解

答辩中对所提问题的回答情况

完成任务情况

独立工作能力

组织纪律性（出勤率）

综合评分

指导教师签名：

日期：

注：

①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

②此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。