三相全控桥式晶闸管—电动机系统设计.docx

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目录

摘要 2

1三项全控桥式主电路设计 3

1.1整流变压器的设计原理 3

1.2参数计算与选择 5

1.3整流元件的选择 7

1.4平波电抗器的选择 8

1.5晶闸管电路对电网的影响 9

1.6系统的功率因数分析 10

2触发电路的设计 12

2.1触发电路的选择 12

2.2TC787芯片介绍 12

2.3设计原理 14

3保护电路设计 15

3.1过电压保护 15

3.2过电流保护 17

4抑制电路设计 19

4.1抑制电路设计 19

4.2抑制电路设计 19

设计心得 20

参考文献 21

附录 22

摘要

许多机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态，动态性能。

而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。

双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用最广泛的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

本次设计主要就是针对直流调速装置，利用晶闸管三相全控桥式整流技术，结合集成触发器芯片，组成晶闸管三相全控桥式整流直流电动机调速系统，主要应用的芯片是TC787集成移相触发控制芯片，实现调速系统。

同时设计出完整的电气原理图，将分别介绍各个模块的构成原理和使用方法。

关键词：

晶闸管；TC787；直流电动机

电力电子课程设计三相全控桥式晶闸管—电动机系统设计

1三项全控桥式主电路设计

1.1整流变压器的设计原理

在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压U2往往与电网电压不一致，这就需要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器把晶闸管装置和电网隔离。

因此，在晶闸管整流装置中，一般都需要设置整流变压器（仅当晶闸管交流侧电压和电网电压一致时可以省去）。

一般来说，影响值的因素有：

（1）值的大小首先要保证满足负载所要求的最大直流平均电压。

（2）在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件，导通时认为其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。

但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表示。

（3）变压器漏抗的存在，导致晶闸管整流装置在换相程中产生换相压降。

（4）当晶闸管整流装置对直流电动机供电时，为改善电动机的性能，保证流过电机的电流连续平滑，一般都需串接足够大电感的平波电抗器。

但是平波电抗器具有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时，就要产生一定的电压降。

（5）晶闸管装置供电的电动机恒速系统，在最大负载电流时，其电机的端电压除考虑电动机的额定电压外，还需要把电动机电枢电阻的压降加以考虑。

即电机的端电压应当为电动机的额定电压和超载电流在电枢电阻上产生的压降之和。

由于存在以上几个方面的影响，因此在选择变压器次级电压值时，应当去比理想情况下满足负载要求的所要求的稍大的值。

的具体数值可根据此情况下直流回路的电压平衡方程求得,即

表示在直流侧电流最大时，变压器漏电抗压降平均值。

表达式为

m是每个周期的换流次数，是漏感为的变压器每相折算到二次侧的漏抗，。

通过变换上式也可以写成

为变压器的短路电压百分比，100KVA以下的变压器取=5，100~1000KVA的变压器取=5~8。

表示除了电动机电枢电阻外，包括平波电抗器电阻在内所有电阻上的压降

因此

式中为对于电动机额定电流和电压的电阻的标幺值。

表示恒速系统在电动机最大过载时电机的端电压。

恒速电动机过载时的端电压应等于电动机额定电压加上超载电流在电动机电阻上所产生的压降。

如果晶闸管装置仅对电动机供电，则晶闸管装置的输出电流等于电动机的电枢电流，所以最大电流时；额定负载电流时。

因此，电动机的端电压

式中为电动机电枢电路总电阻的标幺值，对容量为15150KW的电动机，通常=0.08~0.04。

表示主电路中电流经过n个串联晶闸管的管压降之和。

而平衡式左端的随着主电路的接线形式和负载性质的不同而不同。

这里给出考虑到电网电压波动后的通式

式中表示当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比，表示整流电压平均值之比，为电网电压波动系数。

根据规定，允许波动+5%～-10%，即=1.05～0.9。

根据以上各式可得

所以

该式即为变压器次级电压的精确表达式。

在要求不太精确的情况下，变压器次级电压可由简化式确定。

即

式中的为电动机的额定电压；系数1.2~1.5是考虑到各种因素影响后的安全系数。

1.2参数计算与选择

首先确定U2，由设计要求可以知道，所要驱动的直流电动机的额定电压为220V，因此要使电动机工作在电动状态所需要的额定电压为220V，即UN=220V。

根据给定的直流电动机的参数Ra=0.5Ω可求得和的值为

根据给定的直流电动参数可知电流过载倍数。

根据设计要求所采用的整流电路是三相全控桥整流电路，则根据相应的表格可以得到A=2.34,B=cosα，因为是不可逆设计，所以取时，。

的取值范围是1.05~0.9，本设计取，取。

将以上所得的参数带入到公式得

　　根据公式粗略算得。

因为125是考虑到最严重的情况所算得的的值，而113~141是考虑各种因素影响后的安全电压数。

故本设计可以选择，此电压可以在为范围内使整流电路输出的直流电压，使电动机达到额定工作状态。

即。

其次是容量S的计算，根据三相全控桥变压器二次侧电流有效值的计算公式

计算得

由于变压器采用型连接，则

即

即可求得

即

根据以上计算，可以选择型号为，的变压器。

1.3整流元件的选择

本设计采用晶闸管三相桥式全控整流电路，根据设计要求可得

由此可以得出流过每个晶闸管的电流有效值为

考虑安全裕量，晶闸管的额定电流为

经分析知，晶闸管承受的最大反向电压等于变压器二次线电压的峰值

所以晶闸管的额定电压为

综上所述，选定额为A，V的晶闸管作为整流器件，可采用KP50系列的晶闸管，其A，通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。

此设计电路需要六个晶闸管，三相桥式晶闸管主电路图。

图1.1三相全控桥式整流电路原理图

1.4平波电抗器的选择

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。

当触发角增大，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，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。

若要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，则电抗器的电感按下式计算：

式中为交流测电源相电压有效值；

为要求连续的最小负载电流平均值。

与整流主电路形式有关的计算系数，对于不同控制角，所需的电感量为

本设计中的参数为：

，2.75A~5.5A，，临界值。

将以上所述参数代入可计算出本设计所需的临界电感参数值为

整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算：

式中―与整流主电路形式有关的系数，本设计，A，，。

将以上所需参数代入式可计算出漏电感的值，即

综上所述，根据直流电动机的电枢电感为，可得使输出电流连续的临界电感量

　　电抗器要选的值应比大，故选30mH的电感作为平波电抗器。

1.5晶闸管电路对电网的影响

随着晶闸管装置的大量应用，以及装置容量日益增大，对提高设备的技术性能和经济指标都有重要的作用。

我们在分析整流电路的工作原理时，假定晶闸管是理想的开关元件，即导通时认为电阻为零，而关断时认为电阻为无穷大。

但是晶闸管并非是理想的可控关断元件，导通时有一定的管压降。

晶闸管装置对电网的影响主要是由无功功率和谐波造成的。

无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的规格和尺寸也要加大；使总电流增大，因而使线路和设备的损耗增加；使电路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

谐波电流和谐波电压的出现，对电网是一种污染，它使设备所处的环境恶化。

谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾；谐波影响各种电气设备的正常工作。

谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。

谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重事故；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确；谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

1.6系统的功率因数分析

三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，由于设计时接了平波电抗器，所以负载电感足以使电流连续，电路的工作情况与感性负载时相似，可以根据感性负载来讨论功率因数。

设交流电抗为零，假设直流电感L为足够大，。

此时，电流为正负半周各的方波，三相电流波形相同，且依次相差，其有效值与直流电流的关系为

同样可将电流波形分解为傅里叶级数。

以相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有

由上式可得电流基波和各次谐波有效值分别为

由此可得以下结论：

电流中仅含（k可为正整数）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。

由此得基波因数为

电流基波与电压的相位差仍为，故位移因数仍为

功率因数即为

2触发电路的设计

2.1触发电路的选择

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。

2.2TC787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2.1TC787管脚图管脚说明

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

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。

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。

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。

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。

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允许施加的电压为8~18V。

双电源工作时，引脚3接负电源，其允许施加的电压幅值为-4~-9V，引脚

17接正电源，允许施加的电压为+4~+9V。

2.3设计原理

380三相交流电经过同步变压器变压为30V的同步信号a1，b1，c1后，经过电位器RP1，RP2，RP3及RCT型网络滤波接入到TC787的同步电压输入端，通过调节RP1，RP2，RP3可微调各相电压的相位，以保证同步信号与主电路的匹配。

Ca，Cb，Cc为积分电容，TC787芯片的锯齿波的线性、幅度由Ca、Cb、Cc电容决定，因此，为了保证锯齿波有良好的线性及三相锯齿波斜率的一致性，选择Ca、Cb、Cc时要求其3个电容值的相对误差要非常小，以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜。

Ca、Cb、Cc为电容量的参考值为0.15。

连接在13脚的电容Cx决定输出脉冲的宽度，Cx越大，脉冲越宽，可得到00~1800范围的方波，不过脉冲太宽会增大驱动级的损耗。

Cx参考值为33μF~0.1μF。

调节RP可以使输入4脚的电压之间连续变化，从而使输出脉冲在00~1800之间变化，脚的输出端有大于25mA的输出能力，采用6只驱动管扩展电流，经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸

3保护电路设计

3.1过电压保护

引起过电压的主要原因是电路中含有电感元件（如变压器、电抗器线圈等）。

例如，当变压器原边电路的拉闸、整流装置直流侧的开关切断，快速熔断器熔丝的熔断、晶闸管由正向导通变为反向阻断时出现的自感电动势以及雷电等都可能引起过电压。

　　晶闸管承受过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易反向击穿而损坏。

如果正向电压超过其额定电压，还可能引起晶闸管误导通。

这种误导通次数频繁时，如导通电流较大，也可能使器件特性变坏，甚至损坏。

因此，除选用管子时，必须考虑一定的电压安全系数外，还必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。

消除过电压现象通常可以采用阻容吸收电路。

晶闸管过电压阻容保护电路是利用电容来吸收过电压，其实质是将引起过电压的磁场能量变成电场能量储存在电容器之中，然后电容器通过电阻放电，把能量逐渐消耗在电阻中，这就是过电压保护的基本方法。

　　3.1.1交流侧保护

交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。

通常是在变压器次级（元件侧）并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。

串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。

当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。

其电路图如图3.1所示。

图3.1阻容过电压保护电路

变压器各相平均容量为

电容器

取=20uF。

电容器的耐压值为

取500V。

故选择参数为20uF，500V的电容。

电阻

考虑到所取电容已大于计算值，故电阻可适当取小些。

取。

　　正常工作时，RC支路始终有交流电流过，过电压总是短暂的，所以可按长期发热来确定电阻的功率。

RC支路电流

电阻的功率为

故选用2，50W的电阻。

3.1.2直流侧保护

应为整流电路所带负载是直流电动机即电动势负载，电动机有时可能会处于发电状态产生较大过电压，所以电路中应加入保护电路消除其产生过电压时的不利影响，通常采用将电容电阻串联电路与负载并联。

电容值电阻值通过计算得出。

如图4.2所示：

图3.2直流侧保护接线示意图

3.1.3晶闸管换相过电压保护

晶闸管开关过程可能的过电压主要为换相过电压，全控型器件在较高频率下工作时还存在关断过电压，对于换相过电压通常采用RC过电压抑制电路，通常形式是电阻电容串联后与晶闸管并联，RCD电路同样也可以作为晶闸管换相过电压的保护电路。

电阻电容值需根据晶闸管选型计算得到。

图3.3换相过电压保护线路接线示意图

3.2过电流保护

晶闸管设备产生过电流的原因大致有两种，一种是整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或者控制电路有故障等，其中整流晶闸管损坏较为严重，一般是由于晶闸管过电压击穿，造成无正反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使得在另外两个桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。

另外，当整流变压器中心点接地时，也会发生整流器对地的短路。

对于整流电路内部原因引起的过电流，一般采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器保护方法，本次设计也采用快速熔断器保护法，其参数的选择为：

因工作时电压为380，取。

流过快速熔断器的电流的有效值为

快速熔断器的额定电流为

选取

4抑制电路设计

4.1抑制电路设计

处于阻断状态下晶闸管的结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管误导通。

从而引起较大稍微浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。

因此对也必须予以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。

一般来自交流侧或者晶闸管换相。

对于交流侧产生的：

对于带有整流变压器和交流侧阻容保护的交流装置，因变压器漏电感和交流侧RC吸收电路组成了滤波环节，使由交流电网入侵的前沿陡、幅值大的过电压有较大衰减，并使作用于晶闸管的正向电压上升率大为减小。

在无整流变压器供电的情况下，则应在电源输入端串联在数值上相当于变压器漏感的进线电感，以抑制，同时还可以起到限制短路电流的作用。

对于晶闸管换相产生的影响比较小，一般忽略不计。

4.2抑制电路设计

晶闸管在导通的初瞬，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。

此过程需几微秒到几十微秒。

若导通时电流上升率太大，会引起门极附近过热，导致PN结击穿使元件损坏。

因此必须把限制在最大允许范围内。

产生过大的可能原因有：

在晶闸管换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护的电容放电造成过大；晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对阻容保护电容进行充电造成过大。

通常，限制的措施主要有：

1、在晶闸管阳极回路串入电感。

2、采用整流式阻容吸收装置。

本设计采用在晶闸管阳极回路中串入电感。

电感量根据相关参数计算得出。

设计心得

电能是目前使用。

运输和控制最为方便的能源，也是人类研究较为充分的一种能源。

现在人们的生产生活都里不开电能，所以研究如何控制使用电能使之满足各种各样的对电能的需要显得尤为重要，而电力电子技术就是实现这种变换的桥梁，所以我们应该学习好电力电子理论知识，掌握如何利用这些知识解决实际问题，借助这个课程设计的机会，正好检验自己的理论知识的掌握程度，以及应用理论知识的能力，及时的查缺补漏提高自己的学习能力以及实践能力。

以前学习的大多为弱电范围，电力电子涉及强电又涉及弱电，它是一门利用弱电控制强电的技术，是弱电与强电的桥梁。

设计要求看上去与书上内容很相似，实际上却有很大的不同，书上的内容大多是理想化的知识，为了方便理解做了很多简化，而在实际应用中很多问题都是不能简化的，设计的每一个环节都有很多东西要注意，详细的去了解。

通过仔细审题和思考，我发现有很多东西要做，首先要解决的问题就是变压器的选择，因为之前对变压器的学习大多是理论很少涉及具体应用选型，为此我从图书馆借了关于变压器应用的书籍弥补了自己在这反面的缺憾，再者主要就是保护电路的设计部分，之前学习的保护电路大多是理论方面，而针对具体电路各种保护器件的选择方法较少提到，所以我还是求助于图书馆同时也在网上论坛向别人求助解答，虽然得到的很多东西对现在的课程设计并不是很有用，我最终也找到了自己想要学习的部分知识。

同时设计时还遇到很多小的问题因为自己知识不牢固或者自己根本不懂在此去回顾课本或者借书或者求助于同学或则网络。

最终都解决掉了自己的疑惑。

参考文献

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附录