電力電子課程設(shè)計(jì)--10kw直流電動機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)

1、<p><b>　　《電力電子技術(shù)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題目：10kw直流電動機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)說明3</b&g

2、t;</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的3</b></p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求3</b></p><p>　　2.1 技術(shù)數(shù)據(jù)與要求3</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容3</p><p><b>　　二、正文4</b>

3、;</p><p>　　1 控制方案的選擇4</p><p>　　2 主電路的設(shè)計(jì)及原理4</p><p>　　3 主電路的計(jì)算6</p><p>　　3.1 整流變壓器的計(jì)算6</p><p>　　3.2 晶閘管元件的選擇7</p><p>　　3.3 電抗器的參數(shù)計(jì)算8&l

4、t;/p><p>　　3.4 勵(lì)磁電路元件的選擇9</p><p>　　4保護(hù)環(huán)節(jié)原件的分析、計(jì)算與選擇9</p><p>　　5觸發(fā)裝置的選擇與同步變壓器的連接12</p><p>　　6電路整體工作情況的分析14</p><p><b>　　課程總結(jié)15</b></p>

5、<p><b>　　參考文獻(xiàn)15</b></p><p><b>　　元件清單16</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)說明：</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　通過對直流電動機(jī)不可逆調(diào)速系

6、統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鞏固和提高學(xué)過的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，提高運(yùn)用所學(xué)的知識進(jìn)行獨(dú)立思考和綜合分析、解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)掌握正確的思維方法和利用軟件和硬件解決實(shí)際問題的基本技能。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　2.1 技術(shù)數(shù)據(jù)與要求</p><p>　　直流電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)：</p><p&g

7、t;　　型號 Z3–71 額定功率Pn=10kw 額定電壓Un=220v </p><p>　　額定電流In=55A 轉(zhuǎn)速nn=1000r/min 極數(shù)2P=4 </p><p>　　電樞電阻Ra=0.5Ω 電樞電感LD=7mH </p><p>　　勵(lì)磁電壓UL=220v

8、 勵(lì)磁電流IL=1.6A</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　調(diào)速范圍D=10；轉(zhuǎn)差率S≤5%；電流脈沖系統(tǒng)Si≤10%</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　2．2．1 確定控制方案、對整流方式、觸發(fā)電路類型、進(jìn)行分析比較，并做出

9、正確選擇</p><p>　　2．2．2 對所選的電路進(jìn)行計(jì)算分析</p><p><b>　　1）整流變壓器</b></p><p>　　2）晶閘管元件的選擇</p><p>　　3）保護(hù)環(huán)節(jié)原件的分析、計(jì)算與選擇</p><p><b>　　⑴交流側(cè)</b></p

10、><p><b>　　⑵支流側(cè)</b></p><p><b>　?、亲兞髌?lt;/b></p><p>　　2．2．3 觸發(fā)裝置的選擇</p><p>　　1）觸發(fā)裝置的選擇與比較</p><p>　　2）觸發(fā)裝置的工作原理分析</p><p>　　2．2

11、．4 電路整體工作情況的分析</p><p><b>　　二、正文</b></p><p><b>　　1 控制方案的選擇</b></p><p>　　由于電動機(jī)的容量大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動機(jī)的額定電壓為220v，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。為避免三次諧波

12、電流流入電網(wǎng)和方便的到零線，主變壓器應(yīng)采用三角型----星型聯(lián)接。</p><p>　　因調(diào)速精度要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。采用電源截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時(shí)由過流繼電器切斷主電路電源。</p><p>　　為了使線路簡單，工作可靠，裝置體積小，宜選用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。</p><p>　　該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持

13、恒定。勵(lì)磁繞組采用三相不可控橋式整流電路，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。為保證先加勵(lì)磁后電樞電壓，主接觸器主觸點(diǎn)應(yīng)在勵(lì)磁繞組通電后方可閉合，同時(shí)設(shè)有弱磁保護(hù)環(huán)節(jié)?？傮w設(shè)計(jì)框架如下圖1所示：</p><p>　　圖1：總體設(shè)計(jì)框架圖</p><p>　　2 主電路的設(shè)計(jì)及原理</p><p>　　三相橋式全控整流電路的原理：</p><p>　　

14、一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共陽極。一般1、3、5為共陽極，2、4、6為共陽極。</p><p>　?。?）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個(gè)，且不能為同1相器件。</p><p>　?。?）對觸發(fā)脈沖的要求：</p><p>　　1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1…的順序，相位依次差60&

15、#176;。</p><p>　　2）共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽極組也依次相差120°。</p><p>　　3）同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2脈沖相差180°。</p><p>　?。?）Ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。</

16、p><p>　　（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)（脈沖寬度大于60°，一般取80°--100°），一種是雙脈沖觸發(fā)（常用），即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60°，脈寬一般為20°--30°。</p><p>　　（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正反電壓

17、的關(guān)系也相同。</p><p>　　晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表1所示：</p><p>　　三相橋式全控整流電路圖如下圖2所示：</p><p>　　圖2：三相橋式全控整流電路圖帶</p><p><b>　　3主電路的計(jì)算</b></p><p>　　3.1整流變壓器計(jì)算：</p&g

18、t;<p><b>　　（1）的計(jì)算</b></p><p>　　是一個(gè)重要參數(shù)，選擇過低，無法保證輸出額定電壓。選擇過高，又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算即</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中，——理想情況下，時(shí)整

19、流電壓與二次電壓之比，</p><p><b>　　即；</b></p><p>　　——控制角為時(shí)，輸出電壓與之比，即；</p><p>　　——電網(wǎng)波動系數(shù)，通常?。?lt;/p><p>　　——整流電路輸出電壓最大值；</p><p>　　——主電路電流回路；</p><p&

20、gt;　　——線路連接方式系數(shù)；</p><p>　　——變壓器的短路比，變壓器；</p><p>　　——變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與額定電流之比，應(yīng)取最大值。</p><p>　　在要求不高的場合或近似估算時(shí)，用下式計(jì)算則更加方便</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>

21、<b>　　其中， 取</b></p><p><b>　　角考慮的裕量：</b></p><p><b>　　8</b></p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　電壓比</b></p>&

22、lt;p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　考慮變壓器的勵(lì)磁歷次電流時(shí)，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)，所以</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</

23、b></p><p>　　（3）變壓器的容量計(jì)算</p><p>　?。?-7） </p><p>　　式中：、——一次側(cè)、二次側(cè)繞組的相數(shù)</p><p>　　考慮勵(lì)磁功率，取，，，，。</p><p>

24、;　　3.2 晶閘管元件的選擇</p><p>　　晶閘管和整流管的選擇主要指合理的選擇器件的額定電壓和額定電流。</p><p>　?。?）晶閘管的額定電壓</p><p><b>　　，取</b></p><p>　?。?）晶閘管的額定電流</p><p>　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使

25、管子允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值，即</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　考慮倍的裕量，</b></p><p><b>　　，取。</b>&

26、lt;/p><p>　　故選用型號為晶閘管元件。</p><p>　　3.3電抗器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　?。?）使電流連續(xù)的臨界電感量</p><p><b>　　，取,則</b></p><p>　　（2）限制電流脈動的電感量</p><p><b>　　，

27、取，則</b></p><p>　?。?）變壓器漏電感量</p><p><b>　　，取，則</b></p><p>　?。?）實(shí)際串入電抗器電感量</p><p>　　已知電動機(jī)電感量為，則 </p><p>　　3.4勵(lì)磁電路元件的選擇</p><p>

28、;　　圖3 勵(lì)磁電路接線方式</p><p>　　勵(lì)磁電壓；勵(lì)磁電流，電路接線方式如圖3所示</p><p>　　整流二極管耐壓值與主電路晶閘管相同，故取，額定電流取查得，則</p><p><b>　　可選用型，二極管。</b></p><p>　　4保護(hù)環(huán)節(jié)原件的分析、計(jì)算與選擇</p><p&

29、gt;　?。?）交流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p><b>　?、僮枞荼Ｗo(hù)</b></p><p>　　在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容進(jìn)行保護(hù)，接線方式如圖4所示</p><p><b>　　電容的耐壓</b></p><p>　　故選用型金屬化紙介電容器，電容量，耐壓。</p><

30、p>　　因此，可選、的金屬膜電阻。</p><p>　　圖4 阻容保護(hù)接線方式</p><p><b>　　②壓敏電阻的選擇</b></p><p>　　通過查詢相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)目錄，取電壓為，通流量為，由此選用的壓敏電阻作交流側(cè)浪涌過電壓保護(hù)。</p><p>　　圖5：直流側(cè)壓敏電阻保護(hù)電路</p>

31、<p>　?。?）直流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　故選用壓敏電阻作為直流側(cè)過電壓保護(hù)。</p><p>　?。?）晶閘管兩端的過電壓保護(hù) 一般采用阻容保護(hù)。</p><p>　　圖6：晶閘管兩端阻容保護(hù)</p><p>　　故選擇電容為2.5f, 電阻為45。</p><p><b>　?。?/p>

32、4）過電流保護(hù)</b></p><p>　　本系統(tǒng)除采用電流截止反饋環(huán)節(jié)做限流保護(hù)外，還設(shè)有與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過載和短路保護(hù)，用過流繼電器切斷故障電流。</p><p><b>　?、倏焖偃蹟嗥鞯倪x擇</b></p><p>　　熔斷器是同它保護(hù)的電路串聯(lián)的，當(dāng)該電路中發(fā)生過載或短路故障時(shí)，如果通過熔體的電流達(dá)到或超過某一定值

33、，則熔體上產(chǎn)生的熱量就會使其溫度上升到熔體金屬的熔點(diǎn)。于是，熔體自行熔斷，并以此切斷故障電流，對電路實(shí)行保護(hù)，快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。</p><p>　　通過晶閘管電流有效值為</p><p>　　故選用的熔斷器，容體電流為。</p><p>　?、谶^電流繼電器的選擇</p><p>　　根據(jù)負(fù)載電

34、流為，可選用吸引線圈電流為的型手動復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流可取。</p><p>　　a)交流側(cè)快熔 b)元件串聯(lián)快熔 c)直流側(cè)快熔</p><p>　　圖7：快速熔斷器保護(hù)</p><p><b>　　5 觸發(fā)裝置的選擇</b></p><p>　

35、　觸發(fā)裝置的選擇與工作原理</p><p>　　普通晶閘管是半控型電力電子器件。為了使晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管在承受正向陽極電壓的同時(shí)，還需要在門極加上適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電壓?？刂凭чl管導(dǎo)通的電路稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路常以所組成的主要元件名稱進(jìn)行分類，包括簡單觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路觸發(fā)器和計(jì)算機(jī)控制數(shù)字觸發(fā)電路等。 </p><p>　　控制、、功率、等

36、全控型器件的通斷則需要設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動電路?；鶚O（門極、柵極）驅(qū)動電路是電力電子主電路和控制電路之間的接口。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減少開關(guān)損耗。另外，許多保護(hù)環(huán)節(jié)也設(shè)在驅(qū)動電路或通過驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　觸發(fā)電路與驅(qū)動電路是電力電子裝置的重要組成部分。為了充分發(fā)揮電力電子器件的潛力、保證裝置的正常運(yùn)行，必須正確設(shè)計(jì)與選擇觸發(fā)電路與驅(qū)動電路。

37、</p><p>　　晶閘管的觸發(fā)信號可以用交流正半周的一部分，也可用直流，還可用短暫的正脈沖。為了減少門極損耗，確保觸發(fā)時(shí)刻的準(zhǔn)確性，觸發(fā)信號常采用脈沖形式。晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條： </p><p>　　（1）觸發(fā)信號要有足夠的功率 </p><p>　　為使晶閘管可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流必須大于晶閘管產(chǎn)品參數(shù)提供的門極觸發(fā)電壓與

38、觸發(fā)電流值，即必須保證具有足夠的觸發(fā)功率。例如，要求觸發(fā)電壓不小于，觸發(fā)電流不小于；要求觸發(fā)電壓不小于4V，觸發(fā)電流不小于。但觸發(fā)信號不許超過規(guī)定的門極最大允許峰值電壓與峰值電流，以防損壞晶閘管的門極。在觸發(fā)信號為脈沖形式時(shí)，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，允許觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流的幅值在短時(shí)間內(nèi)大大超過銘牌規(guī)定值。 </p><p>　　（2）觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步 </p><p&g

39、t;　　為了保證電路的品質(zhì)及可靠性，要求晶閘管在每個(gè)周期都在相同的相位上觸發(fā)。因此，晶閘管的觸發(fā)電壓必須與其主回路的電源電壓保持固定的相位關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)同步。實(shí)現(xiàn)同步的辦法通常是選擇觸發(fā)電路的同步電壓，使其與晶閘管主電壓之間滿足一定的相位關(guān)系。 </p><p>　?。?）觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡 </p><p>　　為使被觸發(fā)的晶閘管能保持住導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管的陽極電流在觸發(fā)脈沖消

40、失前必須達(dá)到擎住電流，因此，要求觸發(fā)脈沖應(yīng)具有一定的寬度，不能過窄。特別是當(dāng)負(fù)載為電感性負(fù)載時(shí)，因其中電流不能突變，更需要較寬的觸發(fā)脈沖，才可使元件可靠導(dǎo)通。例如，單相整流電路，電阻性負(fù)載時(shí)脈沖寬度應(yīng)大于，電感性負(fù)載時(shí)則因大于；三相全控橋中采用單脈沖觸發(fā)時(shí)脈寬應(yīng)大于（通常取），而采用雙脈沖觸發(fā)時(shí)，脈寬為左右即可。此外，很多晶閘管電路還要求觸發(fā)脈沖具有陡的前沿，以實(shí)現(xiàn)精確的觸發(fā)導(dǎo)通控制。 </p><p>　?。?

41、）觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路的要求 </p><p>　　觸發(fā)脈沖的移相范圍與主電路的型式、負(fù)載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān)。例如，單相全控橋電阻負(fù)載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為，而電感性負(fù)載（不接續(xù)流管時(shí)）要求移相范圍為。三相半波整流電路電阻負(fù)載時(shí)要求移相范圍為，而三相全控橋式整流電路電阻負(fù)載時(shí)要求移相范圍為。選用集成六脈沖觸發(fā)器實(shí)用電路。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場回路中

42、串入欠電壓繼電器，動作電流通過RP1調(diào)整。已知?jiǎng)?lì)磁電流，可選用吸引線圈電流為的直流欠電壓繼電器。</p><p>　　晶閘管的觸發(fā)電流為，觸發(fā)電壓為，在觸發(fā)電路電源電壓為時(shí)，脈沖變壓器匝數(shù)比，可獲得約的電壓，脈沖變壓器一次電流只要大于，即可滿足晶閘管要求，這里選用的作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù)，,完全能足要求。該電路需要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器，考慮各種不便因素，用三個(gè)單相變壓器結(jié)成三相變壓器組代替，并結(jié)成，確定

43、單相變壓器的參數(shù)為：容量，電壓為三臺。</p><p>　　觸發(fā)電壓的形成用KJ004芯片完成。KJ004電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權(quán)電阻R1、R2的比例,調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓VP。同時(shí)調(diào)整鋸齒波斜率電位器RW1

44、,可以使不同的移相控制電壓獲得整個(gè)移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導(dǎo)通角增大，R7和C2形成微分電路,改變R7和C2的值可以獲得不同的脈沖輸出。KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。</p><p>　　圖8：KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了保證觸發(fā)電路和主電路的頻率一致，利用一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，由同步電

45、壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管頻率始終是一致的。但是還需要解決觸發(fā)電路的定相問題，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。針對三相橋式整流電路，常采用的同步變壓器接法如下：</p><p>　　圖9 同步變壓器和整流變壓器接法</p><p>　　上圖的主電路整流變壓器為Dy11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為Dy5y11聯(lián)結(jié)， </p><p>　　6電路整體工作

46、情況的分析</p><p>　　設(shè)計(jì)的總電路圖如下圖10所示：</p><p>　　圖10：設(shè)計(jì)總電路圖</p><p>　　由三相橋式全控整流電路將交流電整流輸出直流電去控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，該電路只能工作在整流去，即工作在一三象限。三相橋式全控整流電路通過觸發(fā)電路控制晶閘管的導(dǎo)通和保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)，最后通過改變控制觸發(fā)角去控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p>&

47、lt;p><b>　　課程總結(jié)：</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)過程中，我查閱了大量的書籍，設(shè)計(jì)電力電子技術(shù)、電機(jī)原理及拖動、電力拖動自動控制系統(tǒng)等幾門學(xué)科，不但鞏固和加深了所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課知識，還將所學(xué)的知識融會貫通，并且將課本與實(shí)際相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了學(xué)有所用。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)

48、遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，能夠通過查閱相關(guān)書籍得以解決同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設(shè)計(jì)之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。</p><p><b>　　參考書目：</b></p>

49、<p>　　1．王兆安，黃俊主編．電力電子技木．第四版．北京機(jī)械工業(yè)出版社，2004年1月</p><p>　　2．王云亮主編．電力電子技術(shù)．第一版．北京：電子工業(yè)出版社，2004年8月</p><p>　　3．陳治明主編．電力電子器件基礎(chǔ)．機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　4. 莫正康主編. 半導(dǎo)體交流技術(shù).第二版. 機(jī)械工業(yè)出版社</p&g