电力电子课程设计示例直流电机开环调速系统设计.docx

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电力电子课程设计示例直流电机开环调速系统设计

目录

第1章概述...............................................1

1.1电力电子技术的发展......................................1

1.2晶闸管的发展............................................2

第2章总体方安设计及原理框图..........................2

2.1总体方安设计分析........................................2

2.2系统的原理框图..........................................3

第3章主电路设计...........................................4

3.1主电路设计分析..........................................4

3.2主电路原理图............................................4

3.3主电路各分单元原理及设计................................6

3.3.1过压保护电路........................................6

3.3.2过流保护电路........................................6

3.3.3滤波电路............................................7

3.4主电路元件参数计算及选型................................7

3.4.1设计依据主要参数....................................8

3.4.2具体参数计算........................................8

第4章控制电路设计.....................................10

4.1控制电路的设计分析.....................................10

4.2控制电路各分单元原理及设计.............................10

4.2.1ASR调节器电路......................................10

4.2.2触发电路...........................................11

4.2.3驱动放大电路.......................................15

第5章总结与体会.......................................16

附录......................................................18

参考文献.................................................19

第1章概述

1.1电力电子技术的发展

自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。

进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。

随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。

而以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。

而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。

进入90年代电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。

从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说，当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。

故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。

目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。

1.2晶闸管的发展

自从在1967年用2英寸晶闸管阀代替汞弧阀之后，每一次晶闸管面积的扩大，都带来了输送容量提高、损耗降低、阀结构简化、可靠性提高的优越性。

因此随着直流输电容量不断增大和电力电子技术的进步，直流输电用晶闸管从最初的2英寸发展到现在的6英寸。

　上世纪80年代我国自行建设的舟山和嵊泗高压直流输电工程采用2英寸的晶闸管，80年代末建成的葛南超高压直流工程采用3英寸晶闸管，90年代建成的天广工程采用4英寸晶闸管。

21世纪初建成投产的首条300万千瓦三常直流输电工程开始采用5英寸晶闸管。

世界上采用过6英寸晶闸管的只有日本。

2000年投运的Kii水道直流工程采用了6英寸晶闸管。

第2章总体方安设计及原理框图

2.1总体方安设计分析

晶闸管整流电路分为两大部分——主电路和控制电路。

主电路主要包括：

电网输入，变压器，过电压保护，过电流保护，三相桥式全控整流电路，以及负载部分（如电动机）；控制电路主要包括：

ASR调节电路、触发电路、驱动放大电路。

通过各个部分的有机结合在一起，就构成了一个晶闸管整流直流调压电路。

具体地，主电路采用三相桥式全空整流的形式，将三相交流电转换为直流电。

ASR调节电路及PI调节器用芯电阻和电容构成，它的作用是放大给定信号与反馈信号之差转化为触发电路的移相控制信号。

触发电路为TC787集成触发器；驱动放大电路由三极管、二极管以及变压器组成；保护电路又分为电压保护电路和电流保护电路，电压保护采用RC电路，用熔断器来对电路进行电流保护。

2.2系统的原理框图



图2-1

第3章主电路设计

3.1主电路设计分析

主电路的的设计主要考虑的地方主要有两个，即保护环节和晶闸管整流环节。

保护环节主要有过电流保护和过电压保护，根据实际情况的需要，这两个保护环节主要分布在整流部分之前。

过电流保护一般采用在三相输入端分别接入一个熔断器，而过电压保护主要采用RC保护电路，这样做才能确保可靠的安全性能。

虽然整流方式多种多样，但目前在各种整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路。

三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角α，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对负载进行控制。

整流电路在接入电网时由于变压器一次侧电压为380V，一般都大于负载的额定电压，所以选用降压变压器，为得到零线，变压器二次侧必须接成星型，而一次侧接成三角形，这样可以避免三次谐波电流流入电网，减少对电源的干扰。

3.2主电路原理图

图3-1三相桥式全控整流电路

图3-2主电路图

3.3主电路各分单元原理及设计

3.3.1过压保护电路

由于交流侧电路在接通或断开时出现暂态过程，会产生操作过电压。

高压合闸的瞬间，由于初次级之间存在分布电容，初级高压经电容耦合到次级，出现瞬时过电压。

措施：

在三相变压器次级星形中点与地之间并联适当电容，就可以显著减小这种过电压。

与整流器并联的其它负载切断时，因电源回路电感产生感应电势的过电压。

变压器空载且电源电压过零时，初级拉闸，因变压器激磁电流的突变，在次级感生出很高的瞬时电压，这种电压尖峰值可达工作电压的6倍以上。

交流电网遭雷击或电网侵入干扰过电压，即偶发性浪涌电压，都必须加阻容吸收路进行保护。

一般加快速熔断器进行保护，实际上它不能保护可控硅，而是保护变压器线圈。

具体的图形如图3-3：

图3-3

3.3.2过电流保护电路

一般加快速熔断器进行保护，实际上它不能保护可控硅，而是保护变压器线圈。

电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

图3-4

3.3.3滤波电路

滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。

电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。

因此，滤波效果取决于放电时间常数。

电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。

其电路图如下：

图3-4

3.4主电路元件参数计算及选型

3.4.1设计依据主要参数

1）输入电压：

单相（AC）220（1+/-15%）

2）最大输出电流电压：

200A0--300V（DC）

3）功率因数：

≥0.7

3.4.2具体参数计算

（1）整流器主电路的设计

Pd=Ud*Id=200*300=60kw

因为Pd＞5kw，所以采用三相桥式整流电路且带整流变压器

（2）晶闸管的选择

1）电流参数的选取

IT=（1/1.732）*Id=200/1.732≈116（A）

ITa＝IT/1.57≈74（A）

取安全裕量Kf=2,则所选晶闸管的电流值为:

I=2*ITa=148（A）

2）电压参数的选取

在三相桥式整流电路中,晶闸管所承受的电压极值为根号6倍U2,其中U2其中变压器二次侧相电压有效值.

由Ud=2.34U2COSα可得:

U2=Ud/2.34COSα其中Ud=300Vα取零度U2min=Ud/2.34COS0=300/2.34≈129V

因为U2存在15%的波动

所以U2=U2min/0.85=152V

所得晶闸管的电压值为它的根号6倍,即2.45倍

2.45*152=373V

取安全裕量Kf=2,则晶闸管的电压值为746V

所以晶闸管选kp100-400

（4）变压器的设计

变压器副边容量的计算

由负载要求Id＝200（Ａ）

I2=（1.414/1.732）*Id≈164（A）

已知U2=152V

有S2=3U2I2=3*152*164≈74.784KVA

因为是三相桥式电路,所以S1=S2=74.784KVA

I1=U2I2/U1=152*164/380≈65.6（A）

n1/n2=U1/U2=380/152≈2.5

取I1=66AU1=380VI2=164AU2=152VS=74.784KVA

熔断器选70A.

（5）滤波电容选择

C一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000

以上。

因该系统负载不大，故取C=2200

耐压1.5Udm=1.5*746=1119V取1000V

即选用2200

、1000V的电容

（6）续流二极管的选择

根据

得知续流二极管应选300A、额定电压为600V的二极管

第4章控制电路的设计

4.1控制电路的设计分析

控制电路主要包括：

ASR调节电路、触发电路、驱动放大电路。

其中ASR调节电路主要采用的是PI调节器，他的作用主要是实现对输入和输出电压进行反馈调节，使电路输出得到一个稳定的电压。

因为PI调节器的性能比较好，在显示电路中得到广泛的采用，所以我采用了这种调节器。

触发电路是是整个控制电路中的核心电路，他的主要作用是产生对晶闸管的触发脉冲，同时通过控制控制触发角的大小来控制整流直流电压的输出大小，从而得到我们具体所需要的电压和电流。

驱动放大电路的主要功能是把触发电路发出的触发脉冲信号进行放大，最终驱动晶闸管的的导通和关断，最终实现对整个主电路的控制。

这就是控制电路。

4.2控制电路各分单元原理及设计

4.2.1ASR调节器电路

ASR调节器是一种比例积分放大电路。

大器由LM324芯片提供，再用电阻和电容与其引脚以一定的方式连接构成一个比例积分放大电路。

PI调节器可以分为两个环节，一过热环节是比例放大环节，另一个环节是积分放大环节，比例环节的作用是对大给定信号与反馈信号之差进行放大再输入触发电路产生触发脉冲去控制晶闸管的触发角度从而控制输出电压，积分环节的作用是实现无静差，稳定输出电压。

要改变输出电压的大小，只要改变给定电压的大小即可。

具体的连接电路图如图4-1。

图4-1

4.2.2触发电路

要了解触发电路的基本原理，首先必须知道TC787芯片的基本结构极其特点：

（1）TC787的内部结构

TC787的内部结构及工作原理框图如图4-2所示，其内部集成有3个过零和极性检测单元，3个锯齿波形成单元，3个比较器，1个脉冲发生器，1个抗干扰锁定电路、1个脉冲形成电路，1个脉冲分配及驱动电路。

他们的工作原理可简述为：

经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部3个恒流源的控制信号，3个恒流源输出的恒值电流给3个等值电容Ca，Cb，Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波，锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出，该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。

假设系统未发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12，11，10，9，8，7输出全为低电平。

图4-2

（2）TC787的引脚功能

TC788是标准双列直插式18引脚的集成电路，它的引脚排列如图4-3所示。

图4-3

1）同步电压输入端：

引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）分别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TC788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（C）、引脚10（B）、引脚12（A）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（-B）、引脚9（-A）、引脚11（-C）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TC788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或脉冲变压器。

3）控制端

①引脚5（Pi）为输出脉冲禁止端。

该端用来进行故障状态下封锁TC788的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输出。

②引脚14（Cb）、引脚15（Cc）、引脚16（Ca）分别为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。

③引脚6（Pc）为TC788工作方式设置端。

当该端接高电平时，TC788输出双脉冲；而当该端接低电平时，输出单脉冲。

④引脚4（Vr）为移相控制电压输入端。

该端输入电压的高低，直接决定着TC788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TC788的工作电源电压VDD。

⑤引脚13（Cx）。

该端连接的电容Cx的容量决定着TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。

4）电源端：

TC788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8~18V。

双电源工作时，引脚3（VSS）接负电源，其允许施加的电压幅值为-4~-9V，引脚17（VDD）接正电源，允许施加的电压为+4~+9V。

（3）触发电路原理图

图4-4

4.2.3驱动放大电路

图4-5

第5章总结与体会

在本次课程设计实验中，我们通过动手实践操作进一步学习和掌握了电子技术的有关知识，特别是培养我们综合运用所学知识、发现、提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节。

是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程；加深了对电力设备及应用技术的认识，进一步巩固了对电力电子知识的理解，掌握简单电力电路应用系统的设计、制作、调试的方法。

电力电子课程设计，通过老师分别分配给我们每组同学不同的参数，设计出满足要求的电路来。

在设计时根据课题要求，复习相关的知识，查询相关的资料。

根据实验条件，找到适合的方案，找到需要的元器件及工具，进行实验。

这次的课程设计重点是整流电路。

整流电路在各种电力设备中无处不在，并且电路的结构也是各有千秋的，可以说，我们这次设计的项目在现实生活中是很有应用价值的。

我们要实现的是一种可控整流，是把交流电变成大小可调的直流电的过程，它是变流技术的基础，在生产中应用很广。

课程设计中，首先确定晶闸管整流的总体设计方案。

其次，通过设计要求，求出晶闸管的参数，变压器的容量，过电压保护的电阻和电容参数等。

在参数确定后就根据参数选用型号。

最后，把选取的各型号器件案总体设计方案连接起来组成电路。

这样电路完成了，当然，我们设计的电路有很多理想化的环节，很多只是停留在理论的分析上，也通过少时的模拟实验。

但是最主要的是：

通过再次的实验。

我们感触颇多，学到更多，再次充分的把实践操作和理论相结合。

同时也对团队分工合作又了进一步的认识，只有通过合理的分工合作才能在两周时间内完成设计任务，相信在以后出社会会有很多用处，让我能更好的进入工作状态，也增加了我对问题的研究和探讨，在我以后的学习中会有更多的帮助。

课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，也是对自己能力的一种提高，学习是一个长期积累的过程。

更培养了独立思考和设计的能力，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质，并将理论与实际相结合。

衷心的感谢赵葵银老师、刘星平老师此次课程设计中的辛勤指导和帮助，也谢谢在我课程设计中，当我遇到问题时给与我帮助的的同学！

 是你们的帮助才使这次课程设计终于顺利完成。

再次谢谢！

我会再接再厉，努力学习，努力学习，再努力学习！

附录

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

9．李晓秀沈细群胡彗．自动控制原理实验指导．校内，2005年9月

10.电力电子技术网站：

（1）www_ic37_com.htm

（2）liuxianli_2002-网易博客.htm（3）实验装置-中电网.htm

电气信息学院课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计及调试情况（20%）

参数计算及设备选型情况*（10%）

设计说明书质量（20%）

答辩情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

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）。