基于相控整流的直流电机调速系统的设计.docx
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基于相控整流的直流电机调速系统的设计
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
电力电子技术课程设计报告
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
指导教师：
苏玉刚
学生：
夏良烘
学号：
20095060
专业：
自动化
班级：
2009级1班
设计日期：
2011.12.26—2011.12.30
重庆大学自动化学院
2011年12月
课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
（100>x≥90）
良好
（90>x≥80）
中等
（80>x≥70）
及格
（70>x≥60）
不及格（x<60）
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
学习态度
15
学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作
学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
技术水平与实际能力
25
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信
设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信
设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错
设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题
创新
10
有重大改进或独特见解，有一定实用价值
有较大改进或新颖的见解，实用性尚可
有一定改进或新的见解
有一定见解
观念陈旧
论文（计算书、图纸）撰写质量
50
结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰
结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰
结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整
内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰
指导教师评定成绩：
指导教师签名：
年月日
自动化学院2009级自动化专业
电力电子技术课程设计任务书
一、课程设计的教学目的和任务
电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。
电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。
因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。
通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：
1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的基本要求
1.教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目
注意事项：
①所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。
学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。
②通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。
自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。
要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。
如：
直流电动机调压调速可控整流电源设计
主要技术数据
输入交流电源：
三相380V
10%f=50Hz
直流输出电压：
0~220V
50~220V范围内，直流输出电流额定值100A
直流输出电流连续的最小值为10A
设计内容：
整流电路的选择
整流变压器额定参数的计算
晶闸管电流、电压额定的选择
平波电抗器电感值的计算
保护电路的设计
触发电路的设计
画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
列出主电路和控制电路所用元器件的明细表
2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。
要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。
具体电路元器件的选择应有计算和说明。
课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。
课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。
（注意：
所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。
3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。
要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。
4.课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。
5.课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。
6.课题设计报告字数要求为6000字左右。
（A4纸打印8页左右）
三、课程设计的工作计划
课程设计时间5天。
第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。
第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。
第3天学生的主要任务是确定方案。
第4天和第5天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，撰写课程设计报告。
四、各班的题目方向
1班题目方向：
相控整流技术或斩波技术的工程应用
2班题目方向：
交流调压或变频技术的工程应用
1.引言.....................................................................................................1
2.直流电机参数及设计基本要求............................................................2
2.1直流电机参数..............................................................................................2
2.2设计要求........................................................................................................2
3.整流电路的设计....................................................................................2
4.主电路设计及参数计算.........................................................................3
4.1主电路设计....................................................................................................3
4.2参数计算......................................................................................................4
5.保护电路的设计...................................................................................5
5.1过电压保护..................................................................................................5
5.2过电流保护..................................................................................................6
5.3关断缓冲保护...............................................................................................7
6.触发电路设计......................................................................................7
7.整体电路的设计...................................................................................9
8.课程设计总结.....................................................................................10
参考文献..............................................................................................10
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
引言
当今，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，整流电路广泛应用于工业生活中。
电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。
电力电子器件的发展方向主要体现在以下六个方面：
大容量化；高频化；易驱动；降低导通压降；模块化；功率集成化。
直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。
晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管蒸馏装置，组成晶闸管-电动机调速系统，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上夜显示出较大的优越性。
随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。
由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能10%～40%，
因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节。
1
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
1.直流电机参数与设计基本要求
1.1直流电机参数
1）PN
2）UN
3）IN
4）nN
5）l
3kW
220V
17.5A
1500r/min
1.2
1.2设计要求
利用相控整流技术，构成电机直流调速系统，设计该系统的原理图，并计算
晶闸管的额定电压和额定电流。
输入交流电源：
三相380V
10%，f
50Hz
直流输出电压：
0~220V
2.整流电路的设计
直流电动机由单独的可调整流装置供电，晶闸管相控整流电路有单相，三相，全控，半空等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，不宜用三相半波的原因是其变压器二次电流中含有直流分量。
本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。
通过调节触发延迟角a的大小老控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。
三相桥式全控整流电路如图所示：
图1三相桥式全控整流电路原理图
2
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
三相桥式全控整流电路的特点是：
每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成
向负载供电的贿赂，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能
为同一相的晶闸管。
对触发脉冲也有一定的要求，6个晶闸管的脉冲按
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6的顺序，相位依次差60，共阴极组的VT1
VT3
VT5
的脉冲依次差120，共阳极组VT4
臂脉冲相差180。
VT6
VT2也依次差120，同一相的上下两个桥
图2三相桥式全控整流电路电感性负载时a
30的波形
3.主电路设计及参数计算
3.1主电路设计
系统主电路采用三相桥式全控整流电路，系统主电路如图3所示：
3
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
图3系统主电路
在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸并联电阻和电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起短路过电流保护作用。
综合整流
3.2参数计算
1次级电压U2的计算，影响U2值的因素有：
1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud
2）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Ut
3）变压器漏抗的存在会产生换相压降
4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流经过该电阻时就要产生一定的电压降
5）电枢电阻的压降
当整流电路采用三相桥式全控整流时，且整流变压器采用Y型联结，一般情况
下U2与Un有以下关系（根据经验公式）：
3U2
0.951.0UN
0.951.0220209220V
U2120.67127.02V
取U2127V
2次级电流I2及变压器容量的计算
I2K12
Id，K12为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值
之比。
K12取0.816，且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故
I20.81617.514.28A
S1/2S1S2
m1U1I1
m2U2I2
312714.285.44kVA
4
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
3.2晶闸管参数的计算
1）晶闸管额定电压UTN
通常选取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压，但是在选用
时要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能承受的峰值电压的
2-3倍。
应为采用三相全控桥所以UM
6U2，晶闸管的额定电压为：
UTN
取UTN
236U2
900V。
236127622.17933.25V
2）晶闸管额定电流ITN
按电流的有效值来计算电流额定值。
ITAV
1.52
KfbImax，Kfb
Kf/1.57Kb由
整流电路形式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。
当a0
时，三相全控电路Kfb
0.367，ITAV
1.52
KfbImax
1.520.36717.51.2
11.5615.41A，取ITN
4.1过电压保护
1）直流侧过电压保护
15A
4.保护电路的设计
当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻一直过电
压或用单相VTS。
我们采用压敏电阻。
具体电路如图4：
图4直流侧过电压保护
2）交流侧过电压保护
交流侧过电压保护电路如5：
5
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
图5交流侧过电压保护电路
在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，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贿赂可能产生的震荡。
4.2过电流保护
对于频繁操作的电动机，通常用电磁式过流继电器座短路保护。
1）根据电流种类，选择继电器形式。
2）继电器而定电流大于或等于电动机的而定电流。
3）继电器动作电流的整定值Ifd
值。
1.11.3
Ig，式中Ig为电动机起动电流的最大
常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。
选择快熔时应考虑：
1）电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。
2）电流容值按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。
3）快熔的值应小于被保护器件的允许值
4）为保证熔体在正常过载情况下不熔断，应考虑器时间-电流特性。
此次设计采用快熔作为短路过电流保护装置，如图6：
6
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
图6过电流保护电路
4.3关断缓冲电路
图7关断缓冲电路
关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。
R，C值根据工程手册选取。
5.触发电路的设计
向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许的范围内有一定的波动。
触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电压的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。
为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。
接下来的问题是触发电路的定向，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。
触发脉冲的定相由多方面的因
素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。
7
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
表1三相桥式全控个晶闸管的同步电压
晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
主你路电
压
Ua
Uc
Ub
Ua
Uc
Ub
同步电压
Usa
Usc
Usb
Usa
Usc
Usb
同步变压器和整流变压器的解法如图8所示：
图8同步电压器和整流变压器的接法
只需3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六
个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图9所示：
8
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
-15V
usausbusc
+15V
168
157
146
135
124
113
102
91
KJ004
168
157
146
135
124
113
102
91
KJ004
168
157
146
135
124
113
102
91
KJ004
KJ041
GND
至VT1至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6
图9三相全控桥整流电路的集成触发电路
说明：
初次接触PROTEL软件，对其某些方面的了解不够，导致做出的电路图不是很完美，比如芯片的选择，没有在PROTEL库中找到相应的软件，尽情谅解。
上面三块集成片为KJ004，下面一块集成片为KJ041。
具体的电路图请看打包的文件。
6.整体电路的设计
主电路、触发控制电路、保护电路，再加上一个检测电路，便得到整体电路。
检测电路即为测主电路中负载两端的电压（电机两端的电压），因为通过这
个电压，通过这个电压来反映电机的转速，从而达到直流电机的转速可调。
9
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
触发控制电路
电机主电路检测
电路
保护
电路
图10整体电路
7.课程设计总结
通过设计一个晶闸管翔空直流调速系统，让我对电力电子装置及这门课程所
讲述的知识内容有了更深刻的理解。
再设计过程中，查阅了大量的子来哦，不仅有关于电力电子技术方面的饿，也有关于电力拖动方面，通过此次设计，让我深刻了解到各门课程之间的联系，以及工程设计与理论计算之间饿差别，也借由这次机会回顾了电力电子技术这门课程的知识。
增强了自己搜索有用知识的能力，从网上找到自己需要的资料后，并不是照搬网上所有的，而是根据所得资料学会了如何分析问题，发现问题和解决问题的能力，将网上资料真正转化为自己的知识。
总之，这个课题具有很强的实用性，它除了在工业生产领域得到广泛应用，在我们日常生活中也无所不在，电力电子技术以发展成为一种应用极其广泛的技术。
该课题属于电力电子方面，随着电力电子器件的不断向大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模块化、功率集成化的发展，它的应用将更为广泛，同时，它集各优点于一身将在电力电子电路中表现出非凡的性能。
在此，我要特别感谢苏老师在此期间对我的耐心指导，教育及对我的栽培，同时引导我把书本上学到的理论知识灵活的运用到实践中去，圆满完成工程实训的内容。
参考文献[1]苏玉刚，陈渝光.电力电子技术.重庆：
重庆大学出版社.2003[2]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：
机械工业出版社.2008
[3]王鑫，张丽玲.转速、电流双闭环直流调速系统设计.机械与电子.2010年第1期
10
基于相控整流的直流电机调速系统的设计
[4]肖红梅.晶闸管整流装置的调试方法.机械管理开发.2008年4月第24卷第2期
[5]黄俊.半导体变流技术.北京：
机械工业出版社，1986.[6]郑忠杰，吴作海.电力电子变流技术.北京：
机械工业出版社，1999.
[7]邵群涛.电机及拖动基础.北京：
机械工业出版社，1999.
11
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