电力电子 电气调速.docx

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电力电子电气调速

第1章概述

调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。

电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

在我国许多工业部门仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

直流电机的调速方法主要有三种：

调节电枢电压，改变电机主磁通以及改变电枢回路电阻。

本课题主要研究的是调节电枢电压的方法来调速。

通过晶闸管整流电路将交流电变成直流电，利用晶闸管的脉冲移相实现对

图1.1闭环系统方框图

整流的控制。

考虑到开环调速系统不能满足较高的性能指标要求，为了提高系统的控制质量，采用了带转速负反馈的闭环系统。

闭环系统的方框图如图1.1所示。

此闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。

利用此偏差信号通过控制器（PI调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。

从而提高了系统的抗干扰性，改善了系统的控制精度。

第2章系统方案

系统主要由晶闸管整流器，触发装置，电压比较环节，直流电动机和测速发电机等部分组成。

系统的输出量是转速，在电动机转轴上安装一台测速发电机TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压Un*进行比较，得到偏差电压Un，经过放大器A，产生触发装置的控制电压Uct，来控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统（如图2.1）。

图2.1采用转速负反馈的单闭环调速系统

对于整流环节，这里采用的是应用最为广泛的三相桥式全控整流电路。

三图2.2系统总电路

相半波整流电路虽然对三相电网平衡运行没有影响，只用三只晶闸管，投资比三相桥式电路少，但是整流变压器二次侧绕组每周期内只有1/3时间有电流，利用率低，且变压器存在直流磁化问题。

当整流电压相同时，晶闸管元件承受的反向电压比三相桥式整流电路高，故元件造价高。

三相桥式全控整流带电路相当于六相整流，所用整流元件数量为三相半波整流电路的两倍，总投资多。

但是，这种整流电路的电压脉动比三相半波整流电路少一半，变压器不存在直流磁化问题，利用率高。

整流电路的失控时间只是三相半波电路的一半，可提高系统响应的快速性。

与三相半波电路相比，晶闸管元件承受的正反向电压降较低。

所以在中上等容量的整流装置中得到了广泛的应用。

整流线路如图2.2。

第3章参数计算

系统主电路主要包括整流变压器，晶闸管整流装置以及电动机。

参数计算包括整流变压器，晶闸管元件。

3.1整流变压器参数计算

采用整流变压器主要是给晶闸管整流装置提供所需电源电压，并使晶闸管主电路与交流电网隔离，减少整流电路对其他用电设备的干扰，且有利于人身。

3.1.1整流变压器的接线

变压器采用D—Y联结，它可有效地抑制晶闸管整流时产生的奇次谐波（主要是三次谐波）对电网的不利影响。

避免在变压器每相绕组中产生尖顶波电动势，这个电动势有时将超过正常值的50%，对变压器不利。

3.1.2整流变压器的参数计算

电动机的参数如下：

额定转速nN=1500r/min；额定功率PN=1.1kW；

额定电压UN=220V；额定电流IN=5A；

效率η=86%。

三相全控整流电路整流电压平均值

Ud=2.34U2cos0。

=1.2UN=1.2×220=264V

变压器二次侧相电压

U2=Ud/2.34=264/2.34=112.82V

三相全控整流电路整流电流平均值

Id=I2/0.816=1.5IN=1.5×5=7.5A

变压器二次侧相电流

I2=0.816Id=0.816×7.5=6.12A

因为变压器一次侧的相电压U1=380V可得变比

k=U1/U2=380/112.82=3.37

由U1/U2=I2/I1可得变压器一次侧相电流

I1=I2/k=6.12/3.29=0.57A

变压器容量计算如下

S2=3U2I2=3×1112.82×6.12=20.43kVA

对于三相桥式整流电路，有

S=S1=S2=20.43kVA

实取S=70kVA

相数

联结形式

容量

（kVA）

一次电压

（V）

一次电流

（A）

二次电压

（V）

二次电流

（A）

三相

Dy

20

380

0.57

112

2

表

（1）整流变压器数据

3.2晶闸管元件的选择

晶闸管耐压

UTm=

U2=

×112.82=276.352V

晶闸管的额定电压

UTN=（2~3）UTm=（2~3）×282.62≈552.7~829V

实取UTN=800V

晶闸管电流的有效值

IVT=（Id/

）/1.57=7.5/1.03=9.12A

晶闸管额定电流

ITN=（1.5~2）IVT=（1.5~2）×9.12≈13.6~18.25A

实取ITN=15A

晶闸管典雅安全系数kv和电流安全ki系数

kv=800/283=2.8

ki=150/88=1.7

根据上述计算，选取晶闸管原件KP150-8，计6只。

3.3电动机电感计算

对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有

L=0.693U2/Idmin

Idmin=（5%~10%）IN=（5%~10%）×5=0.25~0.5A

取Idmin=0.3A

故

L=0.693×112.82/0.3=260H

L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。

前者数值都较小，有的可忽略。

Idmin一般取电动机额定电流的5%~10%。

第4章控制电路设计

4.1P1调节器

PI调节器在系统中起维持转速不变的作用，亦称速度调节器。

给定电压Ug与转速反馈电压Un之差作为调节器的输入电压ΔU，

输入等效电路与相同。

调节器的输出Uct送入触发电路，控制整流

输出电压Ud，进而调节转速n。

如图4.1

图4.1采用PI调节器的转速负反馈调速系统

PI调节器可改善电动机的起动特性，使转速迅速上升到给定转速（比例调节作用）。

系统在稳定时，净输入电压ΔU=Ug—Un=0。

PI调节器使系统具有灵敏的抗扰动能力，能迅速消除因扰动而产生的转速偏差，实现无差调节（积分调节作用）。

稳速性能良好，系统具有很好的静态与动态特性。

在要求更高的场合，可采用两个PI调节器组成双闭环系统。

采用PI调节器的单闭调速系统，在稳定运行时，只要Un*不变，转速n的数值也保持不变，与负载的大小无关；但是在动态调节过程中，任何扰动都会引起动态速度变化。

因此系统是转速无静差系统。

需要指出，“无静差”只是理论上的，因为积分或比例积分调节器在稳态时电容器C两端电压不变，相当于开路，运算放大器的放大系数理论上为无穷大，才能达到输入偏差电压ΔU=0，输出电压Uct为任意所需值，输出控制电压Uct接触发电路的4号管脚。

实际上,这时的放大系数是运算放大器的开环放大系数,其数值很大,但仍是有限的,因此仍然存在着很小的Δn，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。

4.2触发电路

TC787和TC788是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外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变流装置。

它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）系列集成电路相比，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，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042）（或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能。

因此，TC787/TC788可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。

图4.2TC787（或TC788）的引脚排列（引脚向下）

4.2.1TC787引脚的名称、功能及用法

（1）同步电压输入端：

引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）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/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TC787或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的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。

（3）控制端

①引脚4（Vr）：

移相控制电压Uct输入端。

该端输入电压的高低，直接决定着TC787/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TC787/TC788的工作电源电压VDD。

②引脚5（Pi）：

输出脉冲禁止端。

该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。

③引脚6（Pc）：

TC787/TC788工作方式设置端。

当该端接高电平时，TC787/TC788输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。

④引脚13（Cx）：

该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。

⑤引脚14（Cb）、引脚15（Cc）、引脚16（Ca）：

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/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。

4.2.2TC787内部结构及工作原理简介

TC787/TC788的内部结构及工作原理框图如图（6）所示。

由图可知，在它们内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。

它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

图4.3TC787或TC788原理框图

测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。

三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容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（对TC787为调制脉冲，对TC788为方波）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、过电压或其它非正常情况，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、过电压或其它非正常情况，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。

4.2.3TC787主要特点

（1）TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑结构电路的系统中作为晶闸管的移相触发电路。

而TC788适用于以功率晶体管（GTR）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）为功率单元的三相全桥或其他拓扑结构电路的系统中作为脉宽调制波产生电路，且任一种芯片均可同时产生六路相序互差60°的输出脉冲。

（2）TC787/TC788在单、双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛，它们输出三相触发脉冲的触发控制角可在0～180°范围内连续同步改变。

它们对零点的识别非常可靠，使它们可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点（交相）的锁定电路，抗干扰能力极强。

电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。

（3）TC787/TC788分别具有A型和B型器件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择（工频时选A型器件，中频100～400Hz时选B型器件）。

同时，TC787输出为脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载；TC788输出为方波，适用于驱动晶体管。

因两种集成电路引脚完全相同，故增加了用户控制用印制电路板的通用性，使同一印制电路板只需要互换集成电路便可用于控制晶闸管或晶体管。

（4）TC787/TC788可方便地通过改变引脚6的电平高低，来设置其输出为双脉冲列还是单脉冲列。

4.2.4TC787主要电参数和限制

（1）工作电源电压VDD：

8～18V或±5V～±9V；

（2）输入同步电压有效值：

≤（1/2√2）VDD；

（3）输入控制信号电压范围：

0～VDD；　　　　

（4）输出脉冲电流最大值：

20mA；

（5）锯齿波电容取值范围：

0.1～0.15；　

（6）脉宽电容取值范围：

3300pF～0.01μF；

（7）移相范围：

0～177°；　　　　　　　　　

（8）工作温度范围：

0～+55℃。

Uct

图4.4给出了TC787单电源工作时的典型接线图。

给出了应用电平匹配网络的应用图。

这种使用方法需要加较多辅助元件，图中电容C1～C3为隔直耦合电容，而C4～C6为滤波电容，它与R1～R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。

另一方面，随RP1～RP3三个电位器的不同调节，可实现0～60°的移相，从而适应不同主变压器连接的需要。

图（7）晶闸管触发电路

第5章保护电路的设计

5.1晶闸管保护电路

晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：

一种是在适当的地方安装保护器件，例如，RC阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等。

在一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流。

5.1.1晶闸管过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因一般是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管因过电压而击穿，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，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。

对于这种情况，最常见的保护措施就是接入快速熔断器。

如图5.1所示。

图5.1晶闸管快速熔断器过流保护电路

5.1.2晶闸管过电压保护

晶闸管在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。

同时，设备自身运行中以及正常运行中也有过电压出现。

一般采用的保护措施是并接R—C阻容吸收回路。

如图5.2示。

图（9）晶闸管阻容网过电压保护电路

5.2变压器保护电路

由于变压器容量70kVA>5kVA，故变压器一、二次侧均需阻容保护装置。

如图（10）.

图（10）三相变压器保护电路

第6章总结

经过两个星期的努力，在指导老师和同学的帮助下，终于完成了本次的电力电子课程设计。

总结起来，给我最大的感触就是，这次的课程设计几乎是用到了我们本学期所学的所有课程知识。

电力电子技术当然是不用说了，还用到了自动控制理论，电器学，电气工程基础，MATLAB技术，Protel99等一系列刚接触的课程。

这就很好的巩固了上课时候所学到的半生不熟的理论知识，同时还在准实践中得到了运用。

进一步加深了我对这些课的理解。

第一天，得到设计的内容。

老师大致的讲解了课题的基本设计思路。

了解了一下设计需要遵循的一些原则与规范。

在具体设计上，指导老师留给了我们非常大的自由发挥的余地。

不再是套用死板的设计模块，尽量地做到每个人都有不同的设计理念。

得到内容后最开始要做的就是搜集一些相关的参考资料。

在老师的介绍下，很快的找到了需要的文献。

其实，说到参考资料。

资源最为丰富的就数网络上了，上面有很好的资源库，分门别类，包罗万象，应有尽有。

搜集到资料后感觉很放松，认为有了这些资料一切都不是问题。

但是真正着手去做的时候，才发现这其实是一次很大的挑战，我深感压力。

因为在平时没有过多的去关注，所学到的一点理论知识在此根本就不够用，明显的感觉到准备的不充分。

遇到了很多难题。

好在我们的指导老师每天下午都抽出时间来答疑，遇到问题，解决问题。

这使我们在整个设计过程中少走了很多的弯路。

一个人的知识当然是有限的，但是集体的智慧是无限的。

在和同学们的合作讨论中也颇有收获。

同时也发现了自己的不足：

对书本知识不是很了解，致使在设计过程中对一些理念感觉摸不着头脑；发现问题的能力有待加强，不能及时的找到错误的根源，喜欢钻牛角尖。

这也是收获，发现自己的不足，为在以后的社会生活中进一步的完善自我提供了素材。

总之，这两个星期的设计过程曲折可谓一语难尽。

在此期间我也曾失落过，也曾一度热情高涨过，更丧失过信心。

从开始时满腹激情到最后汗流浃背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无穷。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。

劳动是人类生存生活永恒不变的话题。

在劳作中获得经验和历练是人生最大的乐趣！

通过自己动脑，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，在课程设计过程中，我学到了很多人生的哲理，懂得在课程设计中怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪，也体味到人生中的规划和打算是多么的重要！

黑夜过去了，我们收获的是黎明。

我想，不管以后在生活或学习中遇到什么样的困难和挫折，我都会想起这两个星期的课程设计的体验，一定不会被困难击垮或被挫折所折服！

参考文献

1王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

2刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995

3宋丽荣自动控制原理．机械工业出版社，2008

4胡虔生胡敏强．电机学．中国电力出版社，2005

附录

附电动机晶闸管整流调压调速电路完整电路图一张:

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）。