直流电动机调速系统设计剖析.docx
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直流电动机调速系统设计剖析
1.1任务要求…………………………………………………………………3
1.2任务分析…………………………………………………………………3
2方案选择及论证…………………………………………………………………4
2.4电力电子器件的保护电路………………………………………………5
摘要
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。
随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。
晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。
正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。
本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。
调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。
通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。
关键词：
可控整流晶闸管触发电路保护电路
直流电动机调速系统设计
1设计任务与分析
1.1任务要求
初始条件：
输入交流电源：
三相380V，频率50Hz。
要求完成的主要任务:
设计直流电动机采用调压方式的调速可控整流电源，要求达到：
1、采用晶闸管可控整流电路。
2、直流输出0～100V，直流输出额定电流50A。
3、设计出完整的调压调速电路。
4、完成总电路设计和晶闸管额定电压和电流设计。
1.2任务分析
无论直流电机还是交流电机，在改变他们的输入电压时，电机的转速将随之改变，调节电机的输入电压控制电机转速，称为调压调速。
调压和调速系统的差异就是所控制的对象和目标不一样。
直流电动机调速系统框图如图1所示。
由图可知，本系统由给定电压、触发电路、晶闸管整流等环节组成。
直流电动机的调速采用开环工作方式，调节给定电压，即可调节触发电路的控制电压，从而调节晶闸管的触发角，实现调相调压，控制电动机的转速。
电动机的转速由外部给定的电压决定，实现了电动机的调压调速。
图1直流电动机调速系统框图
2方案选择及论证
2.1三相可控整流电路的选择
当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流，其交流侧由三相电源供电。
三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路。
三相半波可控电路结构简单，所用的元器件少，触发电路简单。
但整流输出电压脉动大，变压器二次侧电流中含有直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。
为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大设备的容量。
并且要求晶闸管耐压高，需要平波电抗器容量大。
而三相桥式整流电路整流输出电压脉动小，对平波电抗器的要求低，变压器二次绕组电流中没有直流分量、利用率高。
但需要的整流器件多，触发电路也比较复杂，主要应用于要求较高的场合。
由于直流电动机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路。
电动机额定电压为100V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器,将电源电压降低，为避三次谐波电动势的不良影响，主变压器采用Δ/Y接法。
2.2触发电路的选择
晶闸管触发电路以前是由分立元件构成的，它的控制精度差，可靠性低，不便于维修，因此，现在常用集成化的晶闸管触发电路。
集成电路具有移相线性好、移相范围宽、温漂小、可靠性高、相位不均衡度小等优点。
本系统采用KJ004J和KJ041组成六路双脉冲移相触发电路，其优点是体积小、性能稳定，移相范围可达170°，广泛应用于各种晶闸管触发电路中。
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，只需一只这样的集成电路，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。
因此本系统采用TC787集成电路，实现六路晶闸管的触发控制。
2.3电力电子器件的缓冲电路
用于电能变换的电力半导体器件绝大多数工作在开关工作模式，开关损耗是影响其正常运行的重要因素。
在硬开关工作方式下，增加缓冲电路是正确使用器件的有效措施，其主要作用是：
抑制开关器件的
、
，改变开关轨迹，减少开关损耗，使之工作在安全工作区内。
由于缓冲电路对自关断器件的安全运行起着至关重要的作用，因此人们研究了多种缓冲电路。
开关器件在开通时，缓冲电路电感中储存有磁能，而开关器件关断时，关断缓冲电路中电容储存有电能，这些能量都以热的形式消耗在缓冲电路的电阻上。
在普通晶闸管的应用中，通常选用无极性缓冲电路。
在晶闸管回路中串入电感以抑制关断时瞬时过电压，并且防止因
过大而引起的误触发。
采用GTO、BJT、IGBT等自关断器件时，由于它们的工作频率比SCR高得多，因此有必要采用有极性缓冲电路，以便加快电容或者电感的抑制作用。
应该指出，耗能式缓冲电路能够减小开关器件的开关损耗，是因为把开关损耗从器件本身转移至缓冲器内，然后再消耗在电阻上，也就是说，开关器件的损耗减少了，安全运行得到了保证，但总的开关损耗并不一定减少。
为了回收这部分能量，人们还研究出了各种馈能式缓冲电路，以减少实际的电能损耗。
但是由于整机体积的限制和附加元件的成本问题，使馈能式缓冲器推广应用受到了很大的限制。
2.4电力电子器件的保护电路
电力电子器件均有安全工作区的限制，也就是说都有电流、电压和瞬时功耗的极限值。
尽管在设计时会合理选择器件，但一些不可预见的故障会威胁到器件的安全，所以必须采取保护措施，主要包括：
（1）过电流保护：
为了防止桥臂中两个开关器件直通，通常对两个开关器件的驱动信号进行互锁并设置死区。
由于负载短路、元器件损坏等原因，电力电子装置会出现过电流或短路故障，应该在过载及短路时对装置进行保护。
（2）电流信号的检测：
电流检测信号用于反馈控制及保护环节，要求取样可靠、准确。
电流信号的检测与传送对电力电子装置是一个很重要的环节。
电流信号检测的关键是正确选择和使用检测元件。
根据响应速度的快慢，电流检测元件可分为慢速型电流检测元件和快速型电流检测元件。
（3）输出过压保护：
如果装置反馈环节出现问题，输出电压可能过高，影响负载的安全，此时应该采取封锁驱动信号的保护措施；但负载突变往往也会引起输出端电压短时变化，为了不出现误保护，过压保护一般应具有反延时特性，即过压越多，保护延时越短，反之则较长。
反延时的保护思想也适用于过流等保护。
输出过电压检测应该设置在输出端，输出是交流电压时可使用电压互感器（变压器）检测；输出是直流电压则可采用电阻分压或电压霍尔取样。
（4）输入瞬态电压抑制：
交流电网上使用的用电设备由于受电磁感应、雷电天气的影响，常常会遭受瞬态高压的袭击，尤其在强烈的雷电发生时电网上瞬时产生数千伏高压是常有的事，其时间虽短，但它携带的能量足以在瞬间内损坏开关电源中的电子器件。
应付这种瞬态电压的方法很多，一种简单的方法是在交流线路间放置金属氧化物压敏电阻MOV，这种器件是一种可变电阻，当瞬态电压出现时，其阻值迅速地下降到最低值，将输入电压限制在安全范围内，让瞬态能量消耗在电阻体内。
选择这种器件必须遵守两条原则：
一是MOV器件的额定电压应大于电源稳态最大工作电压的20%左右；二是应计算或估算电路可能遇到的瞬时冲击能量的大小以确定MOV器件吸收瞬态冲击电流的额定值，然后根据器件制造商提供的产品说明书选择合适的器件。
（5）输入欠压保护：
如果输入电压过低，开关器件的工作电流将过大，可能超过其最大电流值而烧坏。
如果蓄电池过低压供电，放电电流必然过大，可能造成蓄电池永久损坏。
因此对有些装置需要设置欠压保护电路。
（6）过温保护：
如果装置内部温度过高，可能是散热系统发生故障，也可能是严重过载，这样会威胁开关器件的安全，应该采取封锁驱动信号等保护措施。
温度检测可以采用不同温度等级的常开或常闭温度开关。
例如，70度的常闭温度开关是指：
开关一般情况下闭合，温度达到或超过70度开关就断开。
（7）器件控制极保护：
电力电子装置中所用的主开关器件以电压型开关器件占主导地位，它们的控制特性好，驱动功率小，但控制极比电流型开关器件容易损坏，应该注意控制极的保护。
此外，开关管控制极的状态会影响器件的耐压水平。
如BJT的基极反偏的集-射极击穿电压比基极开路时大的多。
因此，开关管断态时，控制极最好加上反偏压。
（8）自锁式保护电路：
如果在电路发生故障时，封锁驱动信号，故障消失后，立即放开驱动信号，不一定能够对装置起到保护作用。
因为封锁了驱动信号，装置就停止运行，检测到的信号反映不出故障，装置可能会反复起、停，因此，对于短路等严重故障，应该采用自锁式保护电路。
保护电路的类型和控制方法比较多，应根据装置的特点和用户要求设计。
3主电路设计
晶闸管调压调速电路如图2所示。
图2调压调速主电路
3.1整流变压器计算
3.1.1U2的计算
U2是一个重要参数，选择过低，无法保证输出额定电压。
选择过高，又会造成控制角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。
在要求不高的场合或近似估算时，可用下式计算：
（1）
式中：
A——理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次侧电压U2之比，即A=Ud0/U2，见附表1；
B——控制角为α时，输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0，见附表1；
ε——电网波动系数，通常取ε=0.9；
1～1.2——考虑各种因素的安全系数。
由附表1查得：
A=2.34，取ε=0.9
α角考虑10°裕量：
B=cosα=0.985
（2）
取U2=50V，变比：
（3）
3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算
（4）
（5）
式中：
KI1、KI2——由附表1选取
K=N1/N2——变压器一次侧与二次侧匝数比。
由附表1查得：
K11=0.816，K12=0.816
考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的系数。
（6）
（7）
3.1.3变压器的容量计算
（8）
（9）
（10）
式中：
m1、m2——一次侧、二次侧绕组的相数，对不同接线方式可由表1选取。
由附表1查得：
m1=3，m2=3
（11）
（12）
（13）
考虑变压器的励磁功率，取S1=6.6kVA，S2=6.2Kva，S=6.4kVA，I1=6A，I2=42A。
3.2晶闸管元件的参数计算
选择晶闸管时主要考虑晶闸管的额定电压和额定电流是否满足电路的要求，同时要留有一定的裕量.
3.2.1晶闸管的额定电压
三相桥式全控整流电路中，晶闸管承受的最大峰值电压UTm为
实际选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。
参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN。
（14）
取UTN=300V。
3.2.2晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大于实际流过管子电流最大有效值IVT，即
（15）
变压器二次侧电流即晶闸管电流的有效值为
（16）
由上面式（15）和式（16）得
（17）
考虑安全裕量，
（18）
取IT（AV）=40A
3.3电力电子电路保护环节
电力电子电路的保护环节可分为过电压保护和过电流保护。
其中过电压保护按保护部位又可分为交流侧过电压保护，直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
3.3.1交流侧过电压保护
（1）阻容保护：
即在变压器二次侧并联电阻和电容进行保护，主要作用是抑制浪涌过电压。
其接线方式如图3所示。
图3阻容保护接线图
（2）压敏电阻保护：
压敏电阻是其电阻值与外施电压有关的一种非线形半导体器件。
当压敏电阻两端的外施电压低于某一定值（压敏电阻值）时，通过压敏电阻的电流几乎近于零；而当外施电压超过该值后，电流将突然增大。
因此，压敏电阻对于外施电压有限幅的作用。
压敏电阻主要是抑制浪涌电压和电流，保护电器中的电磁线圈和触头，保护半导体元器件等。
压敏电阻的接线如图4所示：
图4压敏电阻接线图
3.3.2直流侧过电压保护
直流侧采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。
因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护，如图5所示：
图5直流侧过压保护图
3.3.3晶闸管两端的过电压保护
在晶闸管两端并联阻容保护电路可以抑制晶闸管的关断过电压，延长使用寿命。
接线如图6所示。
图6晶闸管保护电路
3.3.4过电流保护
过电流分为过载和短路两种情况。
本系统采用快速熔断器作过载与短路保护，用过流继电器切断故障电流，提高保护的可靠性。
快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广泛的过电流保护措施。
快速熔断器其中与元件串联的接法对于保护晶闸管最为有效。
过电流继电器作为局部电路的保护措施。
当电动机出现故障时，过电流继电器动作，使电动机停止转动。
4触发电路设计
4.1触发电路主电路设计
本系统采用TC787作为驱动电路的主控芯片。
TC787和TC788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,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.TC787芯片特点如下：
（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。
可同时产生六路相序互差60°的输出脉冲。
（2）TC787在单、双电源下均可工作，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；
（4）TC787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。
由TC787构成的三相六脉冲触发电路如图7所示。
TC787采用单电源供电，为+15V。
380
三相交流电经过同步变压器变压为30V的同步信号a，b，c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，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小，以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜。
Ca、Cb、Cc电容量的参考值为0.1
。
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0度-80度范围的方波。
Cx参考值为3300
~0.1
。
调节RP可以使输入4脚的电压0-15V之间连续变化，从而使输出脉冲在0~180度之间变化，7~12脚的输出端有大于25mA的输出能力，采用6只三极管扩流，经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极（g）和阴极（k）之间，以触发晶闸管。
图7三相六脉冲触发电路图
4.2触发电路的直流电源
触发电路中要用到+15V和+24V两路电压，这里选用CM7815和CM7824三端集成稳压芯片作为触发电路电源，电源原理图如图8所示。
图8直流稳压电源原理图
5电气原理图
直流电动机调速系统的电气原理图如图9所示
图9直流电动机调速系统电气原理图
小结与体会
通过本次课程设计，我对电力电子装置这门课有了更进一步的了解，尤其是三相交流调压这部分，对电路的工作原理，电压电流波形有了更进一步的认识。
要实现题目要求的功能，我必须全心地投入其中，养成一种敢于钻研的习惯。
此时我更加体会到了多看专业书的重要性，课本上的知识远远不能满足实际设计的要求，课本着重于原理的分析，而实际设计却要求各种参数的计算。
在本次设计中，我查阅了大量专业期刊，并与同学相互探讨设计中遇到的各种问题，最终完成设计。
另外，在使用protel软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。
通过这次课程设计，我充分锻炼了自己的查阅资料能力、设计能力、解决问题的能力。
要想真正提高自己的能力，不能只局限于课本，要学习各方面的知识，要多从实践中总结经验，从而达到理论与实践的相互融合。
参考文献
[1]杨荫福、段善旭、朝泽云，电力电子装置及系统，清华大学出版社，2006年9月
[2]李发海、王岩，电机与拖动基础，清华大学出版社，2005年8月
[3]金海明、郑安平，电力电子技术，北京邮电大学出版社，2005年
[4]王维平，现代电力电子技术及应用，东南大学出版社，2000年
[5]陈坚，电力电子学（第二版），高等教育出版社，2004年
附录
表1整流变压器的计算系数（电感负载）
接线方式
A=
1.17
2.34
2.34
B=
（不带续流二极管）
cosα
cosα
C
K12=
0.577
0.816
0.816
K11=
0.471
0.816
0.816
M1
3
3
3
M2
3
3
3
TC787管脚图如图10：
图10TC787管脚图
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