1、目錄1 緒論11.1 課題背景11.2 直流電動機調壓調速可控整流電源設計簡介 21.3 課題設計要求21.4 課題主要內容32 主電路設計32.1總體設計思路32.2 系統結構框圖42.3 系統工作原理 52.4 對觸發脈沖的要求63 主電路元件選擇 73.1 晶閘管的選型84整流變壓器額定參數計算 94.1 二次相電壓 U2104.2 一次與二次額定電流及容量計算 115觸發電路的設計136保護電路的設計176.1 過電壓的產生及過電壓保護 176.2 過電流保護187 緩沖電路的設計198 總結231 緒論1.1 課題背景當今,自動化控制系統已在各行各業得到廣泛的應用和發展 ，而自動調

2、速控制系統的應用在現代化生產中起著尤為重要的作用 ，直流調速系統是 自動控制系統的主要形式。由可控硅整流裝置供給可調電壓的直流調速系統 （簡稱KA D系統）和 旋轉變流機組及其它靜止變流裝置相比，不僅在經濟性和可靠性上有很大 提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。可控硅雖然有許多優點，但是它承受過電壓和過電流的能力較差，很 短時間的過電壓和過電流就會把器件損壞。為了使器件能夠可靠地長期運 行，必須針對過電壓和過電流發生的原因采用恰當的保護措施。為此，在 變壓器二次側并聯電阻和電容構成交流側過電壓保護；在直流負載側并聯 電阻和電容構成直流側過電壓保護；在可控硅兩端并聯電阻和電容構成可 控硅

3、關斷過電壓保護；并把快速熔斷器直接與可控硅串聯，對可控硅起過 流保護作用。隨著電力電子器件的大力發展，該方面的用途越來越廣泛。由于電力 電子裝置的電能變換效率高，完成相同的工作任務可以比傳統方法節約電 ,專業.專注能10%-40%因此它是一項節能技術，整流技術就是其中很重要的一個環節。1.2 直流電動機調壓調速可控整流電源設計簡介該系統以可控硅三相橋式全控整流電路構成系統的主電路，采用同步信號為鋸齒波的觸發電路，本觸發電路分成三個基本環節：同步電壓形成、移相控制、脈沖形成和輸出。此外，還有雙窄脈沖形成環節。同時考慮了 保護電路和緩沖電路，通過參數計算對晶閘管進行了選型。1.3 課題設計要求1

4、、輸入交流電源：2、三相 140 V f=50Hz3 、直流輸出電壓：50150V5 、直流輸出電流額定值50A6 、直流輸出電流連續的最小值為 5A7. 給出整體設計框圖，畫出系統的完整的原理圖 （用protel99 軟件繪 制）；8. 說明所選器件的型號，參數。9. 給出具體電路畫出電路原理圖；1.4 課題主要內容（1）整流電路的選擇（2整流變壓器額定參數的計算（3）晶閘管電流、電壓額定的選擇（4）平波電抗器電感值的計算（5）保護電路的設計（6）觸發電路的設計（7）畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖（8）列出主電路所用元器件的明細表2主電路設計總體設計思路2.1本次設計的系統以可控硅三

5、相橋式全控整流電路構成系統的主電路，根據三相橋式全控整流電路對觸發電路的要求，采用同步信號為鋸齒波的觸發電路，設計時采用恒流源充電，輸出為雙窄脈沖，脈沖寬度在8°左右本觸發電路分成三個基本環節：同步電壓形成、移相控制、脈沖形成和輸出。此外，還有雙窄脈沖形成環節。同時考慮了保護電路和緩沖電路，通 過參數計算對晶閘管進行了選型。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短。，由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二 次側電流中含 有直流分量，為此在應用中較少。而采用三相橋式全控整流 電路，可以有效的避免直流磁化作用。根據已知要求，額定電流為50A，額

6、定電壓為 150 V,可求的功率P=50*150=7.5KVy 般整流裝置容量大于4KV，選用三相整流較為合適。2.2 系統結構框圖三相全控橋式整流電路如圖2-1所示。圖2-1系統結構框圖2.3系統工作原理其工作原理詳細分析如下：在 t1 t2間，U相電壓最高，共陰極組的VT1管被觸發導通，電流由 U相經VT1流向負載，又經VT6流入V相，整流變壓器U V兩相工作，所 以三相全控橋輸出電壓 Ud為：Ud=Ud1-Ud2=Uu-Uv=Uuv經過60o進入 't2，t3區間,u相電壓仍然最高，VT1繼續導通W相電壓 最低，在VT2管承受的2交點時刻被解發導通，VT2管的導通使VT6承受uw

7、v 的反壓關斷。這區間負載電流仍然從電源 U相流出經VT1、負載、VT2回到 電源W相，于是這區間三相全控橋整流輸出電壓 Ud為：,專業.專注Ud=Uu-Uw=Uuw經過60o,進入t3 t4區間，這時V相電壓最高，在VT3管=0°的 3交點處被觸發導通。VT1由于VT3和導通而承受Uuv的反壓而關斷，W相 的VT2繼續導通。負載電流 從V相流W相，于是這區間三相全控輸出電壓 Ud為：Ud=Uv-Uw=Uvw其他區間，依此類推，電路中 6只晶閘管導通的順序及輸出電壓很容 易得出。由上述可知，三相全控橋輸出電壓 Ud是由三相電壓6個線電壓Uuv、Uuwuvw、Uvu Uwu和Uwv的輪

8、流輸出組成的。各線電壓正半波的交點 16分別為 VT1VT6的a =0o點。因此分析三相全控整流電路不同 Ud波形時，只要用線 電壓波形圖直接分析畫波形即可。2.4 對觸發脈沖的要求三相全控橋整流電路在任何時刻都必須有兩只晶閘管同時導通，而且 其中一只是在共陰極組，另外一只在共陽極組。為了保證電路能起動工作， 或在電流斷續后再次導通工作，必須對兩組中應導通的兩只晶閘管同時加觸發脈沖，為此可米用以下兩種觸發方式：(1) 采用單脈沖觸發：如使每一個觸發脈沖的寬度大于 60o而小于120o,這樣在相隔60o要觸發換相時，當后一個觸發脈沖出現時刻，前一個脈 沖還未消失，因此均能同時觸發該導通的兩只晶閘

9、管(2) 采用雙窄脈沖觸發：如觸發電路送出的是窄的矩形脈沖，在送出某一晶閘管的同時向前一相晶閘管補發一個脈沖，因此均能同時觸發該導通的兩只晶閘管。3主電路元件選擇3.1 晶閘管的選型該電路為大電感負載，電流波形可看作連續且平直的。Ud=150V時，不計控制角余量按:-=0o計算：由 Ud=2 .34U2得取80VU2= 如=64.1V2.34Ute二（23）Ut（23） * .6*U2 （23） * 6*120V=392 588 V取Ute為700V當Id=100A時，流過每個晶閘管的電流有效值為:lt =、而 Id=50A=29AIt 29晶閘管額定電流It(AV) =一 =18.5A1.5

10、71.57取Kf=1.73,考慮2倍裕量：It(AV)取50A,當Id=5A時It =.肓 Id =.麗：5A=2.85Alt(AV)=-= 1.8A1.57考慮2倍裕量：It AV取5A按要求表明應取=0o來選擇晶閘管。即It AV =5A所以晶閘管型號為 KP50-14整流變壓器額定參數計算在很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網往往不能 一致，同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網 隔離，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器根據主電路的型式、負載額 定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相電壓 U2、一次與二次額定電流 以及容量。由于整流變壓器二次與一次電流都

11、不是正弦波，因而存在著一定的諧波電 流，弓I起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大，所以在設計或選用整流變 壓器時，應考慮這些因素。4.1 二次相電壓U2平時我們在計算U2是在理想條件下進行的，但實際上許多影響是不可 忽略的。如電網電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內阻造成 的壓降等。所以設計時U2應按下式計算：U2=Udn +n AUtA 1（cos： -CUdll 2/1 2n）式中：Udl 負載的額定電壓；整流元件的正向導通壓降，一般取 1V;n 電流回路所經過的整流元件（VT及VD的個數（如橋式n=2， 半波電路n二1）;A 理想情況下-=0o時U-心與U2的比值，查表可知；1 電

12、網電壓波動系數，一般取 0.9 ;最少移相角，在自動控制系統中總希望U2值留有調節余量， 對于可逆直流調速系統-取30o35o，不可逆直流調速系統-取10o15o；C 線路接線方式系數，查表三相橋式 C取0.5V;Udl-變壓器阻抗電壓比，100KVA以及取Udl=0.05，100KVA以上取 Udl=0.050.1 ;12/12 n二次側允許的最大電流與額定電流之比對于一般二相橋式可控整流電路供電的直流調速系統，U2計算也可以米用以下經驗公式:不可逆調速系統：U2= (0.53 0.58 ) Udn可逆調速系統：U2= (0.58 0.64 ) Udn式中U2整流變壓器二次相電壓有效值；Ud

13、n 直流電動機額定電壓。對于一般的中小容量整流調壓裝置，其 U2值也可以用以下公式估算:U2= (1.15 1.2 )UdnA所以根據以知的參數及查表得:=82.48VU2=竺口空一A： cos： -CUdll 2/ I2n4.2 一次與二次額定電流及容量計算如果不計變壓器的勵磁電流，根據變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關糸式為：I1N1=I2N2K N1 _U1N2 U2式中N1,N 變壓器一次和二次繞組的匝數;變壓器的匝數比。由于整流變壓器流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、容量計算 與線路型式有關。三相橋式可控整流電路計算如下： 大電感負載時變壓器二次電流的有效值為I 2二點

14、Id =0.816 Id = 0.816*50A=40.5A由一次側和二次側電壓得:N1 U1 140N2 一 U 2 一 82.5N1N2故 I1=23.86A變壓器二次側容量為3U2* 12 = 3*120V*18A = 29.2KV* A變壓器的安全性能-主要有變壓器的阻燃性能和絕緣性能 阻燃性能有所選原材料決定絕緣性能：e型變壓器的絕緣是由骨架的結構決定的c型變壓器的絕緣石油組間絕緣層的結構決定的e 型變壓器：工字形骨架的絕緣一般計算方法：VAB -結構容量p2 -輸出功率u1 -初級電壓u2次級電壓升壓式VAB=p2(1-u1/u2 )將壓比VAB=p2(1-u2/u1 )五觸發電路

15、的設計晶閘管最重要的特性是可控的正向導通特性 .當晶閘管的陽極加上正 向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上一個具有一定功率的正向觸發電 壓才能打通，這一正向觸發電壓的導通是由觸發電路提供的，根據具體情況這個電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發導通以后， 門極的觸發電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發功率，常常用 脈沖觸發。觸發脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導通后才能撤掉，晶閘 管對觸發脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發電壓或觸發電流應大于 產品提出的數據，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并 聯的場合，觸發脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發導通。為了保 證晶

16、閘管電路能正常，可靠的工作，觸發電路必須滿足以下要求：觸發脈 沖應有足夠的功率，觸發脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數值，并 留有一定的裕量。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性 的分散性很大，所以規定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才 可能算是合格的產品。晶閘管器件出廠時，所標注的門極觸發電流Igt、門 極觸發電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發導通的最小門極電流、 電壓值，所以在接近坐標原點處以gtUgt為界劃除OABCC區域，在此區域內為不可靠觸發區。在器件門極極限電流Igfm、門極極限電壓和門極極限功率曲線的包圍下，面積 ABCDEF助可觸發區，所

17、用的合格的晶閘管器 件的觸發電壓與觸發電流都應在這個區域內，在使用時，觸發電路提供的 門極的觸發電壓與觸發電流都應處于這個區域內。再有，溫度對晶閘管的門極影響很大，即使是同一個器件，溫度不同時， 器件的觸發電流與電壓也不同。一般可以這樣估算，在100°高溫時，觸發電流、電壓值比室溫時低 23倍，所以為了使敬閘管在任何工作條件下都 能可靠的觸發，觸發電路送出的觸發電流、電壓值都必須大于晶閘管器件 的門極規定的觸發電流、觸發電壓值，并且要留有足夠的余量。如觸發信 號為脈沖時，在觸發功率不超過規定值的情況下，觸發電壓、電流的幅值 在短時間內可以大大超過額定值。觸發脈沖應一定的寬度且脈沖前沿

18、應盡 可能陡。由于晶閘管的觸發是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一 定的時間。只有當晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電 流以上時，晶閘管才能導通，所以觸發信號應有足夠的寬度才能保證被觸 發的晶閘管可靠的導通，對于電感性負載，脈沖的寬度要寬些，一般為 0.51MS,相當于50HZ 18度電度角。為了可靠地、快速地觸發大功率晶 閘管，常常在觸發脈沖的前沿疊加上一個觸發脈沖。觸發脈沖的相位應能在規定范圍內移動。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載時，要求觸發脈沖的移項范圍是0度180度，帶大電感負載時，要求移項范圍是0度90度；三相半波可控整流電路電阻性負載時，要 求移項范圍是0度

19、90度。觸發脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相 同的控制角-被觸發導通，觸發脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應該相 同，而且要有固定的相位關系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發。 觸發電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控。+ 15Vooh忸q叫:靑叵rTTtzrcrUJ-ll-i H茗0俎口-卄 1 ni 印 1 器甩 TEh六保護電路的設計在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數要選擇合適，驅動電 路設計良好外，采用合適的過電壓保護，過電流保護，du/dt保護和di/dt保護也是必不可少的。6.1過電壓的產生及過電壓保護電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和

20、內因過電壓兩類。（1）外因過電壓：主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括：（2）操作過電壓：由分閘，合閘等開關操作引起的過電壓，電網側的操作 過電壓會由供電變壓器電磁感應耦合，或由變壓器繞組之間的存在的分布 電容靜電感應耦合過來。（3）雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。（4）內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程。（5）換相過電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯的續流二極管在換 相結束后不能恢復阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載 流子恢復，而當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突 變會因線路電感而在晶閘管陰陽極這間或與續流二極管反并聯的全控型器件

21、兩端產生過電壓。(6) 關斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向 電流的迅速降低而線路電感在器件兩端感應出的過電壓。6.2 過電流保護電力電子電路運行不正常或者發生故障時，可能會發生過電流現象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措 施，怪提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應注意相互協 調。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器只作為短路時的部分 區斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現保護，過電流繼電 器在過載時動作。采用快速熔斷器(簡稱快熔)是電力電子裝置中最有效, 應用最方泛的一種過電流保護措施。此外，常在全控型器件的

22、驅動電路中 設置過電流保護環節，這種措施對器件過電流的響應最快。七緩沖電路的設計緩沖電路，其作用是抑制電力電子期間的內因過電壓.du/dt.過電流和di/dt,減少器件的開關損耗.緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通緩沖 電路.關斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路,用于抑制器件開通時的電流過 沖和di/dt,減小器件的開通損耗,可將關斷緩沖電路和開通電路結合在一 起，稱為復合緩沖電路.還有另外一中分類方式：緩沖電路中儲能元件的能 量如果能消耗在吸收電阻上，則稱其為饋能式緩沖電路或無損吸收電路，如 無特別說明，通常緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路圖2-6di/dt 抑

23、制電路圖2-6所示的緩沖電路,使用于中等的容量的場合.其中RC緩沖電路主要用 于小容量器件,而放電阻止型RODS沖電路用語中或大容量器件，晶閘管在 實際應用中一般只承受換相過壓，沒有關斷電壓問題，關斷時也沒有較大的 du/dt,因此一般采用RC吸收緩沖電路即可，圖2-6為GTO常見的三種緩沖 電路.為了使緩沖效果更加顯著，電路中的二極管盡量選用快速二極管，同時接線要盡量短以減少布線電感圖72-6a緩沖電路不僅能抑制開通過程 du/dt與di/dt值,同時還使剛開通 時加在GTC上的du/dt初始值小.電路中由于有二極管VD阻擋，使得電 容C的放電不能經過GTO，以免GTO剛開通時di/dt值過

24、大.圖7-1b緩沖電路抑制du/dt與di/dt效果更明顯，但電容放電要經過GT 0（放電電流受R值的限制）.圖7-1c所示的緩沖電路通常是GTO容量在5 0A以下時才采用.a)D?DJ CD?'巴VDRb)c)圖2-6阻容吸收元件參數可按表 7-1所提供的經驗數據選取，電容耐壓一般選晶 閘管額定電壓的1.1至1.5倍。表7-2晶閘管阻容電路經驗數據晶閘管額定電1000500200100502010流 lt(AV)/A電容CK' F210.50.250.20.150.1電阻R/1 12510204080100電阻功率P = fCUm2*10式中f 頻率，取500Hz;Um晶閘管

25、工作峰值電壓，單位為 V;C與電阻串聯的電容量，單位為 J F;P電阻選取的功率，單位為 W所以根據其提供的資料可取電容 0.2 ”F，電阻取40, '八總結經過幾周的工程實訓，我對電力電子技術這門課程及相關知識有了更 深刻的理解和體會，同時也很好的把理論知識運用于實踐之中，在實訓之 中我真正的學到了很多東西，受益頗多。我做的課題是直流電動機用硅整流器的設計，首先對該課題進行 簡單的介紹：將交流電能轉換為直流電能是電力電子技術應用的重要領域。 采用晶閘管作為主要的功率開關器件，容量大，控制簡單，技術成熟。在做該設計之前，我認真看了老師給我提出的課題，看了其中的具體 要求，通過在圖書館查

26、閱相關資料，上網找資料，向老師詢問疑點等方式, 有效的解決了我不懂之處。在本設計中，難點重點在于如何對整流電路進行設計，通過給定的有 關參數的計算對晶閘管進行選型，計算變壓器的正、副偏電壓，電流及其 容量。其次，就是這些公式的編寫，在平時，Microsoft Word 文檔中一般很少用，在編寫之前，我特意問了老師，裝了一個3.0的公式，終于解決了我 面前的又一個問題。該課題分九個環節進行闡述，其內容包括：1、主電路的設計；2、主電路元件的選擇；3、整流變壓器額定參數的計算；4、平波電抗器的設計； 5、觸發電路的設計；6、驅動電路與保護電路設計；7、緩沖電路的計算； 8、直流電機的構造及工作原理

27、。設計采用的是三相橋式全控整流電路，整流電路廣泛應用于工業中。它可按照以下幾種方法分類：1、按組成的器件可分為不可控、半控、全控 三種；2、按電路結構可分為橋式電路和零式電路；3、按交流輸入相數分為單相電路和多相電路；4、按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又 分為單拍電路和雙拍電路。一般當整流負載容量較大，或要求直流電壓脈 動較小時，應采用三相整流電路。三相可控整流電路中，最基本的是三相 半波可控整流電路，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、以及雙反 星形可控整流電路等。本設計通過對整流電路的額定容量的計算為5.5KW而一般當功率超過4KW時，考慮到三相負載的平衡，采用三相橋式全控整 流

28、電路。觸發電路米用的是鋸齒波同步觸發電路，該觸發電路分成同步電壓、 鋸齒波形成和脈沖移相、脈沖形成與放大、強觸發和雙窄脈沖形成等環節。 晶閘管觸發導通的條件是：1陽極承受正向電壓；2、門極-陰極之間加上 正向觸發電壓，并且具有足夠的觸發功率；3、流過晶閘管的陽極電流大于 維持電流。要是晶閘管從導通狀態變為截止通常采用的方法是使晶閘管承 受反向電壓或者增加回路阻抗使流過晶閘管陽極的電流小于維持電流。平波電抗器是可以把電流波形看作連續且平直，具有平滑性。緩沖電 路中VD必須選用快恢復二極管，其額定電流應不小于主電路器件額定電流 的1/10。此外，應盡量減小線路電感，且應選用內部電感小的吸收電容。

29、在中小容量場合，若線路電感叫小，可只在支流側總的設一 個du/dt抑制電 路。晶閘管在實際應用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷問題，關斷時 沒有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收緩沖電路即可。整流電路設計好之后我們就可以直接把它接到直流電動機上了。直流 電動機的工作原理：在電刷 AB之間加上直流電壓U,電樞線圈中的電流流 向為：N極下的有效邊中的電流總一個方向， 而S極下的有效邊中的電流總 是另一個方向。這樣兩個有效邊中受到的電磁力的方向一致，電樞開始轉 動。通過換向器可以實現線圈的有效邊從一個磁極如N極轉到另一個磁極下如S極時，電流的方向同時發生改變，從而電磁力或電磁轉距的方向不 發生改變。電磁轉距是驅動轉距，其大小也為： T=KM la。電動機的電磁 轉距T必須與機械負載轉距T2及空載損耗轉距TO相平衡。即T=T