PAGE22-電力電子工程設計報告題目：直流開環調速系統學院：班級：姓名：學號：指導老師：目錄TOC\o"1-3"\h\u19729第1章前言 -2-24713第2章原理框圖及電路設計 -3-75932.1原理框圖 -3-194882.2系統電路設計 -4-27109第3章整流電路 -6-176693.1三相橋式全控整流電路原理 -6-180593.2三相橋式全控整流電路圖 -8-145233.3整流變壓器電路 -8-12184第4章控制電路 -9-34944.1電路結構 -9-273234.2ASR調節器電路 -9-287224.3觸發電路 -10-169854.4驅動放大電路 -14-14895第5章保護電路 -15-15355.1保護電路的意義 -15-199745.2過電流保護電路 -15-254005.3過電壓保護電路 -16-196455.4濾波電路 -16-529第6章元件參數計算及選型 -18-12426.1已知數據 -18-273576.2參數計算 -18-10666第7章總結 -20-9971附錄 -21-7544元件清單 -22-第1章前言電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據器件的特點和電能轉換的要求，開發出許多包括各種控制、觸發、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等電路。利用這些電路，根據應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統。電機的調速系統就是其中一種，它包含直流調速系統和交流調速系統兩種，交流調速系統局限性比較大，而相比之下，雖然直流電機價格高、結構復雜、維修難，不過，它具有良好的起動制動性能，并且更容易做到較寬范圍內的平滑調速，所以，直流調速系統是電機自動調速系統的主要形式。此次工程設計的題目是能夠運用于集成PCB板的直流電機開環調速系統，主要內容包括原理的分析，主電路設計，控制電路設計，保護電路設計，元件參數計算和PCB板圖繪制等。該系統為無極調速，采用降電壓調速方式，主電路接入三相交流電，通過整流電路整流后連接電機。在此系統中，采用晶閘管整流，整流電路采用三相橋式全控整流，其六脈波整流方式能夠使波形更加平穩。過電壓保護采用RC過電壓抑制電路，過電流保護采用快速熔斷器。三項全控橋整流電路觸發電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊構成，形成六路雙脈沖。觸發電路通過控制晶閘管的開斷時間控制整流端的電壓輸出，從而控制直流電機轉速。我們團隊在完成這次設計任務中，分工合作，共同努力解決難題，從中既學到了很多專業知識，又明白了團隊分工合作的重要性。這次工程設計對我們能力有很大的提升，感謝指導老師對我們提供的幫助。第2章原理框圖及電路設計2.1原理框圖公用三相電網380V公用三相電網380V過流保護過壓保護過流保護過壓保護變壓器變壓器過電壓保護過電壓保護晶閘管整流驅動電路晶閘管整流驅動電路負載部分取樣電路觸發電路負載部分取樣電路觸發電路比較電路電壓調節器比較電路電壓調節器圖2-1系統原理框圖2.2系統電路設計主電路主要包括：電網輸入，變壓器，過電壓保護，過電流保護，三相橋式全控整流電路，以及負載部分（如電動機）；控制電路主要包括：ASR調節電路、觸發電路、驅動放大電路。通過各個部分的有機結合在一起，就構成了一個晶閘管整流直流調壓電路。具體地，主電路采用三相橋式全空整流的形式，將三相交流電轉換為直流電。ASR調節電路及PI調節器用芯電阻和電容構成，它的作用是放大給定信號與反饋信號之差轉化為觸發電路的移相控制信號。觸發電路為TC787集成觸發器；驅動放大電路由三極管、二極管以及變壓器組成；保護電路又分為電壓保護電路和電流保護電路，電壓保護采用RC電路，用熔斷器來對電路進行電流保護。圖2-2系統電氣原理圖圖2-2系統原理圖第3章整流電路3.1三相橋式全控整流電路原理整流方式多種多樣，但目前在各種整流電路中應用最多的是三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流電路是通過六個晶閘管和足夠大的電感把電網的交流電轉化為直流電而供給電機使用的，它可以通過調節觸發電路的控制電壓Uco改變晶閘管的控制角α，從而改變輸出電壓Ud和輸出電流Id來對負載進行控制。整流電路在接入電網時由于變壓器一次側電壓為380V，一般都大于負載的額定電壓，所以選用降壓變壓器，為得到零線，變壓器二次側必須接成星型，而一次側接成三角形，這樣可以避免三次諧波電流流入電網，減少對電源的干擾。三相橋式整流電路帶阻感負載運行時，當觸發角小于60度時，其波形與帶電阻負載相同，波形如圖：圖3-1觸發角為0度時的波形圖圖3-2觸發角為30度時的波形圖當觸發角大于60度時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現負的部分。圖2-4給出了α=90度時的波形。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90度。圖3-2觸發角為90度時的波形圖3.2三相橋式全控整流電路圖下圖為三相全控橋整流原理圖，其中陰極連在其的3個晶閘管VT1，VT3，VT5為共陰極組，陽極連在一起的VT2，VT4，VT6稱為共陽極組。晶閘管按從1到6的順序經過控制電路發出的脈沖依次導通。圖3-3三相全控橋整流電路3.3整流變壓器電路為保證供電質量，應采用三相降壓變壓器將電源電壓降低，為避免三次諧波電動勢的不良影響，應采用△/Y接法。下圖為整流變壓器電路。圖3-4三相全控橋整流電路第4章控制電路4.1電路結構控制電路主要包括：ASR調節電路、觸發電路、驅動放大電路。其中ASR調節電路主要采用的是PI調節器，他的作用主要是實現對輸入和輸出電壓進行反饋調節，使電路輸出得到一個穩定的電壓。因為PI調節器的性能比較好，在顯示電路中得到廣泛的采用，所以我采用了這種調節器。觸發電路是是整個控制電路中的核心電路，他的主要作用是產生對晶閘管的觸發脈沖，同時通過控制控制觸發角的大小來控制整流直流電壓的輸出大小，從而得到我們具體所需要的電壓和電流。驅動放大電路的主要功能是把觸發電路發出的觸發脈沖信號進行放大，最終驅動晶閘管的的導通和關斷，最終實現對整個主電路的控制。這就是控制電路。4.2ASR調節器電路ASR調節器是一種比例積分放大電路。大器由LM324芯片提供，再用電阻和電容與其引腳以一定的方式連接構成一個比例積分放大電路。PI調節器可以分為兩個環節，一過熱環節是比例放大環節，另一個環節是積分放大環節，比例環節的作用是對大給定信號與反饋信號之差進行放大再輸入觸發電路產生觸發脈沖去控制晶閘管的觸發角度從而控制輸出電壓，積分環節的作用是實現無靜差，穩定輸出電壓。要改變輸出電壓的大小，只要改變給定電壓的大小即可。具體的連接電路圖如圖4-1。圖4-1ASR調節器電路4.3觸發電路（一）TC787的內部結構TC787的內部結構及工作原理框圖如圖4-2所示，其內部集成有3個過零和極性檢測單元，3個鋸齒波形成單元，3個比較器，1個脈沖發生器，1個抗干擾鎖定電路、1個脈沖形成電路，1個脈沖分配及驅動電路。他們的工作原理可簡述為：經濾波后的三相同步電壓通過過零和極性檢測單元檢測出零點和極性后，作為內部3個恒流源的控制信號，3個恒流源輸出的恒值電流給3個等值電容Ca，Cb，Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波，鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相控制電壓Vr比較后取得交相點，該交相點經集成電路內部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證交相唯一而穩定，使交相點以后的鋸齒波或移相電壓的波動不影響輸出，該交相信號與脈沖發生器輸出的脈沖信號經脈沖形成電路處理后變為與三相輸入同步信號相位對應且與移相電壓大小適應的脈沖信號送到脈沖分配及驅動電路。假設系統未發生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止端的信號無效，此時脈沖分配電路根據用戶在引腳6設定的狀態完成雙脈沖（引腳6為高電平）或單脈沖（引腳6為低電平）的分配功能，并經輸出驅動電路功率放大后輸出，一旦系統發生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止信號有效，脈沖分配和驅動電路內部的邏輯電路動作，封鎖脈沖輸出，確保集成電路的6個引腳12，11，10，9，8，7輸出全為低電平。圖4-2TC787的內部結構及工作原理框圖（二）TC787的引腳功能1)同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)分別為三相同步輸入電壓連接端，應用中分別接經輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應不超過TC788的工作電源電壓VDD。2)脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8(C)、引腳10(B)、引腳12(A)分別為與三相同步電壓正半周對應的同相觸發脈沖輸出端，而引腳7(-B)、引腳9(-A)、引腳11(-C)分別為與三相同步電壓負半周對應的反相觸發脈沖輸出端。當TC788被設置為全控雙窄脈沖工作方式時，引腳8為與三相同步電壓中C相正半周及B相負半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳12為與三相同步電壓中A相正半周及C相負半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳11為與三相同步電壓中C相負半周及B相正半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳9為與三相同步電壓中A相同步電壓負半周及C相電壓正半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳7為與三相同步電壓中B相電壓負半周及A相電壓正半周對應的兩個脈沖輸出端，引腳10為與三相同步電壓中B相正半周及A相負半周對應的兩個脈沖輸出端，應用中均接脈沖功率放大環節或脈沖變壓器。3)控制端①引腳5(Pi)為輸出脈沖禁止端。該端用來進行故障狀態下封鎖TC788的輸出，高電平有效，應用中接保護電路的輸出。②引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)分別為對應三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應用中分別通過一個相同容量的電容接地。③引腳6(Pc)為TC788工作方式設置端。當該端接高電平時，TC788輸出雙脈沖；而當該端接低電平時，輸出單脈沖。④引腳4(Vr)為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC788輸出脈沖的移相范圍，應用中接給定環節輸出，其電壓幅值最大為TC788的工作電源電壓VDD。⑤引腳13(Cx)。該端連接的電容Cx的容量決定著TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。電源端：TC788可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為8~18V。雙電源工作時，引腳3(VSS)接負電源，其允許施加的電壓幅值為-4~-9V，引腳17(VDD)接正電源，允許施加的電壓為+4~+9V。圖4-3TC787的引腳（三）觸發電路原理圖圖4-4觸發電路原理圖4.4驅動放大電路圖4-5驅動放大電路第5章保護電路5.1保護電路的意義電力電子裝置受所用器件性能的影響，承受過電壓、過電流的能力比較差(例如電動機、變壓器等，通常可在幾倍的額定電流下工作幾秒鐘或幾分鐘，而在同樣條件下電力電子器件只要0.1秒或更短的時間就已損壞)。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了設計時合理選擇電力電子器件的電流、電壓容量外，還需采取與一般電工設備不同的一些保護措施，以防止電力電子器件的過電流、過電壓損壞。5.2過電流保護電路過載電流流過電力電子器件時會使器件溫度迅速上升，如不及時切斷或限制過電流，很快就會使器件因溫度過高而損壞。過載電流越大，器件能承受過電流的時間越短。這里采用快速熔斷器，與電力電子器件直接串聯。快速熔斷器必須在晶閘管損壞以前熔斷，才能起保護作用。普通熔斷器因熔斷時間較長，不能用于電力電子器件的過電流保護。快速熔斷器用一定形狀的銀質或鋁質熔絲，周圍充以石英砂，在過電流流過時，其熔斷時間通常在20毫秒以內。圖5-1快速熔斷器5.3過電壓保護電路由于交流側電路在接通或斷開時出現暫態過程，會產生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級之間存在分布電容，初級高壓經電容耦合到次級，出現瞬時過電壓。措施：在三相變壓器次級星形中點與地之間并聯適當電容，就可以顯著減小這種過電壓。與整流器并聯的其它負載切斷時，因電源回路電感產生感應電勢的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時，初級拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級感生出很高的瞬時電壓，這種電壓尖峰值可達工作電壓的6倍以上。交流電網遭雷擊或電網侵入干擾過電壓，即偶發性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進行保護。一般加快速熔斷器進行保護，實際上它不能保護可控硅，而是保護變壓器線圈。具體的圖形如圖5-2：5.4濾波電路濾波電容容量大，因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。因此，濾波效果取決于放電時間常數。電容C愈大，負載電阻RL愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，并且其平均值愈大。其電路圖如下：圖5-3濾波電路第6章元件參數計算及選型6.1已知數據1） 直流電機：Un=220V，In=8.7A，額定轉速為1500轉；2） 最過載倍數：λ=26.2參數計算（1）整流器主電路的設計Pd=Ud*Id=220*305=67.1kw因為Pd＞5kw，所以采用三相橋式整流電路且帶整流變壓器（2）晶閘管的選擇1.電流參數的選取IT=(1/3，ep

\r(3)1.732)*Id=305/1.732≈176(A)ITa＝IT/1.57≈112(A)取安全裕量Kf=2,則所選晶閘管的電流值為:I=2*ITa=224(A)2.電壓參數的選取在三相橋式整流電路中,晶閘管所承受的電壓極值為根號6倍U2,其中U2其中變壓器二次側相電壓有效值.由Ud=2.34U2COSα可得:U2=Ud/2.34COSα其中Ud=300Vα取零度U2min=Ud/2.34COS0=220/2.34≈94V因為U2存在15%的波動所以U2=U2min/0.85=111V所得晶閘管的電壓值為它的根號6倍,即2.45倍2.45*111=272V取安全裕量Kf=2,則晶閘管的電壓值為544V所以晶閘管選kp100-400（3）變壓器的設計變壓器副邊容量的計算由負載要求Id＝(Ａ)I2=(1.414/1.732)*Id≈249(A)已知U2=111V有S2=3U2I2=3*111*249≈82.917KVA因為是三相橋式電路,所以S1=S2=82.917KVAI1=U2I2/U1=111*249/380≈72.7(A)n1/n2=U1/U2=380/111≈3.4取I1=73AU1=380VI2=249AU2=111VS=82.917KVA熔斷器選80A.（4）濾波電容選擇C一般根據放電的時間常數計算，負載越大，要求紋波系數越小，一般不做嚴格計算，多取2000以上。因該系統負載不大，故取C=2200耐壓1.5Udm=1.5*544=816V取800V即選用2200、800V的電容（5）續流二極管的選擇根據得知續流二極管應選500A、額定電壓為500V的二極管第7章總結經過這次設計，我學到很多很多的的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。而且通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理