1、精選優質文檔-傾情為你奉上課程設計任務書學生姓名： 葛福臻 專業班級： 自動化0805 指導教師： 李向明 工作單位： 自動化學院 題目：單相全控橋式晶閘管-電動機系統設計初始條件：電動機負載，直流電動機額定參數為：PN3KW，UN220V，IN17A，nN1500r/min ，Ra0.2，勵磁：它勵，勵磁電壓220V，交流電源：單相220V，電流過載倍數1.5，使用單相可控整流電路，工作于電動狀態。要求完成的主要任務：1. 單相全控橋式主電路設計（包括整流變壓器參數計算，整流元件定額的選擇）,討論晶閘管電路對電網的影響及系統功率因數。2.觸發電路設計。觸發電路選型（可使用單結管觸發電路或集成

2、觸發器），同步信號的定相等。3.晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設計。4.提供系統電路圖紙不少于一張。 課程設計說明書應嚴格按統一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現象。應畫出單元電路圖和整體電路原理圖，給出系統參數計算過程，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。時間安排：2011.7.42011.7.5 收集資料2011.7.62011.7.8 系統設計2011.7.92011.7.10 撰寫課程設計論文及答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日專心-專注-專業摘要整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電能變為直流電能供給直流用電設備。整

3、流電路可從各種角度進行分類，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次電流的方向是單向或雙向，可分為單拍電路和雙拍電路。整流電路的應用十分廣泛，例如直流電動機、電鍍、電解電源、同步發電機勵磁、通信系統電源等。單相整流電路中應用較多的是單相橋式全控整流電路，可帶電阻負載、阻感負載和反電動勢負載。當負載是蓄電池、直流電動機的電樞等時，負載可看成是一個直流電壓源，對于整流電路，它們就是反電動勢負載。單相全控橋式晶閘管-電動機系統就是帶的反電動勢負載。關鍵字：單相橋式全控整流電路 分類方法 晶閘管

4、反電動勢負載目錄單相全控橋式晶閘管-電動機系統設計1 設計任務及原理1.1 設計任務電動機負載，直流電動機額定參數為：PN3KW，UN220V，IN17A， nN1500r/min ，Ra0.2，勵磁：它勵，勵磁電壓220V，交流電源：單相220V，電流過載倍數1.5，使用單相可控整流電路，工作于電動狀態。完成單相全控橋式主電路設計，討論晶閘管電路對電網的影響及系統功率因數，觸發電路設計，晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設計，并提供系統電路圖紙不少于一張。1.2 設計原理根據設計任務，畫出系統總體框圖，如圖1所示。圖1 系統總體框圖整流電路是電力電子電路中出現最早的一種，它的作用是將交流電能

5、變為直流電能供給直流用電設備。由圖1可知，交流電網送出的交流電經過整流變壓器和整流電路整流后，變為直流電，再輸送給直流電動機負載。晶閘管可控整流裝置帶電動機負載組成的系統，習慣上稱為晶閘管直流電動機系統，是電力拖動系統中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。這里用到的控制電路為單相橋式全控。當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能導通，所以必須設計晶閘管觸發電路。電力電子電路運行不正常或者發生故障時，可能發生過電壓或者過電流的現象。因此，在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護也是必要的。由于電流斷續對電動機

6、負載是很不利的，因此需要串聯平波電抗器來保證電流連續。2 單相橋式全控整流電路工作情況單相整流電路中應用較多的是單相橋式全控整流電路。其中，和組成一對橋臂，和組成另一對橋臂。2.1 帶電阻負載的工作情況baud圖2 單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的電路單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的電路如圖2所示。在正半周，若4個晶閘管均不導通，負載電流為零，也為零，、串聯承受電壓，設和的漏電阻相等，則各承受的一半。若在觸發延遲角處給和加觸發脈沖，和即導通，電流從電源a端經、流回電源b端。當過零時，流經晶閘管的電流也降到零，和關斷。在負半周，仍在觸發延遲角處觸發和，和導通，電流從電源b端流出，經、流回電源

7、a端。到過零時，電流又降為零，和關斷。此后又是和導通，如此循環地工作下去。2.2 帶阻感負載的工作情況ud圖3 單相橋式全控整流電路帶阻感負載時的電路電路如圖3所示。為了便于討論，假設電路已工作與穩態，的平均值不變。在正半周，觸發角處給晶閘管和加觸發脈沖使其開通，。負載中有電感存在使負載電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設負載電感很大，負載電流連續且波形近似為一水平線，其波形如圖4所示。過零變負時，由于電感的作用晶閘管和中仍流過電流，并不關斷。至時刻，給和加觸發脈沖，因和本已承受正電壓，故兩管導通。和導通后，通過和分別向和施加反壓使和關斷，流過和的電流迅速轉移到和上，此過程稱為換相，亦

8、稱換流。至下一周重復上述過程，如此循環下去。波形如圖4所示。其平均值為： 單相橋式全控整流電路帶阻感負載時，晶閘管、的電壓波形如圖4所示，晶閘管承受的最大正反向電壓均為。晶閘管導通角與無關，均為180°。圖4 單相橋式全控整流電路帶阻感負載時的波形2.3 帶反電動勢負載時的工作情況忽略主電路各部分的電感，只有在瞬時值的絕對值大于反電動勢即時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。晶閘管導通之后，直至，即降至0使得晶閘管關斷，此后。與電阻負載相比，晶閘管提前了電角度停止導電。稱為停止導電角。在角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。 電路如圖5所示。ud圖5 單相橋式全控整流電路帶反電動勢

9、負載時的電路帶反電動勢負載時，和的波形如圖6所示。圖6 單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載時的波形3 整流電路參數計算及元件選擇3.1 晶閘管電壓定額選擇斷態重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。反向重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通態電壓是晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。通常取晶閘管的和中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。即3.2 晶閘管電流定額選擇國際規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為40和規定的

10、冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標稱其額定電流的參數，是按照正向電流造成的器件本身的通態損耗的發熱效應來定義的。因此在使用時同樣應像電力二極管那樣，按照實際波形的電流和晶閘管所允許的最大正弦半波電流所造成的發熱效應相等的原則來選取晶閘管的此項電流定額，并應留一定的裕量。一般取其通態平均電流為按此原則所得計算結果的1.52倍。例如，需要某晶閘管實際承擔的某波形電流有效值為400A，則可選取額定電流（通態平均電流）為400A/1.57=255A的晶閘管，再考慮裕量，比如將計算結果放大到2倍左右，則可選取額定電流500A的晶閘管。3.3 整流變壓器

11、額定參數的計算一般情況下，整流裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓不一致，因此需要使用整流變壓器。此外，整流變壓器還可減小電網和整流裝置的相互干擾。3.3.1 二次側電壓U2整流變壓器二次側電壓的計算公式如下：式中，整流電路輸出電壓最大值。=+=225.1V； 主電路電流回路n個晶閘管正向壓降。=2*1=2V； 線路接線方式系數。這里=0.707； 變壓器短路比，=0.05-0.1，取=0.05；變壓器二次側實際工作電流與額定電流之比，取最大值，這里=1.5；A理想情況下，即時整流電壓與二次側電壓之比，這里取A=0.9；電網波動系數，通常取=0.9；取10°裕量，則。綜上所述，整流變壓

12、器二次側電壓為：=300.8V3.3.2 二次相電流I2和一次相電流I1 式中，、對于單相橋式全控整流電路，=1.11；變壓器一次與二次匝數比。即 3.4 系統功率因數直流電感為足夠大時，變壓器二次電流波形近似為理想波形，將電流波形分解為傅里葉級數，可得基波和各次諧波的有效值為： =1,3,5,因此可得基波電流有效值為： 的有效值，可得基波因數為： 又因為，電流基波與電壓的相位差就等于控制角，所以位移因素為： 所以，功率因數為：4 晶閘管電路對電網的影響電網電壓質量通常用穩定性、對稱性和正弦性等指標來衡量。隨著非線性負荷大量接入電網，使電網電壓質量受到嚴重影響，而各種類型的晶閘管電路是最主要的

13、干擾源。晶閘管電路對電網的影響主要是兩個方面：增加電網損耗和產生諧波。4.1 增加電網損耗晶閘管電路要消耗無功功率，降低功率因數，對電網帶來的不利影響包括：（1）無功功率會導致電流增大和視在功率增加，導致設備容量增加。（2）無功功率增加，會使總電流增加，從而使設備和線路的損耗增加。（3）使線路的壓降增大，沖擊性無功負載還會使電壓劇烈波動。4.2 產生諧波公用電網中的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網本身都會造成很大的危害。晶閘管電路中產生的諧波對電網的危害包括：（1）諧波影響各種電氣設備的正常工作，例如使電機發生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴重過熱等等。（2）諧波使電網中的元件產生附加的

14、諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備的效率，甚至會使線路過熱而發生火災。（3）諧波會引起電網中局部的并聯諧振，從而使諧波放大，使危害大大加大，甚至引起嚴重事故。（4）諧波會對鄰近通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。（5）諧波還會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電器測量儀表計量不準確。5輔助電路設計5.1 觸發電路設計圖7是同步信號為鋸齒波的觸發電路。脈沖形成環節由晶閘管V4、V5組成，V7、V8起脈沖放大作用。控制電壓加在V4基極上，電路的觸發脈沖由脈沖變壓器TP二次側輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。5.1.1 脈沖形成環節當控制電壓

15、=0時，V4截止。電源通過供給V5一個足夠大的基極電流，使V5飽和導通，所以V5的集電極電流接近于。V7、V8處于截止狀態，無脈沖輸出。另外，電源的（15V）經、V5發射結到（-15V），對電容充電，充滿后電容兩端電壓接近（30V）。當控制電壓V時，V4導通，A點電位由（15V）迅速降低至1.0V左右，由于電容兩端電壓不能突變，所以V5基極電位迅速降至約（-30V），由于V5發射結反置，V5立即截止，集電極電壓由（-15V）迅速升到+3.1V（VD6、V7、V8三個PN結正向壓降之和），于是V7、V8導通，輸出觸發脈沖。同時，電容經電源、VD4、V4放電和反向充電，使V5基極電位又逐漸上升，直

16、到（-15V），V5又重新導通。這時又立即降到，使V7、V8截止，輸出脈沖終止。可見，脈沖前沿由V4導通時刻確定，V5（或V6）截止持續時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數有關。A 圖7 同步信號為鋸齒波的觸發電路5.1.2 同步信號的定相為保證觸發電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。本觸發電路的同步電壓環節由同步變壓器TS和V2管等元件組成，如圖7所示。脈沖產生時刻由V4管導通時刻決定的，若鋸齒波頻率與主電路電源頻率同步，就能使觸發脈沖與主

17、電路同步。在這里同步變壓器TS和主電路整流變壓器接在同一電源上，用TS的二次側電壓控制V2管的通斷，這就保證了觸發電路發出的脈沖與主電路同步。V2管由導通到截止時產生鋸齒波，其截止持續時間就是鋸齒波的寬度，由電容反向充電時間常數決定。V2管的開關頻率就是鋸齒波的頻率。5.2 保護電路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。5.2.1 主電路的過電壓保護電路設計所謂過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓。晶閘管電路中可能發

18、生的過電壓可分為外因過電壓和內因過電壓兩類。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。內因過電壓主要來自晶閘管內部的開關過程，包括換相過電壓和關斷過電壓。抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路是最常見的，典型連接方式如圖8所示。圖8 過電壓保護電路5.2.2主電路的過電流保護電路設計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。過電流分過載和短路兩種情況。快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以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

19、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。在選擇快熔時應考慮：（1）電壓等級應根據熔斷后實際承受的電壓來確定。（2）電流容量應按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。（3）快熔的值應小于被保護器件的允許值。（4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間-電流特性。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施，如圖9所示。圖9 過電流保護電路5.3平波電抗器負載為直流電動機時，如果出現電流斷續，則電動機的機械特性將很軟。導通角越小，則電流波形的底部就越窄。電流平均值是與電流波形的面積成比例的，因而為了增大

20、電流平均值，必須增大電流峰值，這要求較多的降低反電動勢。因此，當電流斷續時，隨著的增大，轉速（與反電動勢成比例）降落較大，機械特性較軟，相當于整流電源的內阻增大。較大的電流峰值在電動機換向時容易產生火花。同時，對于相等的電流平均值，弱電流波形底部越窄，則其有效值越大，要求電源的容量也大。為了克服以上缺點，一般在主電路的直流輸出側串聯一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。有了電感，當小于時甚至值為負時，晶閘管仍可導通。只要電感量足夠大，就能使電流連續，晶閘管每次導通180°，這時整流電壓的波形和負載電流的波形和電感負載電流連續時的波形相同，的計算公式也一樣。總結此次課程設計的的題目是單相全控橋式晶閘管-電動機系統設計，主要分為主電路即單相橋式全控整流電路設計和輔助電路（包括保護電路、觸發電路和平波電抗器）的設計。設計過程很重要的一個環節就是收集資料。雖然課上有學過單相橋式全控整流電路，但是對于其觸發電路和保護電路還是有點陌生。這次課程設計讓我明白了很多關于電力電子技術方面的知識，尤其是在課本中沒有完全介紹的。要完成這次課程設計，關靠書本知識是遠遠不夠的，例如原理圖的繪制。一開始，用Proteus總是畫不出滿意的原理圖，有時還會崩潰，后來用的是Altium Designer Summer 09，最終還是順利地完成