1、目錄摘要I1概述12主電路方案設計22.1 調速系統方案要求22.2 主電路方案設計22.3 觸發電路方案設計32.4 直流調速系統方框圖43 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算43.1 電樞回路串電阻調速43.2 整流變壓器容量計算43.3 晶閘管的電流、電壓定額計算53.4 平波電抗器電感量計算.64 觸發電路設計75 保護電路的設計85.1 過電壓保護85.2 過電流保護11附錄12結束語.14參考文獻15本科生課程設計成績評定表16摘要電動機是用來拖動某種生產機械的動力設備，所以需要根據實際工藝要求調節其轉速。目前調速系統分交流和直流調速系統，由于直流調速系統的調速范圍廣，靜差率小

2、、穩定性好以及具有良好的動態性能。因此在相當長的時期內，高性能的調速系統幾乎都采用了直流調速系統。在不可逆調速電路中電流不能反向，因而電動機沒有反向運行能力，只能作單向運行。晶閘管-電動機調速系統又稱V-M系統，晶閘管整流裝置具有良好的可靠性和經濟效益，控制作用為毫秒級，動態性能很好。對于本次設計的任務可采用應用極為廣泛的三相橋式整流電路來帶動直流電機，合理選擇各元器件參數，再加上相應的驅動電路和保護電路即可。關鍵字：直流電機 不可逆調速 三相橋式整流55KW直流電動機不可逆調速系統主電路設計1 概述作為電氣自動化在電力電子技術應用上的基礎器件晶閘管，它的應用已成為十分普及的實用技術。隨著電力

3、電子技術的發展，晶閘管直流調速系統已在各工業部門得到廣泛應用對節能起到很大促進作用。正確掌握直流調速系統的測試技術和設計方法，對系統的可靠運行及應用有重大作用。電力拖動自動控制系統是把電能轉換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產機械需要動力的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速的電力拖動領域中得到應用。晶閘管問世后，生產出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調速系統。與旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大

4、提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。而轉速、電流雙閉環控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。直流電機調速系統中的核心部分整流電路特別是三相橋式可控整流電路是電力電子技術中應用極為廣泛，如交通運輸、電力系統、通信系統、能源系統等。對三相橋式可控整流電路的相關參數和不同性質負載的工作情況進行對比分析與研究具有很強的現實意義，不僅是電力電子電路理論學習的重要一環，而且對工程實踐的實際應用具有預測和指導作用。三相全控橋整流電路輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載。把該電路應用于本設計，能實現電動機連續、平滑地轉速調節、電動機不可逆運行等技術要求。本設計報告首先根據設計要求確定調速

5、方案和主電路的結構型式，主電路和閉環系統確定下來后，重在對電路各元件參數的計算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護電路以及電流等的參數計算。2 主電路方案設計2.1 調速系統方案要求對晶閘管電氣控制系統的技術要求：（1）輸出一定的直流電壓和電流。（2）輸出電壓的脈動指標在允許范圍內。 （3）具有自動穩壓功能和一定的穩壓精度。（4） 對調速系統應有靜態技術指標和動態技術指標。2.2 主電路方案設計 一般說來，在整流器功率很小時（4kW以下），用單相整流；功率較大時，用三相整流電路，故選用三相整流電路。在三相整流電路中，三相橋式電路突出的優點是電路簡單，用的晶閘管少、觸發器少，

6、對需要220V電壓的用電設備直接用380V電網供電，而不需要另設整流變壓器。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸也電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變電器二次電流中有直流分量，增加了發熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大，往往需要從車間變壓器單獨敷設零線。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時，電源相電壓可較三相零整流電路小一半，困此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，變壓器二次繞組電流中沒有直流分量、利用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可小一些。三相橋式整流電路的缺點是整流器件用得多，全控橋需要六個觸發電路，需要220V電壓的設備也不能用380V電網直接供電，而

7、要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個觸發電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合，故在要求較高的場合應選擇三項全控橋式整流電路。 對于本次設計而言，直流電動機額定功率為55KW，屬于中型容量。由于電機的容量較大，要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動機額定電壓為220V，為保證供電質量，應采用三相降壓變壓器,同時為避三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用/Y接法。2.3 觸發電路方案設計 晶閘管可控整流電路，通過控制觸發角a的大小即控制觸發脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。晶閘管相控電路，習慣稱為觸發電路。大

8、、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發電路應用最多。集成觸發器可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便。晶閘管觸發電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。KJ004與分立元件的鋸齒波移相觸發電路相似,分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環節。 3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可組成完整的三相全控橋觸發電路。本此設計要求的觸發電路選用集成元件。2.4 直流調速系統方框圖 為了使器件可靠運行，除了合理選擇晶閘管外，還必須針對過電壓和過電流采取恰當的保護措施。系統具體的方框

9、圖如圖1所示： 圖1 直流調速系統方框圖3 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算3.1 電樞回路串電阻調速 由電機學知識可知，直流電動機有3種調速方法：電樞串電阻、降電壓和弱磁調速。根據任務書要求電動機啟動、制動需平穩，且達到10：1的調速范圍。本次設計采用電樞回路串電阻的方法來實現這一目標。我國目前設計的直流電動機額定電樞電動勢滿足： （式1） 一般中等容量電動機取0.95左右，則有： （式2） 電動機電樞內阻Ra： （式3） 電動機CeN： （式4）理想空載轉速： (式5）調速范圍D： 則 (式6） (式7） 由式7可知Rmax=0.66，即為了滿足電動機平穩啟停以及合適的調速范圍，可在

10、電樞回路串入一個0.66 的電阻。3.2 整流變壓器容量計算變壓器一次側相電壓為=380V，而二次側的線電壓在樹枝上等于輸出的負載上的直流電壓，即為直流電機的額定電壓UN為220V，所以=220V。變壓器二次側相電壓的計算： (式8） 變壓器的變比選擇： (式9） 由于電機的額定電流IN為287A，且電流過載倍數為1.5，二次側額定電流I2N滿足： (式10）則變壓器的額定電流也應該限制在430.50A。綜上所述：整流變壓器的選擇參數為，變比K=2.99，一次側額定電壓U1N=380V，二次側額定線電壓U2N=220V，額定電流I2N=430.5A。求變壓器一次及二次的相電流： (式11） (

11、式12） K為變壓器變壓比，三相橋式整流電路中三相變壓器：，Id=287A，所以有：I1=78.3A，I2=234.2A 三相變壓器容量： 一次側的容量： （式13) 二次側的容量： （式14)由式6和式7可得變壓器容量為： （式15)考慮到變壓器存在損耗，故可選用變壓器容量S為90KVA。3.3 晶閘管的電流、電壓定額計算 （1）額定電壓UTN的計算斷態重復峰值電壓UDRM 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UFRM 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（峰值）電壓UTM 晶閘管通以

12、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UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。對于三相橋式全控電路，晶閘管承受的最大反向電壓為： （式16)最大正向電壓為： (式 17)所以晶閘管的額定電壓為： (式 18) （2）額定電流IT（AV）的計算由圖3可以看出，晶閘管電流的平均值和有效值分別為： (式 19) (式 20) 晶閘管的電流定額按有效值相等的原則來選取，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。 晶閘管額定電流計算公式： （式21) 故可選用額定電壓為800V、額定電流為200A的晶閘管作為本次設計之用。3.4 平波電

13、抗器電感量計算為了減少電流脈動和增長晶閘管導通時間可以在直流輸出端串聯一個平波電抗器，這樣可以使電壓輸出的波形跟接近一條直線，保持電流連續。對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載其平波電抗器電感量的計算如下： （式22) 式中一般取電動機額定電流的5%10%，則由式22可知： L=3.1mH6.2mH，對于本次設計而言可選用5mH電感。4 觸發電路設計 集成觸發電路不僅成本低、體積小，而且還有調式容易、使用方便等優點，本設計所要求的也是采用KJ041集成觸發電路。    KJ041為6路雙脈沖形成器，它是三相全空橋式電路的觸發器，它具有雙脈沖形成和電子開關封鎖等功能

14、。KJ041實用電路詳見附錄，移相觸發器輸出脈沖加到該器件的16端，器件內的輸入二極管完成“或”功能，形成補脈沖，該脈沖經放大后分6路輸出。當控制端7接邏輯“0”電平時，器件內的電子開關斷開，各路輸出觸發脈沖。采用KJ041集成觸發電路的同步電壓應滯后于主電路電壓180度。本設計主電路整流變壓器采用D，y-11聯結，同步變壓器采用D，y-11，5聯結。這時，同步電壓選取的結果如表1所示：                 

15、60;                              表1  各晶閘管的同步電壓    晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb為防止電網電壓波形畸變對觸

16、發電路產生干擾，可對同步電壓進行R-C濾波，以R-C濾波器滯后角為60度為例，同步電壓選取結果如表2所示： 表2 三相橋各晶閘管的同步電壓（有R-C濾波滯后60度）晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓+Usb-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc5 保護電路的設計在電力電子電路中，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、過電流保護也是非常必要的。晶閘管的保護電路一般可在適當的地方安裝保護器件，如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。5.1過電壓保護其作用是把操作過電壓抑

17、制在元件額定電壓UTN下；把浪涌過電壓抑制在元件的斷態和反向不重復峰值電壓UDSM和URSM以下。以過電壓保護部位來分，有交流側過電壓保護，直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。(1)交流側過電壓保護 a阻容保護：即在變壓器二次側并聯電阻R電容C進行保護，接線方式如圖2所示： 圖2 阻容保護的接法 b壓敏電阻保護：壓敏電阻是其電阻值與外施電壓有關的一種非線形半導體器件。當壓敏電阻兩端的外施電壓低于某一定值（壓敏電阻值）時，通過壓敏電阻的電流幾乎近于零；而當外施電壓超過該值后，電流將突然增大。因此，壓敏電阻對于外施電壓有限幅的作用。壓敏電阻主要是抑制浪涌電壓和電流，保護電器中的電磁線圈和觸

18、頭，保護半導體元器件，用作接地保護以及穩定電壓等。壓敏電阻的主要參數有：標稱電壓U1mA：指漏電流為1mA時壓敏電阻上的電壓。通流量：在規定沖擊電流波形（前沿8s，波形寬20s）下，允許通過的浪涌峰值電流。殘壓：壓敏電阻通過浪涌電流時在其兩端的電壓降。壓敏電阻的接線如圖3所示：圖3 壓敏電阻保護的接法 壓敏電阻的選擇為標稱電壓U1mA： (式23）式23中U壓敏電阻兩端正常工作電壓有效值（V）。通流量：應大于實際可能產生的浪涌電流值，一般取5kA以上。殘壓：由被保護元件的耐壓決定，對于晶閘管，應使得在通過浪涌電流時，殘壓抑制在晶閘管額定電壓以下，并留有一定裕量。 由此可得： (2-24)可取4

19、40V，通流量取5kA。(2) 直流側過電壓保護 直流側保護可采用與交流側保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容易影響系統的快速性，并且會造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如圖4所示：圖4 直流側壓敏電阻保護電路的接法 壓敏電阻的標稱電壓U1mA，一般用下面公式計算，即 (2-25)式中UDC正常工作時加在壓敏電阻兩端的直流電壓（V）。通流量和殘壓的選擇同交流側。由此可得： (2-26) (3)晶閘管兩端的過電壓保護 抑制晶閘管的關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路的方法，如圖5所示:圖5 晶閘管兩端阻容保護電路接法 阻容保護

20、的數值一般根據經驗選定，見表3。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值Um的1.11.5倍。表3 與晶閘管并聯的阻容經驗數據晶閘管額定電流（A）1020501002005001000電容（F）0.10.150.20.250.512電阻（）100840201052 電阻功率PR(W): (式27） 式28中 f電源頻率（Hz） C與電阻串連電容值（F）。 Um晶閘管工作電壓峰值（V）由表3查得：C2=0.25F，R2=20 電容耐壓 (式28) 可選用電容量0.22F，耐壓800V的電容。 (式29)5.1過電流保護本系統采用與元件串聯的快速熔斷器作過載與短路保護。a快速熔斷器的選擇 熔斷器是當

21、通過它的電路超過規定值達到一定時間后，以它本身產生的熱量使熔體熔化，從而分斷電路的電器。在使用中，熔斷器是同它保護的電路串聯的，當該電路中發生過載或短路故障時，如果通過熔體的電流達到或超過某一定值，則熔體上產生的熱量就會使其溫度上升到熔體金屬的熔點。于是，熔體自行熔斷，并以此切斷故障電流，對電路實行保護。快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施。快速熔斷器可以安裝在直流側、交流側直接與晶閘管串聯。其中與元件串聯的接法對于保護晶閘管最為有效。接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值IT：，故選用的熔斷器，熔體電流為165.7A。 附錄1、 觸發電路圖2、 同步變壓器和整流變壓器連接圖3、系統主電路圖結束語在本次設計過程中，我查閱了大量的專業書刊，涉及到電力電子技術、電機原理及拖動、電力拖動自動控制系統等幾門學科。這個題目的綜合性挺強，開始時我還不太了解題目的要求，在查閱相關