1、一. 電力機(jī)車可控直流電源設(shè)計(jì)二. 設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用電力電子學(xué)、模擬電子技術(shù)和電機(jī)學(xué)所學(xué)知識分析、解決工程或科研實(shí)際問題的能力。其目的是鞏固學(xué)生所學(xué)知識的同時(shí)，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，這對于工科學(xué)生貫徹工程思想起到十分重要的作用。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過分析任務(wù)書、查閱收集資料，充分發(fā)揮主動性與創(chuàng)造性，在老師的指導(dǎo)下聯(lián)系實(shí)際、掌握正確的方法，理清思路，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)，撰寫設(shè)計(jì)說明書，其格式和字?jǐn)?shù)應(yīng)符合規(guī)定。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出實(shí)際可行的電路，并計(jì)算電路中所用元器件的參數(shù)，確定其規(guī)格型號；課程設(shè)計(jì)說明書要求整潔、完備、內(nèi)容正確、概念清楚、文字通暢，并繪制出相應(yīng)的電路圖，符合規(guī)范。三.

2、 設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求電力機(jī)車不可逆調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源設(shè)計(jì) A 原始數(shù)據(jù)：P=10kW，Ued=220V，Ied=55A，n=1500r/min，Ra=0.5，LM=3mH，=1.5。B 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：a) 設(shè)計(jì)整流電路主電路。b) 設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)：U1，I1，U2，I2。要求考慮最小控制角min、電網(wǎng)電壓波動、晶閘管管壓降和變壓器漏抗等因素計(jì)算變壓器二次相電壓值，附主要計(jì)算步驟。c) 整流元件參數(shù)的計(jì)算及選擇：依據(jù)參數(shù)計(jì)算，正確選擇器件型號，并附主要參數(shù)。d) 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的計(jì)算，同步電壓的選擇。e) 設(shè)計(jì)保護(hù)電路：正確選擇電壓、過流保護(hù)電路，簡要說明選擇依據(jù)；計(jì)算保護(hù)

3、元件參數(shù)并選擇保護(hù)元件型號。f) 電抗器的參數(shù)設(shè)計(jì)三.具體的計(jì)算和選擇過程 一.主電路的選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的原始數(shù)據(jù)，直流電機(jī)的功率，屬于較大功率的電機(jī)，同時(shí)此電機(jī)為直流電機(jī)，并且需要叫平穩(wěn)恒定的速度，因此需要驅(qū)動電路提供叫平穩(wěn)的電壓和電流，而且在作為電力機(jī)車的驅(qū)動電機(jī)其需要較大的調(diào)速范圍，綜合分析以上因素，所以選用驅(qū)動功率大，輸出電壓脈動較小，而且電壓調(diào)節(jié)范圍較大的三相橋式全控整流電路。二.整流變壓器的設(shè)計(jì)及計(jì)算 變壓器二次側(cè)相電壓有效值的計(jì)算 在不考慮最小控制角，電網(wǎng)電壓波動，晶閘管管壓降和變壓器漏感等因素的理想情況時(shí)，直流端輸出電壓為： （）所以 然而，當(dāng)考慮到最小控制角，電網(wǎng)電壓波動，晶

4、閘管管壓降和變壓器漏感等因素的理想情況時(shí)，的表達(dá)式應(yīng)該為：系數(shù)，=0.4274電網(wǎng)波動系數(shù)，一般取=1.12與最小導(dǎo)通角有關(guān)的系數(shù)=為了在額定負(fù)載下仍然能進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，不能按控制角=進(jìn)行計(jì)算，一般規(guī)定不可逆，此主電路中取。為考慮其他因素影響的安全系數(shù)，取1112，當(dāng)橋臂上串聯(lián)的元件數(shù)較多時(shí)，可取大數(shù)值，由于主電路的橋臂上串聯(lián)的元件較少，故取=1.1。整流器額定輸出電壓。相當(dāng)于額定電流時(shí)負(fù)載的電壓。晶閘管導(dǎo)通時(shí)的管壓降，一般取=1V。變壓器漏感而產(chǎn)生的壓降，其計(jì)算方法為：為整流器輸出端的電流，為變壓器的漏抗，一般按=0.3。根據(jù)以上分析與公式，將電機(jī)原始數(shù)據(jù)代人以上公式得：= 122.926V

5、變壓器二次側(cè)相電流有效值的計(jì)算。因?yàn)檎髌鞯呢?fù)載輸出端串聯(lián)有電抗器，一次變壓器的二次側(cè)電流可視為大小不變的電流，因此其有效值為：因?yàn)楣剩?變壓器一次側(cè)相電流有效值的計(jì)算因?yàn)樵谥校褜⒆儔浩鞫蝹?cè)相電壓有效值計(jì)算出來故可計(jì)算出變壓器的變比K假設(shè)采用的變壓器為-Y連接，一次側(cè)為接，二次側(cè)為Y接。K=380/ 122.926= 3.09133因此，一次側(cè)電流的有效值=I/k=綜上所述：變壓器的主要參數(shù) k 為k380V122.926V15A44.88A3三.晶閘管的選擇 額定電流的計(jì)算 因?yàn)楸掘?qū)動電流的主電路應(yīng)用的是三相橋全控整流電路，因此晶閘管的電流的有效值與直流端的輸出電流的關(guān)系為=31.735

6、因此可求出晶閘管的額定電流=20.213考慮到晶閘管的過載能力差，在選擇晶閘管的額定電流時(shí)，取實(shí)際需要的1.52倍，使之有一定的安全裕量，保證晶閘管的可靠運(yùn)行。因此晶閘管的額定電流計(jì)算公式為：所以在此主電路中晶閘管的額定電流為： 額定電壓的計(jì)算由三相橋全控整流電路的特點(diǎn)得出晶閘管在電路中所可能承受的最大正反向電壓為：所以元件正反向重復(fù)峰值電壓必須滿足： 式中考慮電網(wǎng)的波動、過壓等的安全因素，一般取= 23。在380V的整流電路中，取2.2。所以根據(jù)以上晶閘管額定電壓的分析其額定電壓為：691.3175V 晶閘管的選擇極其主要參數(shù) 662.433V故晶閘管選用KP系列的晶閘管，其主要參數(shù)為額定電

7、流50A額定電壓100-2400V觸發(fā)電流150mA四.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì).觸發(fā)電路的選擇：相比于分立元件的觸發(fā)電路，集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術(shù)達(dá)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已經(jīng)逐漸普及，現(xiàn)已逐步取代分立式電路。TC787是為移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計(jì)的單片集成電路。與TCA785及KJ(或KC)系列集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一個這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ041、1只KJ042或5只KJ系列器件組合才能具有的三相移相功能。另外，TC78

8、7分別具有A型和B型器件，使用戶可方便地根據(jù)自己應(yīng)用系統(tǒng)所需要的工作頻率來選擇(工頻時(shí)選A型器件，中頻100400Hz時(shí)選B型器件)。考慮到以上因素，所以觸發(fā)設(shè)計(jì)用TC787為基礎(chǔ)的觸發(fā)電路。.觸發(fā)電路芯片的介紹：(1) 同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)為三相同步輸入電壓連接端。應(yīng)用中，分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC787的工作電源電壓VDD。(2) 脈沖輸出端：TC787被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時(shí)（此實(shí)驗(yàn)中將TC787設(shè)置為全控雙脈沖 工作方式），引腳8為與三相同步電壓中C相正半周及B相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳12為與三相

9、同步電壓中A相正半周及C相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳11為與三相同步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對應(yīng)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(fù)半周及C相電壓正半周對應(yīng)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(fù)半周及A相電壓正半周對應(yīng)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(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端。應(yīng)用中，均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅(qū)動開關(guān)管的控制極。(3) 控制端 引腳4(Vr)：移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電壓幅值最大為TC787的工作電源電壓（818

10、V或），在此觸發(fā)電路中取15V，為單電源工作方式。 引腳5(Pi)：輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。 引腳6(Pc)：TC787工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平時(shí)，TC787輸出雙脈沖列；而當(dāng)該端接低電平時(shí)，輸出單脈沖列。 引腳13(Cx)：該端連接的電容Cx的容量決定著TC787或TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。 引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)：對應(yīng)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。(4) 電源端TC787可單電源工作，亦可雙電源工作

11、。單電源工作時(shí)引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為818V。 .觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)及其參數(shù)的計(jì)算：如觸發(fā)電路的電路圖所示：圖中電容C1C3為隔直耦合電容，而C4C6為濾波電容，它與R1-R3構(gòu)成濾去同步電壓中毛刺的環(huán)節(jié)。同時(shí)，RP1-RP3三個電位器的不同調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)060°的移相，它們與共同起到移相的作用，從而適應(yīng)不同變壓器的要求,所以取在TC787的同步電壓輸入端支路中，兩個R起穩(wěn)定電壓的作用，同時(shí)不可以有太大的電流：故取 此時(shí)通過其電流為 電流足夠小，故不會影響總電路的電壓電流。因?yàn)樵谕叫盘枮?0HZ時(shí)，電容采用0.15F電容時(shí)，相對誤差小于5%，以鋸齒波線

12、性好，幅度大，不平頂。所以去 電容決定調(diào)制脈沖或輸出方波的寬度，用0.01的電容，脈沖寬度為1mS.其脈沖寬度為比較良好的脈沖寬度，故取0.01=0.01 同步電壓的選擇：由上述TC787的介紹中TC787被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時(shí)，引腳8為與三相同步電壓中C相正半周及B相負(fù)半周對應(yīng)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(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳11為與三相同步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端等說明中可知，TC787輸入的主電路的電壓與同步電壓之間的相位關(guān)系是可調(diào)的，調(diào)節(jié)的大小就可以調(diào)節(jié)其相位關(guān)系，以便于適應(yīng)各種組別變壓器的使用。在此觸發(fā)電路同步

13、電壓選擇時(shí)，將調(diào)節(jié)取消其對主電路電壓的移相最用，即的相位是同相的。由此可得出同步變壓器的矢量圖如下：由矢量圖可知，觸發(fā)電路的變壓器的組別與主電路的變壓器的組別是相同的，即觸發(fā)電路變壓器的組別與主電路變壓器的組別相同，假設(shè)在此主電路中所用的變壓器組別為D,y -11 ,則觸發(fā)電路變壓器的組別為D,y -11,5。而且當(dāng)觸發(fā)電路受外界干擾使各相同步電壓不同步時(shí)，可以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)相位關(guān)系從而使同步電壓保持同步。五. 設(shè)計(jì)保護(hù)電路電力電子器件以及主電路的保護(hù)大致分為兩種：過流保護(hù)和過壓保護(hù)。1. 過流保護(hù)過流保護(hù)電路的選擇電力電子電路運(yùn)行不正常或發(fā)生故障時(shí)，可能發(fā)生過電流，其中采用快速熔斷器是一種是一種常

14、用的措施，其快速性與有效性都可以滿足對電子線路保護(hù)的要求。快速熔斷器的保護(hù)方式可以分為全保護(hù)和短路保護(hù)。全保護(hù)是指不論過載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)。此方式只適用于小功率裝置或器件裕量較大的場合。短路保護(hù)方式是指只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)的作用。為了安全可靠的保護(hù)電子線路，故此過流保護(hù)電路選擇全保護(hù)方式。其電路圖如下：快熔式保護(hù)過流電路過流保護(hù)電流參數(shù)的計(jì)算除了與普通熔斷器一樣要考慮熔斷器電壓必須大于線路工作電壓、熔斷器的電流等級應(yīng)大于或等于內(nèi)部焙體的額定電流外，還需特別注意熔體的額定電流是有效值，而晶閘管的額定電流是正弦半波的平均值，其有效值為，通常熔體的額定電流以下式選取：1.57>

15、>為了保證可靠與方便起見，可取 所以保護(hù)電路中的快熔額定電流根據(jù)以上參數(shù)，可選熔斷體的型號為：？2. 過壓保護(hù)過壓保護(hù)電路的選擇壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值"UN"時(shí)，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過UN時(shí)，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。在其閥門打開后，相當(dāng)與負(fù)載短路，電流瞬間增大，由于過流電路的保護(hù)，在其電流增大的瞬間會使快熔熔斷從而使電流得到保護(hù)。其保護(hù)特點(diǎn)可以滿足主電路的要求，并且其結(jié)構(gòu)簡單，時(shí)效性強(qiáng)。因此此過壓保護(hù)電路選用壓敏電阻保護(hù)電路。其

16、原理圖如下：壓敏電阻電壓保護(hù)電路過壓保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算壓敏電阻的選用主要考慮額定電壓和通流容量。額定電壓的下限是線路工作電壓的峰值，考慮到電網(wǎng)電熨斗額波動以及多次承受沖擊電流以后的數(shù)值肯會下降，因此的電壓的取值應(yīng)適當(dāng)加大，通常建議以30%的裕量計(jì)算，即式中壓敏電阻兩端正常工作電壓的有效值，即最大連續(xù)電壓。壓敏電壓：122.926V=391.438V最大連續(xù)電壓：=流通容量的選擇原則是壓敏電阻允許通過的最大電流應(yīng)大于泄放浪涌電壓時(shí)流過壓敏電阻的實(shí)際浪涌峰值電流。實(shí)際浪涌電流很難計(jì)算，一般情況在變壓器容量大、距外線路近且缺少避雷器的場合應(yīng)選用流通容量較大的壓敏電阻。通過以上分析，壓敏電阻的主要參數(shù)

17、為：壓敏電壓：=最大連續(xù)電壓：=所以選擇壓敏電阻的型號為：？六.電抗器的選擇 整流電路中的電感按作用可分為濾波和限制環(huán)流構(gòu)大類。這里主要是考慮用于濾波的電感量的計(jì)算。整流器輸出回路串入電感的作用主要是平滑濾波、維持電流連續(xù)、抑制諧波分量和限制短路電流。對于三相橋式全控整流電路電路中總的電感是：式中，常數(shù)0.693與整流電路的形式和電源頻率有關(guān)，對于三相橋式電流為0.639，（0.050.1）是所要求的最小臨界電流。根據(jù)以上的分析和公式推導(dǎo)可得出：以上得出的中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感，同時(shí)，對于三相橋式整流電路，因變壓器兩串聯(lián)導(dǎo)電，所以應(yīng)該以帶入。 因此最終的出的平波電抗器的電感為為變壓器的漏感電動機(jī)的電樞電感故四.總結(jié)：通過幾天的查詢資料，思考計(jì)算，以及書寫課程設(shè)計(jì)，完成了電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告，在這其中我覺得收獲的不僅是這份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，在書寫的過程中，我遇到了許多理想情況下不會出現(xiàn)的問題，比如電網(wǎng)波動和最小導(dǎo)通角對整流電路輸出電壓的影響，平波電抗器的實(shí)際的計(jì)算，這些工程上的思想都是我們平時(shí)在書本的題目中很少見到的，了解這些工程上的思想有利于我們以后對于這門課程的應(yīng)用。同時(shí)，在書寫課程設(shè)計(jì)的過程中，以使我學(xué)會了怎