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单相全控桥式晶闸管—电动机系统设计

1设计要求及分析
1.1 设计要求
电动机负载，直流电动机额定参数为：＝3KW，＝220V，＝17A，＝1500r/min ，＝0.2Ω，励磁：它励，励磁电压220V，进线交流电源：三相380V，电流过载倍数λ＝1.5，使用单相可控整流电路，工作于电动状态。要求设计出单相全控桥式主电路、触发电路、晶闸管的过电压保护与过电流保护电路，并且提供系统总的电路图。
1.2 设计分析
设计要求中提供的电动机为直流电动机，因此需要用到整流电路。整流电路是电力电子电路中经常用的一种电路，它将交流电转变为直流电。这里要求设计的主电路为单相全控桥式晶闸管电路，接电动机负载。由于电动机是阻感负载，且工作时相当于反电动势负载，因此要分别予以分析考虑。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。
在电力电子电路中，可能会出现一些突发情况，比如电压过大、电流过大、电压电流变化速率过快等等，这些都会使晶闸管烧坏，导致整个电路不能正常工作，因此，需要额外的设计保护电路对晶闸管进行过电压过电流保护，从而保证电力电子电路正常工作。他励直流电动机是由其他直流电源单独供给励磁电流的电动机，它将直流电能转变为机械能。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动机工作，但为了保护晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。

2晶闸管—电动机系统
根据设计要求可以画出系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图
晶闸管可控整流装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到的控制电路为单相桥式全控。
整流电路直流电压的平衡方程为：

式中，为电路总的阻抗，它包括变压器等效电阻、电枢电阻以及重叠角引起的阻抗。
由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联一平波电抗器来保证电流连续。当电流连续时，电动机转速与电流的关系如下式所示。

由于单相全控桥式整流电路中，
所以，

式中，为晶闸管正向压降，一般为1V左右；
为电动机在额定磁通下的电动机转速比；
为电路总的阻抗；

3 单相全控桥式整流电路单元电路模块分析
从系统总体框图可以看出，单项全控桥式晶闸管—电动机系统包含整流变压器、全控桥式主控电路、触发电路、保护电路、电动机负载几个部分，下面将分别对每个电路模块进行详细分析。
3.1 单相全控桥式整流电路
所谓整流电路就是利用电力电子器件（例如晶闸管）对电路进行控制，将交流电转变为直流电的一种电力电子电路。而单相桥式全控整流电路主要利用晶闸管这一电力电子器件对电路进行控制，形成直流电压或电流，从而为直流电动机提供直流电。
单相全控桥式整流电路图如图2所示。

图2 单相全控桥式整流电路
由于电动机是阻感负载，并且带反电动势，因此需要对这两种情况分别予以考虑分析。
3.1.1 带阻感负载时的工作情况
所谓阻感负载就是负载中既有电阻，又有电感。
其电路图如图3所示。

图3 单相全控桥带阻感负载
为了便于讨论，假设电路已工作与稳态。
在正半周，触发角处给晶闸管和加触发脉冲使其开通，。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，其波形如图4所示。过零变负时，由于电感的作用晶闸管和中仍流过电流，并不关断。至π+时刻，给和加触发脉冲，因和本已承受正电压，故两管导通。和导通后，通过和分别向和施加反压使和关断，流过和的电流迅速转移到和上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。
波形如图4所示。其平均值为：

单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为。

图4 单相全控桥式整流带阻感负载时的工作波形
变压器二次电流的波形为正负各的矩形波，其相位由决定，有效值。
电流波形如图4所示。

3.1.2 带反电动势负载时的工作情况
所谓反电动势负载就是当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。
直流电动机工作时会产生反电动势，因此可以看作是反电动势负载。其电路图如图5所示。

图5 单相全控桥带电动机反电动势负载
忽略主电路各部分的电感时，只有在瞬时值的绝对值大于反电动势即时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，，，直至，即降至0使得晶闸管关断，此后。与电阻负载相比，晶闸管提前了电角度停止导电。

3.1.3 晶闸管电路对电网的影响
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的应用越来越广泛，但电力电子装置也有其不好的地方，比如其带来的无功和谐波会对电网带来很不利的影响。晶闸管作为一种电力电子装置，也难免会对电网产生不利影响，突出表现为以下几个方面。
晶闸管电路中产生的谐波对电网的危害包括：
（1） 谐波影响各种电气设备的正常工作，例如使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热等等。
（2） 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，甚至会使线路过热而发生火灾。
（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振，从而使谐波放大，使危害大大加大，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对邻近通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
（5）谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量仪表计量不准确。
晶闸管电路产生的无功功率对电网带来的不利影响包括：
（1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。
（2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。
（3）使线路的压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。

3.1.4 晶闸管电路参数计算分析
1. 晶闸管电压定额的确定
通常取晶闸管的（断态重复峰值电压）和（反复重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍，即：

2. 晶闸管电流定额的确定
晶闸管允许通过的额定电流有效值大于实际流过晶闸管电流最大有效值，即：

其中，为通态平均电流

其中，为实际电流有效值。
3. 整流变压器参数计算
整流变压器二次侧电压的计算 整流变压器二次侧电压的计算公式如下：

式中，—整流电路输出电压最大值。=+=227.1V
—主电路电流回路n个晶闸管正向压降。=2*1=2V
—线路接线方式系数。这里=0.707
—变压器短路比，=0.05~0.1，取=0.05
—变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，取最大值，这里=1.5
A— 理想情况下，即时整流电压与二次侧电压之比，这里取A=0.9
—电网波动系数，通常取=0.9
综上所述，整流变压器二次侧电压为：
=

301V
整流变压器二次侧电流的计算 整流变压器二次侧电流的计算公式如下：

这里由于是单相桥式全控电路，所以=1.11
所以，
=1.11
4. 系统功率因素的计算
单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为：
=1,3,5,…
因此可得基波电流有效值为：

的有效值，可得基波因数为：

又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，所以位移因素为：

所以，功率因数为：

3.2 平波电抗器
负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。导通角越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势。因此，当电流断续时，随着的增大，转速（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。
一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当小于时甚至值为负时，晶闸管仍可导通。
因此，带反电动机电动势负载时，要在直流输出侧串联一个大电感，平稳负载电流的脉动，保证整流电流连续，如图6所示。

图6 带平波电抗器的电动机反电动势负载电路图

3.3 晶闸管触发电路的设计及定相
3.3.1 晶闸管触发电路的设计
所谓晶闸管触发电路就是产生符合晶闸管门极所需的触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。
由于全控桥式整流电路带电动机负载，而电动机负载中含有电阻和电感，由于电动机电枢电感较小，基本可以不予考虑，但要保证电动机电流连续，则通常在电枢回路中串联一个平波电抗器，平稳负载电流的连续，保证整流电流在较大范围内连续。这相当于在回路中串联了一个大电感。因此设计触发电路时需要考虑到这一点。
这里设计的触发电路采用锯齿波同步触发电路，这种电路输出为双窄脉冲（也可输出单窄脉冲），它适用于对触发电路要求较高的晶闸管整流电路，比如全控桥式整流电路。
锯齿波同步触发电路如图7所示。
锯齿波电路脉冲形成过程如下：
当VT4管截止时，+15V电源通过电阻、给VT5、VT6提供足够的基极电流，使之饱和导通。VT5集电极电位约-15V（略去VT5、VT6管的饱和压降），所以VT7管截止，没有脉冲输出。同时+15V电源又通过电阻、VT5、VT6、-15V电源给电容充电，极性左正右负。充电结束后，两端电压约为30V。当VT4管基、射极间电压即C点电压时，VT4管导通，D点电位突变到约等于0V。因为电容两端不能突变，所以VT5管的基极电位即E点电位突变到-30V，VT5管截止，其集电极F点电位迅速上升。当时，VT7管导通，脉冲变压器TP二次侧有脉冲输出。在VT4导通、VT5截止的同时，电容经二极管VD4、VT4、+15V电源和电阻放电，然后又反向充电，使VT5管基极电位即E点电位上升，到VT5管基、射极正偏时，VT5又重新导通，使VT7截止，脉冲结束。由此可知，VT4管导通瞬间即是脉冲发出时刻，VT5管持续截止时间决定了脉冲宽度，而VT5管截止时间的长短和充放电时间常数相关，因此变更和的值，可以改变脉冲的宽度。
VT4管导通时刻，脉冲变压器TP二次侧即有脉冲输出。
图7 晶闸管锯齿波同步触发电路
晶闸管锯齿波同步触发电路波形如图8所示。
图8 晶闸管锯齿波同步触发电路波形

3.3.2 触发电路的定相
向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。
为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。
本触发电路的同步电压环节由同步变压器TS和VT2管等元件组成，如图7所示。脉冲产生时刻由VT4管导通时刻决定的，若锯齿波频率与主电路电源频率同步，就能使触发脉冲与主电路同步。在这里同步变压器TS和主电路整流变压器接在同一电源上，用TS的二次侧电压控制VT2管的通断，这就保证了触发电路发出的脉冲与主电路同步。VT2管由导通到截止时产生锯齿波，其截止持续时间就是锯齿波的宽度，由电容反向充电时间常数决定。VT2管的开关频率就是锯齿波的频率。
采用锯齿波同步触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，且同步电压应滞后于主电路电压。

3.4 晶闸管过电压、过电流保护电路的设计
在电力电子电路中，电力电子器件由于承受电压、电流过大，或变化过快，就会使电力电子器件烧坏，从而使整个电路不能正常工作，因此设计过电压、过电流保护电路来保证电力电子器件的正常工作是非常有必要的。下面就过电压保护电路、过电流保护电路的设计分别予以讨论分析。

3.4.1 晶闸管过电压保护电路的设计
晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。，包括换相过电压和关断过电压。
晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。
晶闸管内因过电压保护电路如图9所示。

图9 晶闸管过电压保护电路
这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和di/dt抑制电路串联使用，从而更好的保护晶闸管，如图10所示。

图10 晶闸管过电压、di/dt抑制保护电路
如图10所示，V开通时刻缓冲电容Cs先通过Rs向V放电，使电流iC先上一个台阶，以后因为有di/dt抑制电路的Li，iC的上升速度减慢。Ri、VDi是在V关断时刻为Li中的磁场能量提供放电回路设置的。在V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。

3.4.2 晶闸管过电流保护电路的设计
晶闸管电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图11给出了各种过电流保护措施及其配置位置。

图11 过电流保护措施及配置位置
其中采用快速熔断器、直流快速断路器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
从图12可以看出，晶闸管的过电流保护采用快速熔断器进行保护，因为快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。如图12 所示。快速熔断器与晶闸管直接串联。

图12 晶闸管过电流保护电路

4总结
本次课程设计主要考察对单相桥式全控晶闸管—电动机系统的了解，并设计出符合要求的晶闸管—电动机主电路，当然还需要设计出一些辅助电路，比如晶闸管触发电路，晶闸管过电压、过电流保护电路等等。整个系统可以先分成几个模块，然后再根据总体设计要求将各个单元模块电路组合，就可以设计出完整的单相桥式全控晶闸管—电动机系统。
很明显，单相桥式全控晶闸管—电动机系统是一个很复杂的电路结构，因此在短短几天时间内完成电路结构设计，并撰写出设计报告，是一个挑战，它不光考察对单相桥式全控晶闸管—电动机系统的理解，还考察了对已学知识的综合应用能力，更考察了对各种信息的处理能力。要想完成这次课程设计，除了认真阅读课本知识外，还要查找课堂外的知识。
设计过程可以看作一个信息梳理、信息处理、信息应用的过程。首先，需要认真思考设计要求，并认真查阅资料、收集资料；其次，需要对收集好的资料进行认真审核，确定整体设计思路，进而将整体思路分成几个小的模块，分别予以分析讨论，最终确定最佳设计方案；最后，将设计思路以书面形式描述出来，并完成设计报告。这个过程中，我遇到了很多难题，比如晶闸管触发电路的选定、保护电路的选择等等，但在我自己的努力和老师同学的帮助下，这些难题最终被克服，并顺利完成了设计报告。
这次课程设计时间非常紧凑，因为两个课程设计撞到了一起，两者都要顾及，因此很花费时间和精力。虽然，时间紧凑，但这并不影响我完成设计报告的质量，这对于我自己来说是一个挑战。

参考文献
［1］王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2007.
［2］李发海，王岩.电机与拖动基础.清华大学出版社.2005.
［3］高玉奎.电力电子实用电路100例.中国电力出版社.2008.
［4］栗书贤，石玉.晶闸管变流技术题例及电路分析.机械工业出版社.1991.
［5］黄俊，王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版社.1993.
［6］王文郁，石玉，李秉象.晶闸管变流技术应用图集.机械工业出版社.1988.

附录
单相桥式全控晶闸管—电动机系统总体框图如图13所示。

图13 单相桥式全控晶闸管电动机系统总体框图

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：单相全控桥式晶闸管—电动机系统设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：
态度认真，组织纪律性好（20分）

设计说明书文理通顺，工整（10分）

设计方案合理，论证充分（20分）

设计资料齐全，格式规范（10分）

独立完成任务，无原理性错误（20分）

答辩（20分）

总 分：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日