基于相控整流的直流电机调速系统的设计.doc

目 录

1. 引言 .....................................................................................................1
2. 直流电机参数及设计基本要求 ............................................................2
2.1 直流电机参数..............................................................................................2
2.2 设计要求 ........................................................................................................2
3. 整流电路的设计....................................................................................2
4. 主电路设计及参数计算 .........................................................................3
4.1 主电路设计....................................................................................................3
4.2 参数计算 ...................................................................................................... 4
5. 保护电路的设计...................................................................................5
5.1 过电压保护.................................................................................................. 5
5.2 过电流保护..................................................................................................6
5.3 关断缓冲保护...............................................................................................7
6. 触发电路设计......................................................................................7
7. 整体电路的设计...................................................................................9
8. 课程设计总结.....................................................................................10
参考文献..............................................................................................10

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

引言

当今，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展， 整流电路广泛 应用于工业生活中。
电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的 动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的 发展方向主要体现在以下六个方面：大容量化；高频化；易驱动；降低导通压降； 模块化；功率集成化。
直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要 调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶 闸管蒸馏装置，组成晶闸管-电动机调速系统，和旋转变流机组及离子拖动变流装 置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术 性能上夜显示出较大的优越性。
随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装 置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能 10%～40%，
因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节。

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

1.直流电机参数与设计基本要求

1.1 直流电机参数

1） PN
2） U N
3） I N
4） nN
5） l
3kW

220V

17.5 A

1500r / min

1.2

1.2 设计要求
利用相控整流技术，构成电机直流调速系统，设计该系统的原理图，并计算
晶闸管的额定电压和额定电流。 输入交流电源：

三相380V
10% ， f

50Hz

直流输出电压：

0~220V

2.整流电路的设计

直流电动机由单独的可调整流装置供电，晶闸管相控整流电路有单相，三相， 全控，半空等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，不宜用三相半波的原 因是其变压器二次电流中含有直流分量。本设计中直流电动机采用三相桥式全控 整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角a 的大小老控制 输出电压U d 的大小，从而改变电动机 M 的电源电压。
三相桥式全控整流电路如图所示：

图 1 三相桥式全控整流电路原理图

2

基于相控整流的直流电机调速系统的设计

三相桥式全控整流电路的特点是：每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成
向负载供电的贿赂，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能
为同一相的晶闸管。对触发脉冲也有一定的要求，6 个晶闸管的脉冲按

VT1

VT2

VT3

VT4

VT5
VT6 的顺序，相位依次差 60 ，共阴极组的VT1

VT3

VT5

的脉冲依次差120 ，共阳极组VT4
臂脉冲相差180 。
VT6
VT2 也依次差120 ，同一相的上下两个桥

图 2 三相桥式全控整流电路电感性负载时a
30 的波形

3.主电路设计及参数计算

3.1 主电路设计

系统主电路采用三相桥式全控整流电路，系统主电路如图 3 所示：

3

基于相控整流的直流电机调速系统的设计

图 3 系统主电路

在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸并联 电阻和电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起短路过电 流保护作用。
综合整流
3.2 参数计算

1 次级电压U 2 的计算，影响U 2 值的因素有：
1） U 2 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值U d
2） 晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降Ut
3） 变压器漏抗的存在会产生换相压降
4） 平波电抗器有一定的直流电阻，当电流经过该电阻时就要产生一定的电压降
5） 电枢电阻的压降
当整流电路采用三相桥式全控整流时，且整流变压器采用 Y 型联结，一般情况
下U 2 与U n 有以下关系（根据经验公式）：

3U 2
0.95 1.0 U N
0.95 1.0 220 209 220V

U 2 120.67 127.02V
取U 2 127V
2 次级电流 I 2 及变压器容量的计算

I 2 K12
Id ， K12 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值

之比。 K12 取 0.816，且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故
I 2 0.816 17.5 14.28 A

S 1 / 2 S1 S2
m1U1I1
m2U2 I2
3 127 14.28 5.44kVA

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

3.2 晶闸管参数的计算

1）晶闸管额定电压UTN
通常选取晶闸管的U DRM 和U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压，但是在选用
时要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能承受的峰值电压的
2-3 倍。

应为采用三相全控桥所以U M
6U 2 ，晶闸管的额定电压为：

UTN
取UTN
2 3 6U 2
900V 。
2 3 6 127 622.17 933.25V

2）晶闸管额定电流 ITN
按电流的有效值来计算电流额定值。 IT AV


1.5 2


K fb I max ， K fb


Kf / 1.57 Kb 由

整流电路形式而定，Kf 为波形系数，Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数。当a 0

时，三相全控电路 K fb
0.367 ，IT AV

1.5 2

K fb I max

1.5 2 0.367 17.5 1.2

11.56 15.41A ，取 ITN

4.1 过电压保护
1）直流侧过电压保护
15 A

4.保护电路的设计

当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻一直过电
压或用单相 VTS。我们采用压敏电阻。具体电路如图 4：

图 4 直流侧过电压保护

2）交流侧过电压保护
交流侧过电压保护电路如 5：

5

基于相控整流的直流电机调速系统的设计

图 5 交流侧过电压保护电路

在变压器次级并联 RC 电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转 换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一 部分能量并且抑制 LC 贿赂可能产生的震荡。

4.2 过电流保护
对于频繁操作的电动机，通常用电磁式过流继电器座短路保护。
1） 根据电流种类，选择继电器形式。
2） 继电器而定电流大于或等于电动机的而定电流。

3） 继电器动作电流的整定值 If d
值。

1.1 1.3
I g ，式中 I g 为电动机起动电流的最大

常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。
选择快熔时应考虑：
1） 电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。
2） 电流容值按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。
3） 快熔的 值应小于被保护器件的允许 值
4） 为保证熔体在正常过载情况下不熔断，应考虑器时间-电流特性。 此次设计采用快熔作为短路过电流保护装置，如图 6：

6

基于相控整流的直流电机调速系统的设计

图 6 过电流保护电路

4.3 关断缓冲电路


图 7 关断缓冲电路

关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R，C 值根据工程手册选取。

5.触发电路的设计
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，而是会在允许的范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频 率与主电路交流电压的频率一致外，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。接下来的问题是触发电路的定向，即选择 同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发脉冲的定相由多方面的因
素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

表 1 三相桥式全控个晶闸管的同步电压

晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
主你路电
压

Ua

Uc

Ub

Ua

Uc

Ub
同步电压

Usa

Usc

Usb

Usa

Usc

Usb

同步变压器和整流变压器的解法如图 8 所示：

图 8 同步电压器和整流变压器的接法

只需 3 个 KJ004 集成块和 1 个 KJ041 集成块，即可形成六路双脉冲，再由六
个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图 9 所示：

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

-15V
usa usb usc

+15V
16 8
15 7
14 6
13 5
12 4
11 3
10 2
9 1
KJ004
16 8
15 7
14 6
13 5
12 4
11 3
10 2
9 1
KJ004
16 8
15 7
14 6
13 5
12 4
11 3
10 2
9 1
KJ004

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
KJ041

GND

至VT1 至VT2 至VT3 至VT4 至VT5 至VT6
图 9 三相全控桥整流电路的集成触发电路

说明：初次接触 PROTEL 软件，对其某些方面的了解不够，导致做出的电路图 不是很完美，比如芯片的选择，没有在 PROTEL 库中找到相应的软件，尽情谅解。 上面三块集成片为 KJ004，下面一块集成片为 KJ041。具体的电路图请看打包的文 件。

6.整体电路的设计

主电路、触发控制电路、保护电路，再加上一个检测电路，便得到整体电路。 检测电路即为测主电路中负载两端的电压（电机两端的电压），因为通过这
个电压，通过这个电压来反映电机的转速，从而达到直流电机的转速可调。

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

触发控 制电路

电机 主电路 检测
电路

保护
电路

图 10 整体电路

7.课程设计总结

通过设计一个晶闸管翔空直流调速系统，让我对电力电子装置及这门课程所
讲述的知识内容有了更深刻的理解。再设计过程中，查阅了大量的子来哦，不仅 有关于电力电子技术方面的饿，也有关于电力拖动方面，通过此次设计，让我深 刻了解到各门课程之间的联系，以及工程设计与理论计算之间饿差别，也借由这 次机会回顾了电力电子技术这门课程的知识。
增强了自己搜索有用知识的能力，从网上找到自己需要的资料后，并不是照 搬网上所有的，而是根据所得资料学会了如何分析问题，发现问题和解决问题的 能力，将网上资料真正转化为自己的知识。
总之，这个课题具有很强的实用性，它除了在工业生产领域得到广泛应用， 在我们日常生活中也无所不在，电力电子技术以发展成为一种应用极其广泛的技 术。该课题属于电力电子方面，随着电力电子器件的不断向大容量化、高频化、 易驱动、降低导通压降、模块化、功率集成化的发展，它的应用将更为广泛，同 时，它集各优点于一身将在电力电子电路中表现出非凡的性能。
在此，我要特别感谢苏老师在此期间对我的耐心指导，教育及对我的栽培， 同时引导我把书本上学到的理论知识灵活的运用到实践中去，圆满完成工程实训 的内容。
参考文献 [1]苏玉刚，陈渝光. 电力电子技术. 重庆：重庆大学出版社. 2003 [2]王兆安，黄 俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社. 2008
[3]王 鑫，张丽玲. 转速、电流双闭环直流调速系统设计. 机械与电子. 2010 年第 1 期

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基于相控整流的直流电机调速系统的设计

[4]肖红梅. 晶闸管整流装置的调试方法. 机械管理开发. 2008 年 4 月第 24 卷第 2 期
[5]黄 俊. 半导体变流技术. 北京：机械工业出版社，1986. [6]郑忠杰，吴作海. 电力电子变流技术. 北京：机械工业出版社，1999.
[7]邵群涛. 电机及拖动基础. 北京：机械工业出版社，1999.

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