晶闸管不可逆直流调速系统主电路设计.doc

综合课程设计
设 计 报 告

晶闸管不可逆直流调速系统主电路设计

院（系、部）：
信息工程学院
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专 业：

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2014 年 1月 12日·北京
目 录
1.设计任务··························································4
2.设计内容··························································4
3.调速系统的方案选择················································4
3.1直流电动机的选择··············································4
3.2电动机供电方案的选择··········································4
4.主电路计算·······················································6
4.1整流变压器的计算·············································6
4.1.1二次侧相电压U2的计算··································6
4.1.2一、二次侧相电流和的计算·························7
4.1.3一、二次侧变压器容量的计算····························7
4.2.晶闸管元件的选择············································7
4.2.1晶闸管额定电压···································7
4.2.2晶闸管额定电流···································7
4.3.晶闸管保护环节的计算·······································8
4.3.1过电压保护·········································8
4.3.1.1交流侧过电压保护····························8
4.3.1.2直流侧过电压保护···························10
4.3.1.3晶闸管两端的过电压保护·····················10
4.3.2过电流保护········································11
4.3.2.1交流侧快速熔断器的选择·····················11
4.3.2.2元件端快速熔断器的选择····················12
4.3.2.3直流侧快速熔断器的选择····················13
4.4.电抗器参数的计算·········································13
4.4.1使输出电流连续的临界电感量··················14
4.4.2限制输出电流脉动的电感······················14
4.4.3变压器漏电感量······························14
4.4.4实际串入电抗器的电感···························15

5.设计体会···················································15
6.参考文献···················································16附录1：主要元器件型号规格··································17
附录2：晶闸管不可逆直流调速系统主电路图····················18

1.设计任务
设计一个晶闸管不可逆直流调速系统的主电路。
直流电机：额定功率,额定电压,额定电流,额定转速，极数，电枢电阻，电枢电感＝1ｍH，电网电压。
２.设计内容
1）电动机的选择
2）整流变压器的计算
3）晶闸管元件的选择
4）晶闸管保护元件的计算
5）电抗器参数的计算
3.调速系统的方案选择
3.1直流电动机的选择
根据负载和额定转速的要求，查《电工手册》（第四册）依据原则及过载要求，选取：
型号：Z3-52
额定功率：7.5KW
额定电压：110V
额定电流：82A
额定转速：1500r/min
极数：2P=4
电枢回路电阻：0.5
电枢电感：1.1mH
并励绕组额定电流：3.3A
飞轮矩：2.55
3.2电动机供电方案的选择
直流电动机由单独的可调整流装置供电。直流电动机的额定电压为110V，直接用电网供电是很难达到要求，同时为了防止电动机启动与制动对电网的污染，需要将电压降低并且能够和电网隔离提高功率因数，因此选用整流变压器供电方式。因此其工作频率为工频，初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合,晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。
晶闸管相控整流电路有单相，三相，全控，半控等，一般整流器功率在4KW以下采用单相整流电路，4KW以上采用三相整流电路，本设计中整流器的功率是7.5KW，所以采用三相整流电路。而三相整流电路的种类也很多，包括三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路等，不采用三相半波的原因是其变压器二次电流中含有直流分量。因此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α的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机的电源电压。
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，形成向负载供电的回路，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，、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。
为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，三角形联结使空载电流中的3次谐波分量可以在闭合的三角形回路中流通，避免3次谐波流入电网，绕组中感应的相电动势波形也为正弦。即：D,y三相变压器原绕组做三角形联结可以抑制三次谐波，大大改善了电势波形。
当晶闸管的控制角α增大，大于60度是会出现负载电流断续情况，当电流断续时，电动机的理想空载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化负载电流要维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。因此三相桥式全控整流电路如图1所示：

图1三相桥式全控整流电路原理图
4.主电路计算
4.1整流变压器的计算
4.1.1二次侧相电压U2的计算
假设二次侧相电压有效值U2,U2数值的选择不可过高或过低,如果U2过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大,使功率因数变小，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。如果U2过低又会在运行中出现当α=αmin时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。
影响U2值的因素有：
（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud；
（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，用UT表示；
（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，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降；
（5）电枢电阻的压降；

其中：
A为理想情况下，控制角时整流电压与二次侧电压之比，即，这里A取2.34；
B为控制角为时，输出电压与之比，即，这里B取1；
为电网波动系数，通常取；
1～1.2为考虑各种因素的安全系数。
则：，取
电压比：
4.1.2一、二次侧相电流和的计算
查表可知,、 为各种接线形式时变压器一、二次侧电流有效值和负载电流平均值之比。
（考虑变压器的励磁电流）

取
4.1.3一、二次侧变压器容量的计算
查表可知

变压器参数归纳如下：一次侧绕组三角形接法，，；二次侧绕组采用星形接法，，，容量为
4.2晶闸管元件的选择
4.2.1晶闸管额定电压
通常取晶闸管的和和中较小的标值作为该器件的额定电压，但是在选用时额定电压要留有一定的裕量，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。
因为采用三相全控桥所以，所以晶闸管的额定电压为：
=（2～3）=（2～3）××60=293.94～440.91V,取=400V
4.2.2晶闸管额定电流
按电流的有效值来计算电流额定值

取
故VT1～VT6选择额定电流为50A，额定电压为400V的普通反向晶闸管，晶闸管型号：KP50-4。
4.3晶闸管保护环节的计算
4.3.1过电压保护
正常工作时，二极管能承受的最大峰值有一定的限度。超过此峰值电压的就算过电压。在这个整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应该超过元件的不重复峰值电压，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压。这两种电压都是经常发生且不可避免。因此，在变流电路中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护元件不损坏。
抑制暂态过电压的方法一般有3种：①用电阻消耗过电压的能量；②用非线性元件限制过电压的幅值；③用储能元件吸收过电压的能量。
4.3.1.1交流侧过电压保护
采用阻容保护，即在变压器二次侧并联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回路可能产生的震荡。
变压器的绕组为△—Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，如图2：

图2 交流侧过电压保护
可按下式计算阻容保护元件的参数：
电容C的耐压：

电功率：

式中: —变压器平均计算容量（VA）；
---变压器次级相电压有效值（V）；
—励磁电流百分比，10～100KVA的变压器，对应的 ；
—变压器的短路电压百分比，10～1000KVA的变压器，对应的 ；
IC　UC—当R正常工作时电流、电压的有效值；
以上的R、C数值针对单相电路，对于三相电路，R、C的数值按下表计算:
变压器接法
单相
三相、二次侧Y接
三相、二次侧接
阻容装置接法
与变压器二次侧并联
Y接
接
Y 接
接
电容
C
C
C
3C
C
电阻
R
R
3R
R
R
取，而S=13.14KVA，
所以：
①电容的计算：
，取250V，
，取47
故可选择电容为47，耐压为250V的纸介电容，型号为：CZJJ。
②电阻值的计算：
，取R=3
RC支路电流IC近似为：

则电阻R的功率为：
，取250W
可选3、250W电阻。
4.3.1.2直流侧过电压保护
当直流侧快速开关断开或桥臂快速熔断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。
直流侧保护可采用与交流侧保护相同的办法，即阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大，因此，一般采用压敏电阻做过电压保护。压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算：
,为正常工作时加在压敏电阻两端的直流电压。
保护措施如图3所示：

图3直流侧过电压保护
，取330V
通常作为中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（3～5）KA。
故可选用的压敏电阻作直流侧过电压保护。
4.3.1.3晶闸管两端的过电压保护
晶闸管的过电压保护主要是抑制换相过电压。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。
抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法,如图4

图4 晶闸管两端阻容保护电路
与晶闸管并联的阻容经验数据如下：
晶闸管额定电流(A)
10
20
50
100
200
500
1000
电容(µF)
0.1
0.15
0.2
0.25
0.5
1
2
电阻(Ω)
100
80
40
20
10
5
2

此设计晶闸管额定电流为50A,依据上面表格可以初步确定、
电容耐压: ,取250V。
电阻功率：,取0.5W
由此可以确定C4～C9电容器选用 250V的瓷片电容；R4～R9电阻选用、0.5W的金属膜电阻,型号为：RJ-0.5。

4.3.2、过电流保护
4.3.2.1交流侧快速熔断器的选择
选择快速熔断器时主要考虑一下两点：
(1)快速熔断器的额定电压大与电路正常工作电压的有效值；
(2)快速熔断器熔体的额定电流（有效电流）应小于1.57(为被保护晶闸管的通态平均电流),同时又应大于运行是晶闸管通过的电流有效值。
此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置，如图5所示：

图5过电流保护

熔断器的参数按照以下原则选取：
①额定电压：,—为可控硅元件的电压计算系数，取
则：，取

②熔体额定电流：
　，取80A
所以：
故交流侧快速熔断器F0～F2选择额定电压250V，熔体额定电流50A，熔断器额定电流为100A的RS0快速熔断器。

4.3.2.2元件端快速熔断器的选择
由于整流桥内部可能会因引起过流，所以在元件端串快速熔断器进行保护，快速熔断器的保护电路如图6：

图6 元件端快速熔断器保护电路
由于,为了减少元件的多样性便于设计和安装，本设计将元件端快速熔断器FU1～FU6的规格定为额定电压为250V，额定电流为50A型号为RS0系列快速熔断器。
4.3.2.3直流侧快速熔断器的选择
,取100A
故直流侧快速熔断器FU7～FU8选择RS3额定电压500V,熔体额定电流100A的快速熔断器，所以整个保护电路如图7:

图7 晶闸管的保护电路
4.4、电抗器参数的计算
为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁芯电抗器，称平波电抗器。
4.4.1使输出电流连续的临界电感量
对于电动机负载的晶闸管可控整流电路，当负载电流小到一定程度，会出现输出电流断续的现象，这将使直流电动机机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电流 时仍能连续，所需的临界电感量为：
, 与整流电路形式有关，查表知=0.695
则，取
4.4.2限制输出电流脉动的电感
由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。
平波电抗器的电感为,
与整流电路形式有关，查表知=1.045；
为电流最大允许脉动，通常单相电路，三相电路为
，取
4.4.3变压器漏电感量

U2—变压器次级相电压有效值；
—变压器的短路电压百分比，10～1000KVA的变压器，对应的 ；
Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流；
—与整流主电路形式有关的系数
取=3.9, ,则
4.4.4实际串入电抗器的电感
考虑输出电流连续时的实际电感量：

考虑限制电流脉动时的实际电感量：

考虑到要求整流电流脉动小，实际串入的电抗器值取15mH.
串入电抗器后的电路图如图8所示：

图8 串入电抗器的电路图
5.设计体会
通过设计一个晶闸管直流电动机不可逆调速系统的设计，让我对电力电子装置及系统这门课程所讲述的知识内容有了更深刻的理解。在设计过程中，查阅了大量的资料，不仅有关于电力电子技术方面的，也有关于电力拖动方面，通过此次设计，让我深刻地感受到了各门课程之间的联系，以及工程设计与理论计算之间的差别，也借由这次设计回顾了电力电子技术这门课程的知识。自己在以后的学习过程当中应多加思考，将所学的不同学科之间的知识联系起来。
从搜集资料到方案设计，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作课程设计报告的过程中思绪是如此复杂，混乱。如今，伴随着设计报告的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。
6.参考文献
[1]黄俊.半导体变流技术（修订版）[M].北京:机械工业出版社，1980
[2]莫正康.半导体变流技术[M].上海：上海机械高等专科学校，1992
[3]电工手册编写组编.电工手册[M].上海:上海科学技术出版社，1978
[4]莫正康.电力电子技术应用（第3版）[M].机械工业出版社，2000.5
[5]金代中.新编电工常用查算手册[M].北京：中国标准出版社，2004.
[6]郭温玉.新编实用电子电工手册[M].北京：科学普及出版社，2006
[7]方大千、万成、方立编.实用电工电子控制电路图集.化学工业出版社
[8]李正吾主编.新电工手册（第二版）.安徽：科学技术出版社2010
[9]张洪润，等.电子线路及应用.北京：科学出版社，2003

附录1:主要元器件型号规格
元器件型号表
序号
标号
名称
型号规格
1
VT1～VT6
晶闸管
KP50-4
2
C1～C3
纸介电容
CZJJ(47Uf,250V)
3
R1～R3
电阻
3，250W
4
RV1
压敏电阻
MYS330-5型
5
R4～R9
电阻
40,0.5W,RJ-0.5
6
C4～C9
瓷片电容
0.2uF,250V
7
F0～F2
快速熔断器
RS0型250V,50A
8
FU1～FU8
快速熔断器
RS0型250V,50A
10
Ld
电抗器
15mH
11
MOTOR
电动机
Z3-52
12

13

14

15

16

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附录2：晶闸管不可逆直流调速系统主电路图

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