晶閘管可控整流技術(shù)直流電機調(diào)速系統(tǒng)..

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計晶閘管可控整流技術(shù)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘 要：可控整流電路技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用極廣。 如調(diào)壓調(diào)速直流電源、電解及電鍍 的直流電源等。把交流電變換成大小可調(diào)的單一方向直流電的過程稱為可控整流。整流器的輸入端一般接在交流電網(wǎng)上。為了適應(yīng)負載對電源電壓大小的要求， 或者為了提高 可控整流裝置的功率因數(shù)，一般可在輸入端加接整流變壓器，把一次電壓U1,變成二次電壓U2。由晶閘管等組成的可控整流主電路，其輸出端的負載，可以是電阻性負載、 大電感性負載以及反電動勢負載。以上負載往往要求整流能輸出在一定范圍內(nèi)變化的直 流電壓。為此，只要改變觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)脈沖送出的早晚，就能改變晶閘管

2、在交 流電壓U2一周期內(nèi)導(dǎo)通的時間，這樣負載上直流平均值就可以得到控制。該系統(tǒng)以可控硅三相橋式全控整流電路構(gòu)成系統(tǒng)的主電路，采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，本觸發(fā)電路分成三個基本環(huán)節(jié)：同步電壓形成、移相控制、脈沖形成和輸 出。此外，還有雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。同時考慮了保護電路和緩沖電路，通過參數(shù)計算對 晶閘管進行了選型，也對直流電動機進行了簡單的介紹。關(guān)鍵詞：可控整流晶閘管觸發(fā)電路緩沖電路保護電路1.引言當(dāng)今，自動化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展 ，而自動調(diào)速控制系統(tǒng)的 應(yīng)用在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著尤為重要的作用，直流調(diào)速系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的主要形式。由可控硅整流裝置供給可調(diào)電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)

3、 （簡稱KZ D系統(tǒng)）和旋轉(zhuǎn)變流機 組及其它靜止變流裝置相比，不僅在經(jīng)濟性和可靠性上有很大提高， 而且在技術(shù)性能上 也顯示出較大的優(yōu)越性?？煽毓桦m然有許多優(yōu)點，但是它承受過電壓和過電流的能力較差， 很短時間的過電 壓和過電流就會把器件損壞。為了使器件能夠可靠地長期運行，必須針對過電壓和過電 流發(fā)生的原因采用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。 為此，在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成交流側(cè) 過電壓保護；在直流負載側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成直流側(cè)過電壓保護；在可控硅兩端并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成可控硅關(guān)斷過電壓保護； 并把快速熔斷器直接與可控硅串聯(lián)， 對可控硅 起過流保護作用。隨著電力電子器件的大力發(fā)展，該方面的用途越來越廣泛。由

4、于電力電子裝置的電 能變換效率高，完成相同的工作任務(wù)可以比傳統(tǒng)方法節(jié)約電能 10%- 40%因此它是一 項節(jié)能技術(shù)，整流技術(shù)就是其中很重要的一個環(huán)節(jié)。2. 原始數(shù)據(jù)：1、輸入交流電源：2、三相 380V-10% f=50Hz3、直流輸出電壓：4、0220V5、50220V范圍內(nèi)，直流輸出電流額定值 100A6、直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A3. 電路組成和分析該系統(tǒng)以可控硅三相橋式全控整流電路構(gòu)成系統(tǒng)的主電路，根據(jù)三相橋式全控整流電路對觸發(fā)電路的要求，采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，設(shè)計時采用恒流源充電，輸出為雙窄脈沖，脈沖寬度在8左右。本觸發(fā)電路分成三個基本環(huán)節(jié)：同步電壓形成、 移相控制、

5、脈沖形成和輸出。此外，還有雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。同時考慮了保護電路和緩 沖電路，通過參數(shù)計算對晶閘管進行了選型。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短。，由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量， 為此在應(yīng)用中較少。而采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。根據(jù)已知要求，額定電流為25A，額定電壓為220V，可求的功率P=220 25=5.5KW， 一般整流裝置容量大于 4KW，選用三相整流較為合適。下圖 1-1為三相全控橋式整流 電路。16AU圖1-1三相全控橋式整流電路3.1工作原理點送出觸發(fā)脈 輸出觸 輸出觸發(fā)圖

6、為三相橋式整流電路在a=0o時直流電動機串平波電抗器負載時的電壓電流波形。 先后向各自所控制的6塊觸發(fā)電路6 電路要求5即共VT與組在三點處源相電壓正半波的1，沖VT而共陽極處T電源電壓負半波的 2發(fā)脈沖組輸出直流電壓脈沖d2為三相電源相電壓負半波的包絡(luò)線。三相全控橋式整流電路輸出整流電壓Ud=Umn=Ud1-Ud2,為三相電源6個線電壓正半波的包絡(luò)線。各線 電壓正半波的交點16就是三相全控橋電路6只晶閘管VT1VT6的a =0o的點。詳細 分析如下：在 t1 t2間，U相電壓最高，共陰極組的VT1管被觸發(fā)導(dǎo)通，電流由U相經(jīng) VT1流向負載，又經(jīng)VT6流入V相，整流變壓器U、V兩相工作，所以三

7、相全控橋輸 出電壓Ud為Ud=Ud1-Ud2=Uu-Uv=Uuv的線電壓波形。經(jīng)過60o進入：t2 t3區(qū)間,U相電壓仍然最高，VT1繼續(xù)導(dǎo)通 W相電壓最低，在VT2管承受的2交點時刻被解發(fā)導(dǎo)通，VT2管的導(dǎo)通使VT6承受uwv的反壓關(guān)斷。這區(qū)間負 載電流仍然從電源U相流出經(jīng)VT1、負載、VT2回到電源W相，于是這區(qū)間三相全控 橋整流輸出電壓Ud為：Ud=Uu-Uw=Uuw經(jīng)過60o,進入 t3， t4區(qū)間，這時V相電壓最高，在VT3管a =0o的3交點處被觸發(fā)導(dǎo)通。VT1由于VT3和導(dǎo)通而承受Uuv的反壓而關(guān)斷，W相的VT2繼續(xù)導(dǎo)通。負載電流從V相流W相，于是這區(qū)間三相全控輸出電壓Ud為：U

8、d=Uv-Uw=Uvw其他區(qū)間，依此類推，電路中6只晶閘管導(dǎo)通的順序及輸出電壓很容易得出。由上述可知，三相全控橋輸出電壓 Ud是由三相電壓6個線電壓Uuv、Uuw、uvw、 Uvu、Uwu和Uwv的輪流輸出組成的。各線電壓正半波的交點 16分別為VT1VT6 的a =0o點。因此分析三相全控整流電路不同Ud波形時，只要用線電壓波形圖直接分析畫波形即可。3.2對觸發(fā)脈沖的要求三相全控橋整流電路在任何時刻都必須有兩只晶閘管同時導(dǎo)通，而且其中一只是在共陰極組，另外一只在共陽極組。 為了保證電路能起動工作，或在電流斷續(xù)后再次導(dǎo)通 工作，必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的兩只晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，為此可采用以下兩種觸

9、發(fā)方式：(1) .采用單脈沖觸發(fā)：如使每一個觸發(fā)脈沖的寬度大于 60o而小于120o這樣在相 隔60。要觸發(fā)換相時，當(dāng)后一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)時刻，前一個脈沖還未消失，因此均能同 時觸發(fā)該導(dǎo)通的兩只晶閘管(2) .采用雙窄脈沖觸發(fā)：如觸發(fā)電路送出的是窄的矩形脈沖，在送出某一晶閘管 的同時向前一相晶閘管補發(fā)一個脈沖，因此均能同時觸發(fā)該導(dǎo)通的兩只晶閘管。3.3晶閘管的選型該電路為大電感負載，電流波形可看作連續(xù)且平直的Ud=220V寸，不計控制角余量按一 =0o計算由Ud=2寸U2得UdU2= 一； =94V取 120V=(23)U2=(23)120V=588882 V取 Ute 為 700V當(dāng)ld=10

10、0A時，流過每個晶閘管的電流有效值為:=2 匚 a 100A=58AIt晶閘管額定電流=：-58=:f=37A取Kf=1.73 ,考慮2倍裕量：丿二、丄門 取100A 當(dāng)Id=10A時=；:10A=5.7AIt=廠=3.6A考慮2倍裕量：山取10A按要求表明應(yīng)取二=0o來選擇晶閘管。即 =100A所以晶閘管型號為KP100-73.4參數(shù)計算：整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次相 電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二次與一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電流，引起漏抗增大，外特性變軟以及損耗增大， 所以在設(shè)計或選用整流變壓器時，應(yīng)考慮

11、這些因 素。3.5二次相電壓U2平時我們在計算U2是在理想條件下進行的，但實際上許多影響是不可忽略的。如 電網(wǎng)電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。所以設(shè)計時 U2應(yīng)按下式計算：Vdn+nbJJtU2=4匚- 打式中U 一】一一負載的額定電壓；整流元件的正向?qū)▔航?，一般?V;旌電流回路所經(jīng)過的整流元件(VT及VD的個數(shù)(如橋式於=2,半波電路 J，=1)；A理想情況下- =0o時UX與U2的比值，查表可知；一一電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，一般取 0.9 ；最少移相角，在自動控制系統(tǒng)中總希望 U2值留有調(diào)節(jié)余量，對于可逆直 流調(diào)速系統(tǒng)“取30o35o，不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)“取10o

12、15o；C線路接線方式系數(shù)，查表三相橋式C取0.5V；Udi-變壓器阻抗電壓比，100KV上以及取 Udl=0.05，100KV A以上取Udl=0.050.1 ；I2/I2n 二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比。對于一般三相橋式可控整流電路供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，U2計算也可以采用以下經(jīng)驗公式：不可逆調(diào)速系統(tǒng)U2=( 0.530.58)Udn可逆調(diào)速系統(tǒng) U2=( 0.580.64)Udn式中U2整流變壓器二次相電壓有效值；Udn直流電動機額定電壓。對于一般的中小容量整流調(diào)壓裝置，其U2值也可以用以下公式估算：UdnU2=(1.151.2 )二所以根據(jù)以知的參數(shù)及查表得：220 + 2x1vU2

13、= 2=心二:=0.816-：=0.816*100A=81AU2=120VN1 380 19 由一次側(cè)和二次側(cè)電壓得：1 -=- 一 =】_.=- N2 二=_】 故一 =25.6A變壓器二次側(cè)容量為S2=3U2- =3 1八-二=29.2KV A變壓器的安全性能-主要有變壓器的阻燃性能和絕緣性能 阻燃性能有所選原材料決定絕緣性能：e型變壓器的絕緣是由骨架的結(jié)構(gòu)決定的c型變壓器的絕緣石油組間絕緣層的結(jié)構(gòu)決定的e 型變壓器：工字形骨架的絕緣一般 計算方法：VAB -結(jié)構(gòu)容量 _|=120V3.6 次與二次額定電流及容量計算如果不計變壓器的勵磁電流，根據(jù)變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關(guān)系

14、式為：I1N1=I2N2N1 1/1K=1=丁式中N1,N2變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)；K變壓器的匝數(shù)比。由于整流變壓器流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、容量計算與線路型式有關(guān)。三相橋式可控整流電路計算如下： 大電感負載時變壓器二次電流的有效值為p2 -輸出功率u1 -初級電壓u2 -次級電壓升壓式VAB=p2 （ 1-u1/u2）將壓比VAB=p2 （ 1-u2/u1）4. 觸發(fā)電路的設(shè)計晶閘管最重要的特性是可控的正向?qū)ㄌ匦?.當(dāng)晶閘管的陽極加上正向電壓后，還 必須在門極與陰極之間加上一個具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通，這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通是由觸發(fā)電路提供的，根據(jù)具體情況這個電

15、壓可以是交流、直流或脈沖電 壓。由于晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，門極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門極 的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉， 晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出 的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的 前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導(dǎo)通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作， 觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于 晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶閘管的門極伏安特性的分散

16、性很 大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標(biāo)注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格 器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點處以gtUgt為界劃除OABCO區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)為不可靠觸發(fā)區(qū)。在器件門極極限電流 Igfm、門極 極限電壓和門極極限功率曲線的包圍下，面積ABCDEFG為可觸發(fā)區(qū)，所用的合格的晶閘管器件的觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流都應(yīng)在這個區(qū)域內(nèi)，在使用時，觸發(fā)電路提供的門極的觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流都應(yīng)處于這個區(qū)域內(nèi)。再有，溫度對晶閘管的門極影響很大，即使是同一個器件，溫度不同時，器件的觸發(fā) 電流與電

17、壓也不同。一般可以這樣估算，在 100高溫時，觸發(fā)電流、電壓值比室溫時 低23倍，所以為了使敬閘管在任何工作條件下都能可靠的觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸 發(fā)電流、電壓值都必須大于晶閘管器件的門極規(guī)定的觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓值，并且要留有足夠的余量。如觸發(fā)信號為脈沖時，在觸發(fā)功率不超過規(guī)定值的情況下，觸發(fā)電壓、 電流的幅值在短時間內(nèi)可以大大超過額定值。觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的， 也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間。只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶 閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸 發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對于

18、電感性負載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.51MS ，相當(dāng)于50HZ、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)大功率晶閘管，常常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動。 例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負載 時，要求觸發(fā)脈沖的移項范圍是 0度180度，帶大電感負載時，要求移項范圍是 0 度90度；三相半波可控整流電路電阻性負載時，要求移項范圍是0度90度。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角:被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步， 兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān) 系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓u

19、c與同步電壓us控圖5-1鋸齒波同步觸發(fā)電路5. 保護電路的設(shè)計5.1電力電子器件的保護 采用合適的過電壓保護，過電流保護，du/dt保護和di/dt保護也是必不可少的。在電力電子器件電路中,除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適,驅(qū)動電路設(shè)計良好外,5.2過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓 主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓：由分閘，合閘等開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供 電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過來。雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓 主要來自電力

20、電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。換相過電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能 恢復(fù)阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)了阻 斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極這間或 與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降 低而線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。5.3過電流保護電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和 短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施，怪提高保護的可靠性和 合理性。在選擇各

21、種保護措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施， 快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器在過載時動作。采用快速熔斷器（簡稱快熔）是電力電子裝置中最有效，應(yīng)用最方泛的一種過電流 保護措施。此外，常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，這種措施對器件過電流 的響應(yīng)最快。6. 緩沖電路的設(shè)計緩沖電路，其作用是抑制電力電子期間的內(nèi)因過電壓.du/dt.過電流和di/dt,減少器件 的開關(guān)損耗.緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑 制電路,用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt,減小器件的開通

22、損耗，可將關(guān)斷緩沖電路 和開通電路結(jié)合在一起，稱為復(fù)合緩沖電路.還有另外一中分類方式：緩沖電路中儲能元件 的能量如果能消耗在吸收電阻上，則稱其為饋能式緩沖電路或無損吸收電路如無特別說明，通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電 路。VDT圖7-1 di/dt抑制電路圖7-1所示的緩沖電路，使用于中等的容量的場合.其中RC緩沖電路主要用于小容量 器件,而放電阻止型RCD緩沖電 路用語中或大容量器件.晶閘管在實際應(yīng)用中一般只承受換相過壓，沒有關(guān)斷電壓問題，關(guān)斷時也沒有較大的 du/dt,因此一般采用RC吸收緩沖電路即可.圖7-1為GTO常見的三種緩沖電路為了使緩沖效果更加

23、顯著，電路中的二極管盡量 選用快速二極管，同時接線要盡量短以減少布線電感圖7-1a緩沖電路不僅能抑制開通過程 du/dt與di/dt值，同時還使剛開通時加在 GTO 上的du/dt初始值小.電路中由于有二極管VD阻擋，使得電容C的放電不能經(jīng)過GT O,以免GTO剛開通時di/dt值過大.圖7-1b緩沖電路抑制du/dt與di/dt效果更明顯，但電容放電要經(jīng)過GTO (放電 電流受R值的限制).圖7-1c所示的緩沖電路通常是GTO容量在5 0A以下時才采用.D?iVDJ C*a)D?匕VDb)c)R阻容吸收元件參數(shù)可按表7-1所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓的1.1至1.5倍。

24、表7-2晶閘管額定電100流 lt(AV)/A0電容C/ F2電阻R2電阻功率P=fCU m 10晶閘管阻容電路經(jīng)驗數(shù)據(jù)5002000.55101005020100.20.20.10.155204080100式中f 頻率，取 500Hz;Um晶閘管工作峰值電壓，單位為 V;C與電阻串聯(lián)的電容量，單位為 J F;P電阻選取的功率，單位為 W所以根據(jù)其提供的資料可取電容 0.2 F，電阻取4017.總結(jié)晶閘管-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，具有調(diào)速范圍大、調(diào)速特性好、易控制和效率高等 優(yōu)點，是近代大量發(fā)展的調(diào)速系統(tǒng)。其機械特性，在電樞電流連續(xù)時是一條較硬的直線。 當(dāng)電樞斷續(xù)時，則是一條很軟的曲線。直流電動機的機械特性反映了電動機轉(zhuǎn)速 n與轉(zhuǎn) 矩M的關(guān)系，因轉(zhuǎn)矩M與電樞電流成正比，因此也可由轉(zhuǎn)速 n與電流I的關(guān)系來描述 機械特性眾所周知，直流電動機的機械特性為一條直線，當(dāng)由可控硅整流電路為其供 電時，機械特性有所變化，尤其是當(dāng)電流斷續(xù)時，機械特性