數(shù)控機(jī)床可控直流電源設(shè)計(jì)(DOC)

1、標(biāo)準(zhǔn)文檔一. 數(shù)控車床可控直流電源設(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(shí)分析、解決工程或科研實(shí)際 問(wèn)題的能力。其目的是鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)的同時(shí)， 提高學(xué)生的專 業(yè)素質(zhì)，這對(duì)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(guò)分析任務(wù)書(shū)、查閱收集資料，充分發(fā)揮主 動(dòng)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，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(hào)；課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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)

2、的電路圖， 符合規(guī)范。三. 設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求數(shù)控車床可控直流電源設(shè)計(jì)A原始數(shù)據(jù)：P=7.5kW Ud=220V, 1 ed=41.3A，n=1000r/min，R=0.65 Q， LM=7mH 入=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)：U, li, U, I2。要求考慮最小控制角a min、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、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）整流兀件參數(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(hào)，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(guò)流保護(hù)電路，簡(jiǎn)要說(shuō)明選 擇

3、依據(jù)；計(jì)算保護(hù)元件參數(shù)并選擇保護(hù)元件型號(hào)。文案大全f）電抗器的參數(shù)設(shè)計(jì)四.具體的計(jì)算和選擇過(guò)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P=7.5kW kV 不可連低廳人屯流10-200 kW 不可連1 000 kw M丄吋左. 四象限運(yùn)行二.整流變壓器的設(shè)計(jì)及計(jì)算相關(guān)參數(shù)見(jiàn)下表舉數(shù)電壓計(jì) n統(tǒng)電逼什二衣相 電說(shuō)計(jì)-盤(pán)相電血計(jì)隔抗計(jì) 算檔和KuKg心單相半0.TO70.9L4I0. 451-1.11101nrQs 707）-410.45111.11111。.磁1.172.45a如0-5T?0.472,1.352. 1211三招半0 52.342.450.知0瞅0.耐1 051 12

4、02三相半P2.342.450. 3670. SI&0.8161-G51 1222相關(guān)參數(shù)表變壓器二次側(cè)電壓有效值u2的計(jì)算在不考慮最小控制角，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，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 Ud為：1 訟廠272Ud2U2 sin（，t）d（，t）U2cos： =0.9U2cost兀蚊ji所以U20.9cos：然而，由于整流器負(fù)載回路的電感足夠大，所以變壓器內(nèi)阻 及晶閘管通態(tài)壓降可忽略不計(jì)。 在計(jì)算整流變壓器的參數(shù)時(shí)， 應(yīng)考慮以下因素:1）最小觸發(fā)延遲角：min。在直流輸出電壓保持恒定的裝置中,-應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償。一般可逆系統(tǒng)的= min取30 50，不可逆系統(tǒng):

5、-min取1015。2）電網(wǎng)電壓波動(dòng)。根據(jù)規(guī)定，電網(wǎng)電壓允許波動(dòng)范圍-10% +5%考慮在電網(wǎng)電壓最低時(shí)，仍能保證最大整流輸出 電壓的要求，通常電壓波動(dòng)系數(shù) b=0.91.05。3) 漏抗產(chǎn)生的換相壓降=Ux。4) 晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航?n u。5) 二次相電壓除受上述因素影響外，對(duì)電樞電壓反饋的調(diào)速 系統(tǒng)的整流變壓器及對(duì)轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)的整流變壓器有 不同的計(jì)算公式，考慮到本設(shè)計(jì)要求及所給參數(shù)，對(duì)上述兩 種情況進(jìn)行簡(jiǎn)便計(jì)算，即U2 =(1L 1.2)UnbKuv式中U2 變壓器二次相電壓(V)；Un 電動(dòng)機(jī)的額定電壓(V)，近似為Un卷 245;b電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù),般取 b=0

6、.901.05;Kuv整流電壓計(jì)算系數(shù)245綜上可知，U2=1272010.9整流變壓器二次相電流的計(jì)算1)二次相電流J的計(jì)算12 二心味=1 41.3=41.3式中 Kiv 二次相電流計(jì)算系數(shù)；IdN 整流器額定直流電流(A)，因串聯(lián)有電感 ldN =I ed =41.3 oIn 電動(dòng)機(jī)額定電流(A)；I ed 整流器額定直流電流(A)2) 一次相電流Ii的計(jì)算k=u2 =272 =0.81 1IiKJn=41.3式中 kil二次相電流計(jì)算系數(shù)K 變壓器的電壓比U 市網(wǎng)電壓220(V)。考慮到變壓器自身的勵(lì)磁電流時(shí)，Ii應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)。Ii=41.3 1.05=43.4。UiU2I

7、i12k220V272V43.4A41.3Ai變壓器容量的計(jì)算一次容量kS - mi IL U d0I dN = 220 41.3=9086Kuv二次容量KS2 = m2 Ud0l dN =220汽41.3=9086 KUV平均總?cè)萘? S (S S2) =9086式中 mi, mb-變壓器一二次側(cè)相數(shù)。Kil 一次相電流計(jì)算系數(shù)；Ud0 整流器空載電壓；Kiv 二次相電流計(jì)算系數(shù)；Kuv-整流電壓計(jì)算系數(shù)。三.晶閘管的選擇(1)額定電壓UTn的選擇額定電壓UTn選擇應(yīng)考慮下列因素。1) 分析電路運(yùn)行時(shí)晶閘管可能承受的最大電壓值。2) 考慮到實(shí)際情況，系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的裕量。通?？煽紤] 倍的安全

8、裕量。可按下列值計(jì)算，即UTn =(2L 3)Utm =2.5、2U 2=962整流器 常采用查式中Utm 晶閘管可能承受的電壓最大值(V)，當(dāng)整流器的輸入電壓和整流器的連接方式確定后，的輸入電壓和晶閘管可能承受的最大電壓有固定關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)文檔計(jì)算系數(shù)表的方法來(lái)選擇計(jì)算，即UTn =(2L3)KutU2 止 2.5X1.41U2=962式中Kut 晶閘管的電壓計(jì)算系數(shù)；U 2 整流變壓器二次相電壓(V)。額定電流It(AV)的選擇晶閘管是一種過(guò)載能力較小的元件，選擇額定電流時(shí)，應(yīng) 留有足夠的裕量，通常考慮選擇1.5L2倍的安全裕量。1) 通用計(jì)算式，即It(AV) A(1.5L 2)1.57式中

9、It 流過(guò)晶閘管的最大電流有效值(A)。2) 實(shí)際計(jì)算中，常常是負(fù)載的平均電壓已知，整流器連接方式已經(jīng)確定，即流經(jīng)晶閘管的最大電流有效值和負(fù)載平均電流有固 定的關(guān)系。這樣通過(guò)查對(duì)應(yīng)系數(shù)可使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化。當(dāng)整流電路電抗足夠大且整流電流連續(xù)時(shí)，可用下述經(jīng)驗(yàn)公式近似估算晶閘 管額定通態(tài)平均電流It( Av。It(av 工(1.5L 2)K|Tldmax=2945 江心=37.2式中Kit晶閘管電流計(jì)算系數(shù)；Idmax 整流器輸出最大平均電流(A)，因負(fù)載側(cè)串聯(lián)平波電抗器，電流近似恒定，故Idmax吒Jd。故晶閘管選用KP系列的KP50A晶閘管，其主要參數(shù)為文案大全MTypr1切AiE柚t|hw=.

10、A占TVn VIJERiri A4UI W* YM1Iwu mAMAU i SflOi-W125ClJfcB3D1SZi5KP30AJO 2J 105-SOC, 2.5asai 譚 eoat i(M觀 125 Oi.5Q?Q晦KJP畑加 wo iMW-M25cauD3H1SZKKP100A1C0百1 1M百 n. 11n4H2SLIT強(qiáng)則200曲0盅io20200歸聞 wo ioa-W-M25 iM罰片125cooeLMJH4SL19他軸如00滬00產(chǎn)9W iM上滬惴DTMSLW25WA iboIKflfl*D7MSL2C額定電流1 N50A額定電壓Un100-2400V觸發(fā)電流1 TM150

11、mA四.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)(1).觸發(fā)電路的選擇：TCA785是德國(guó)西門(mén)子(Siemens)公司于1988年前后開(kāi)發(fā)的第三 代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，它是取代 TCA780及 TCA780D 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其引腳排列與TCA780TCA78O和國(guó)產(chǎn)的KJ785 完全相同，因此可以互換。目前，它在國(guó)內(nèi)變流行業(yè)中已廣泛應(yīng) 用。與原有的KJ系列或KC系列晶閘管移相觸發(fā)電路相比，它對(duì) 零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬， 且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。.觸發(fā)電路芯片的介紹：TCA785是雙列直插式16引腳大規(guī)模集成電路。它的引腳排列如 圖1所示。圖1

12、TCA785的引腳排列各引腳的名稱、功能及用法如下：引腳16(VS):電源端。使用中直接接用戶為該集成電路工 作提供的工作電源正端。引腳1(OS)：接地端。應(yīng)用中與直流電源VS同步電壓VSYNC 及移相控制信號(hào)V11的地端相連接。引腳4(Q1)和2(Q2):輸出脈沖1與2的非端。該兩端可輸 出寬度變化的脈沖信號(hào)，其相位互差180,兩路脈沖的寬度均 受非脈沖寬度控制端引腳13(L)的控制。它們的高電平最高幅值 為電源電壓VS允許最大負(fù)載電流為10mA若該兩端輸出脈沖 在系統(tǒng)中不用時(shí)，電路自身結(jié)構(gòu)允許其開(kāi)路。引腳14(Q1)和15(Q2):輸出脈沖1和2端。該兩端也可輸 出寬度變化的脈沖，相位同樣

13、互差180，脈沖寬度受它們的脈 寬控制端引腳12(C12)的控制。兩路脈沖輸出高電平的最高幅值 為5VS引腳13(L):非輸出脈沖寬度控制端。該端允許施加電平的 范圍為-0.5V 5VS當(dāng)該端接地時(shí)，Q1、Q2為最寬脈沖輸出， 而當(dāng)該端接電源電壓 VS時(shí)，Q1 Q2為最窄脈沖輸出。引腳12(C12):輸出Q1、Q2脈寬控制端。應(yīng)用中，通過(guò)一 電容接地，電容C12的電容量范圍為150 4700pF,當(dāng)C12在150 1000pF范圍內(nèi)變化時(shí)，Q1、Q2輸出脈沖的寬度亦在變化，該 兩端輸出窄脈沖的最窄寬度為100卩s，而輸出寬脈沖的最寬寬度為2000卩s。引腳11(V11):輸出脈沖Q1、Q2或Q

14、1、Q2移相控制直流電 壓輸入端。應(yīng)用中，通過(guò)輸入電阻接用戶控制電路輸出，當(dāng)TCA785 工作于50Hz,且自身工作電源電壓 Vs為15V時(shí)，則該電阻的典標(biāo)準(zhǔn)文檔型值為15kQ,移相控制電壓V11的有效范圍為0.2V2V,當(dāng)其 在此范圍內(nèi)連續(xù)變化時(shí)，輸出脈沖 Q1、Q2及Q1, Q2的相位便在 整個(gè)移相范圍內(nèi)變化，其觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻為：trr=(V11 xR9xC10)/(VREF x K)式中R9 C10 VREF分別為連接到 TCA785引腳9的電阻、 引腳10的電容及引腳8輸出的基準(zhǔn)電壓；K常數(shù)。為降低干擾，應(yīng)用中引腳11通過(guò)0.1卩F的電容接地，通過(guò)2.2 卩F的電容接正電源。引腳1

15、0(C10):外接鋸齒波電容連接端。C10的實(shí)用范圍為 500pF 1卩F。該電容的最小充電電流為 10卩A。最大充電電流 為1mA它的大小受連接于引腳9的電阻R9控制，C11兩端鋸齒 波的最高峰值為VS-2V,其典型后沿下降時(shí)間為80卩s。引腳9(R9):鋸齒波電阻連接端。該端的電阻R9決定著C10 的充電電流，其充電電流可按下式計(jì)算：I10-VREFK/R9連接于 引腳9的電阻亦決定了引腳10鋸齒波電壓幅度的咼低，鋸齒波 幅值為： V10-VREFK/(R9C10)，電阻R9的應(yīng)用范圍為3匚 300K0。引腳8(VREF): TCA785自身輸出的高穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓端。 負(fù)載 能力為驅(qū)動(dòng)10塊

16、CMO集成電路，隨著TCA785應(yīng)用的工作電源 電壓VS及其輸出脈沖頻率的不同，VREF的變化范圍為2.8 3.4V，當(dāng)TCA785應(yīng)用的工作電源電壓為15V,輸出脈沖頻率為 50Hz時(shí)，VREF的典型值為3.1V，如用戶電路中不需要應(yīng)用 VREF 則該端可以開(kāi)路。引腳7(QZ)和3(QV): TCA785俞出的兩個(gè)邏輯脈沖信號(hào)端。 其高電平脈沖幅值最大為 VS-2V,高電平最大負(fù)載能力為10mA QZ為窄脈沖信號(hào)，它的頻率為輸出脈沖 Q2與Q1或Q1與Q2的 兩倍，是Q1與Q2或Q1與Q2的或信號(hào)，QV為寬脈沖信號(hào)，它 的寬度為移相控制角 +180,它與Q1、Q2或Q1 Q2同步，頻 率與Q

17、1 Q2或Q1、Q2相同，該兩邏輯脈沖信號(hào)可用來(lái)提供給用 戶的控制電路作為同步信號(hào)或其它用途的信號(hào)，不用時(shí)可開(kāi)路。引腳6(1):脈沖信號(hào)禁止端。該端的作用是封鎖 Q1、Q2及Q1、Q2的輸出脈沖，該端通常通過(guò)阻值 10KC的電阻接地或接 正電源，允許施加的電壓范圍為-0.5V VS當(dāng)該端通過(guò)電阻接 地，且該端電壓低于2.5V時(shí)，則圭寸鎖功能起作用，輸出脈沖被文案大全標(biāo)準(zhǔn)文檔封鎖。而該端通過(guò)電阻接正電源，且該端電壓?jiǎn)J于 4V時(shí)，則封 鎖功能不起作用。該端允許低電平最大灌電流為 0.2mA,高電平 取大拉電流為0.8mA引腳5(VSYNC)同步電壓輸入端。應(yīng)用中需對(duì)地端接兩個(gè) 正反向并聯(lián)的限幅二極

18、管，該端吸取的電流為20200卩A,隨著該端與同步電源之間所接的電阻阻值的不同，同步電壓可以取不同的值，當(dāng)所接電阻為200kQ時(shí)，同步電壓可直接取AC220V(2) 基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)TCA785的基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：能可靠地對(duì)同步交流電源的過(guò)零點(diǎn) 進(jìn)行識(shí)別，因而可方便地用作過(guò)零觸發(fā)而構(gòu)成零點(diǎn)開(kāi)關(guān)；它具有寬的應(yīng)用范圍，可用來(lái)觸發(fā)普通晶閘管、 快速晶閘管、雙向晶閘 管及作為功率晶體管的控制脈沖，故可用于由這些電力電子器件 組成的單管斬波、單相半波、半控橋、全控橋或二相半控、全控 整流電路及單相或二相逆變系統(tǒng)或其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的變流系 統(tǒng)；它的輸入、輸出與 CMO及TTL電平兼容，具有較寬的應(yīng)用 電壓范圍和

19、較大的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，每路可直接輸出250mA的驅(qū)動(dòng) 電流；其電路結(jié)構(gòu)決定了自身鋸齒波電壓的范圍較寬，對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于較寬的環(huán)境溫度范圍(-25 +85 C)和工作電源電壓范圍(-0.5 +18V)。(3) 極限參數(shù)電源電壓：+8 18V或土 4 9V;移相電壓范圍：0.2V VS-2V;輸出脈沖最大寬度：180;最高工作頻率：10 500Hz;高電平脈沖負(fù)載電流：400mA 低電平允許最大灌電流：250mA 輸出脈沖高、低電平幅值分別為 VS和0.3V;同步電壓隨限流電阻不同可為任意值；最高工作頻率：10500Hz;工作溫度范圍：軍品-55 +125C,工業(yè)品-25 +85C,

20、民品0 +70C。(4) TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路由于TCA785自身的優(yōu)良性能，決定了它可以方便地用于主 電路為單個(gè)晶閘管或晶體管，單相半控橋、全控橋和三相半控橋、 文案大全全控橋及其它主電路形式的電力電子設(shè)備中觸發(fā)晶閘管或晶體 管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶需要的整流、調(diào)壓、交直流調(diào)速、及直流輸電 等目的。西門(mén)子TCA785觸發(fā)電路，它對(duì)零點(diǎn)的識(shí)別可靠，輸出 脈沖的齊整度好，移相范圍寬；同時(shí)它輸出脈沖的寬度可人為自 由調(diào)節(jié)。西門(mén)子TCA785外圍電路如圖2所示。圖2 TCA785鋸齒波移相觸發(fā)電路原理圖(5)同步電壓的選擇鋸齒波斜率由電位器RP1調(diào)節(jié)，RP2電位器調(diào)節(jié)晶閘管的觸 發(fā)角。交流電源采用

21、同步變壓器提供，同步變壓器與整流變壓器 為同一輸入，根據(jù)TCA785能可靠地對(duì)同步交流電源的過(guò)零點(diǎn)進(jìn) 行識(shí)別，從而可保證觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽(yáng)極電壓保持同步。同步變壓器的變比選為 K=220/15=44/3 4。五.保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及計(jì)算電力電子器件以及主電路的保護(hù)大致分為兩種：過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。(1) 過(guò)流保護(hù)1)過(guò)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(guò)電流， 其中采用快速熔斷器是一種是一種常用的措施， 其快速性與有效 性都可以滿足對(duì)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(guò)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

22、或器件裕量較大的場(chǎng)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(guò)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(guò)流電路(2) 過(guò)流保護(hù)電流參數(shù)的計(jì)算1)快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效 值，即Ufn 1務(wù)匕=2722）快速熔斷器熔體的額定電流（有效值）應(yīng)大于等于被保 護(hù)晶閘管額定電流。若熔斷器與橋臂晶閘管串連時(shí)，熔體的額定電流Ifn可按下式計(jì)算，即1.571 T( AV) - I FN - ItM式中 It（AV）被保護(hù)晶閘管額定電流（A）;1 FN快速熔斷器熔體的額定電流（A）;1 TM實(shí)際流過(guò)晶閘管的最大電流有效值（A） o

23、由于晶閘管額定電流在選擇時(shí)已經(jīng)考慮了安全裕量為1.5 L 2因此通常按下式選擇，即It（av）=Ifn =41.3 o根據(jù)以上參數(shù)，可選熔斷體的型號(hào)為：RS09額定電壓額定電流5002-63（3）過(guò)壓保護(hù)1）壓保護(hù)電路的選擇阻容吸收保護(hù)。阻容吸收保護(hù)電路通常采用電阻 R和電容C 的串聯(lián)支路，并聯(lián)在變壓器二次側(cè)進(jìn)行保護(hù)，常見(jiàn)接法見(jiàn)下圖所 示o交流側(cè)的阻容吸收保護(hù)2）壓保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算對(duì)于單相回路電容C的估算式C -6心一S2 ： 0.02FU 2電容的耐壓值大于或等于1.5Um, Um為電壓峰值電阻R的估算式=18728門(mén)式中S-變壓器的容量（kVA）;U2-變壓器二次相電壓有效值（V）；Iem變壓器