數(shù)控機(jī)床可控直流電源設(shè)計(jì)

1、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)通過分析任務(wù)書、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)，撰寫設(shè)計(jì)說明書，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)說明書要求整潔、完備、內(nèi)容正確、概念清楚、文字通暢，并繪制出相應(yīng)的電路圖，符合規(guī)范。三

2、. 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，Ued=220V，Ied=41.3A，n=1000r/min，Ra=0.65，LM=7mH，=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)：U1，I1，U2，I2。要求考慮最小控制角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) 整流元件參數(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、過流保護(hù)電路，簡要說明選擇依據(jù)；計(jì)算保護(hù)元件參

3、數(shù)并選擇保護(hù)元件型號(hào)。f) 電抗器的參數(shù)設(shè)計(jì)四.具體的計(jì)算和選擇過程 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<10KW，根據(jù)下表，從變壓器利用率、直流側(cè)脈動(dòng)情況、元件利用率、直流磁化、波形畸變及各整流電路應(yīng)用場合分析，選擇單相全控橋式整流電路作為本數(shù)控機(jī)床可控直流電源設(shè)計(jì)的主電路。二 .整流變壓器的設(shè)計(jì)及計(jì)算相關(guān)參數(shù)見下表相關(guān)參數(shù)表<1>變壓器二次側(cè)電壓有效值的計(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)，直流端輸出電壓為：所以<2>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)

4、壓降可忽略不計(jì)。在計(jì)算整流變壓器的參數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮以下因素：最小觸發(fā)延遲角。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)的取，不可逆系統(tǒng)取。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。漏抗產(chǎn)生的換相壓降。晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航?。二次相電壓除受上述因素影響外，?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)行簡便計(jì)算，即式中 -變壓器二次相電壓(V);-電動(dòng)機(jī)的額定電壓(V)，近似

5、為245;b-電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取b=0.901.05;整流電壓計(jì)算系數(shù);綜上可知，=272。<3>整流變壓器二次相電流的計(jì)算二次相電流的計(jì)算=141.3=41.3式中 -二次相電流計(jì)算系數(shù);-整流器額定直流電流(A)， 因串聯(lián)有電感=41.3。 -電動(dòng)機(jī)額定電流(A)；-整流器額定直流電流(A)。一次相電流的計(jì)算=0.811 =41.3式中 -二次相電流計(jì)算系數(shù); -變壓器的電壓比 -市網(wǎng)電壓220(V)?？紤]到變壓器自身的勵(lì)磁電流時(shí)，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)。=41.31.05=43.4。k220V272V43.4A41.3A1<4>變壓器容量的計(jì)算一次容量=9

6、086二次容量=9086平均總?cè)萘?9086式中 -變壓器一二次側(cè)相數(shù)。 -一次相電流計(jì)算系數(shù)； -整流器空載電壓； -二次相電流計(jì)算系數(shù)； -整流電壓計(jì)算系數(shù)。<三>.晶閘管的選擇額定電壓的選擇額定電壓選擇應(yīng)考慮下列因素。分析電路運(yùn)行時(shí)晶閘管可能承受的最大電壓值?？紤]到實(shí)際情況，系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的裕量。通?？煽紤]23倍的安全裕量?？砂聪铝兄涤?jì)算，即=962式中-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，整流器的輸入電壓和晶閘管可能承受的最大電壓有固定關(guān)系，常采用查計(jì)算系數(shù)表的方法來選擇計(jì)算，即=962式中 -晶閘管的電壓計(jì)算系數(shù); -整流變壓器二

7、次相電壓(V)。額定電流的選擇晶閘管是一種過載能力較小的元件，選擇額定電流時(shí)，應(yīng)留有足夠的裕量，通常考慮選擇倍的安全裕量。通用計(jì)算式，即 式中 -流過晶閘管的最大電流有效值(A)。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。這樣通過查對(duì)應(yīng)系數(shù)可使計(jì)算過程簡化。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。=20.45=37.2式中 -晶閘管電流計(jì)算系數(shù); -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。故晶閘管選用KP系列的晶閘管，其主要參數(shù)為額定電流50

8、A額定電壓100-2400V觸發(fā)電流150mA四.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì).觸發(fā)電路的選擇：TCA785是德國西門子(Siemens)公司于1988年前后開發(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TCA780、TCA780D和國產(chǎn)的KJ785完全相同，因此可以互換。目前，它在國內(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

9、排列如圖1所示。圖1 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)允許其開路。 引腳14(Q1)和15(Q2)：輸出脈沖1和2端。該兩

10、端也可輸出寬度變化的脈沖，相位同樣互差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-0.5V5VS，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，通過一電容接地，電容C12的電容量范圍為1504700pF，當(dāng)C12在1501000pF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100s，而輸出寬脈沖的最寬寬度為2000s。 引腳11(

11、V11)：輸出脈沖Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流電壓輸入端。應(yīng)用中，通過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)，則該電阻的典型值為15k，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： 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0.1F的電容接地，通過2.2F的電容接正電源。 引腳10(C10)：外接鋸齒波電容連接端。C10的實(shí)用范圍

12、為500pF1F。該電容的最小充電電流為10A。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80s。 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鋸齒波電壓幅度的高低，鋸齒波幅值為： V10=VREFK/(R9C10)，電阻R9的應(yīng)用范圍為3300。 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CMOS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，V

13、REF的變化范圍為2.83.4V，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，則該端可以開路。 引腳7(QZ)和3(QV)：TCA785輸出的兩個(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Q1、Q2或Q1、Q2相同，該兩邏輯脈沖信號(hào)可用來提供給用戶的控制電路作為同步信號(hào)或其它用途

14、的信號(hào)，不用時(shí)可開路。 引腳6(I)：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，該端通常通過阻值10的電阻接地或接正電源，允許施加的電壓范圍為-0.5VVS，當(dāng)該端通過電阻接地，且該端電壓低于2.5V時(shí)，則封鎖功能起作用，輸出脈沖被封鎖。而該端通過電阻接正電源，且該端電壓高于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，高電平最大拉電流為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)的限幅二極管，該端吸取的電流為20200A，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200k時(shí)

15、，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)同步交流電源的過零點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，因而可方便地用作過零觸發(fā)而構(gòu)成零點(diǎn)開關(guān)；它具有寬的應(yīng)用范圍，可用來觸發(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、全控橋或三相半控、全控整流電路及單相或三相逆變系統(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CMOS及TTL電平兼容，具有較寬的應(yīng)用電壓范圍和較大的負(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

16、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：+818V或±49V； 移相電壓范圍：0.2VVS-2V; 輸出脈沖最大寬度：180； 最高工作頻率：10500Hz；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+125，工業(yè)品 -25+85，民品 0+70。(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

17、或晶體管，單相半控橋、全控橋和三相半控橋、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)脈沖與晶閘管的陽極電壓

18、保持同步。同步變壓器的變比選為K=220/15=44/314。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：過流保護(hù)和過壓保護(hù)。過流保護(hù)過流保護(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?？焖偃蹟嗥鞯谋Ｗo(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或器件裕量較大的場合。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)過流電路過

19、流保護(hù)電流參數(shù)的計(jì)算 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=272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)，熔體的額定電流可按下式計(jì)算，即式中 -被保護(hù)晶閘管額定電流(A)； -快速熔斷器熔體的額定電流(A); -實(shí)際流過晶閘管的最大電流有效值(A)。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，因此通常按下式選擇，即=41.3。根據(jù)以上參數(shù)，可選熔斷體的型號(hào)為：額定電壓額定電流5002-63過壓保護(hù)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)，常見接法見下圖所示。交流側(cè)的阻容吸收保護(hù)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0.02F電容的耐壓值大于或等于，為電壓峰值。電阻R的估算式=18728式中 -變壓器的容量(kVA); -變壓器二次相電壓有效值(V)； -變壓器勵(lì)磁電流的百分比，取0.03。 -變壓器的短路比，取0.03。所以選擇電容、電阻為：0.02、19 六.電抗器的選擇為了克服