電力電子課程設(shè)計示例直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄第1章 概述.11.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展.11.2 晶閘管的發(fā)展.2第2章 總體方安設(shè)計及原理框圖.22.1 總體方安設(shè)計分析.22.2 系統(tǒng)的原理框圖.3第3章 主電路設(shè)計.43.1 主電路設(shè)計分析.43.2 主電路原理圖.43.3 主電路各分單元原理及設(shè)計.6 過壓保護電路.6 過流保護電路.6濾波電路.73.4 主電路元件參數(shù)計算及選型.7 設(shè)計依據(jù)主要參數(shù).8 具體參數(shù)計算.8第4章 控制電路設(shè)計.104.1 控制電路的設(shè)計分析.104.2 控制電路各分單元原理及設(shè)計.104.2.1 ASR調(diào)節(jié)器電路.10 觸發(fā)電路.11 驅(qū)動放大電路.15第5章 總結(jié)與體會.16附錄.18參

2、考文獻.19第1章 概述1.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展自本世紀(jì)五十年代未第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)舞臺 ，以此為基礎(chǔ)開發(fā)的可控硅整流裝置， 是電氣傳動領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從 旋轉(zhuǎn)變流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，這標(biāo)志著電力電子 的誕生。進入70 年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通 晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究 和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容易和類型等方面得到了很大發(fā)展，是電力電 子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR.GTO，功率MOS

3、FET 等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器 件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件， 開始向大容易高頻率、響 應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展。而進入90 年代電力電子器件正朝著復(fù)臺化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智能化、 功率集成的方向發(fā)展， 以此為基礎(chǔ)形成一條以電力電子技術(shù)理論研究，器件開發(fā)研制，應(yīng)用 滲透性， 在國際上電力電子技術(shù)是競爭最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域。進入90年代電力電子器件的研究和開發(fā)，已進入高頻化，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，集成化和智能時代。從理論分析和實驗證明電氣產(chǎn)品的體積與重量的縮小與供電頻率的平方根成反比，也就說， 當(dāng)我們將50Hz的標(biāo)準(zhǔn)二頻大幅的提高之后， 使用這樣工頻的電氣設(shè)備的體積與重量

4、就能大大縮小，使電氣設(shè)備制造節(jié)約材料，運行時節(jié)電就更加明顯，設(shè)備的系統(tǒng)性能亦大為改善，尤其是對航天工業(yè)其意義十分深遠的。故電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)方向，而硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊是器件發(fā)展的必然趨勢，目前先進的模塊，已經(jīng)包括開關(guān)元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內(nèi)及驅(qū)動保護電路多個單元，并都以標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)出系列產(chǎn)品，并且可以在一致性與可靠性上達到極高的水平。目前世界上許多大公司已開發(fā)出IPM 智能化功率模塊，如日本三菱、東芝及美國的國際整流器公司已有成熟的產(chǎn)品推出。1.2 晶閘管的發(fā)展自從在1967年用2英寸晶閘管閥代替汞弧閥之后，每一次晶閘管面積的擴大，都帶來了輸送容量提高、

5、損耗降低、閥結(jié)構(gòu)簡化、可靠性提高的優(yōu)越性。因此隨著直流輸電容量不斷增大和電力電子技術(shù)的進步，直流輸電用晶閘管從最初的2英寸發(fā)展到現(xiàn)在的6英寸。上世紀(jì)80年代我國自行建設(shè)的舟山和嵊泗高壓直流輸電工程采用2英寸的晶閘管，80年代末建成的葛南超高壓直流工程采用3英寸晶閘管，90年代建成的天廣工程采用4英寸晶閘管。21世紀(jì)初建成投產(chǎn)的首條300萬千瓦三常直流輸電工程開始采用5英寸晶閘管。世界上采用過6英寸晶閘管的只有日本。2000年投運的Kii水道直流工程采用了6英寸晶閘管。第2章 總體方安設(shè)計及原理框圖2.1 總體方安設(shè)計分析晶閘管整流電路分為兩大部分主電路和控制電路。主電路主要包括：電網(wǎng)輸入，變壓

6、器，過電壓保護，過電流保護，三相橋式全控整流電路，以及負載部分（如電動機）；控制電路主要包括：ASR調(diào)節(jié)電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動放大電路。通過各個部分的有機結(jié)合在一起，就構(gòu)成了一個晶閘管整流直流調(diào)壓電路。具體地，主電路采用三相橋式全空整流的形式，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。ASR調(diào)節(jié)電路及PI調(diào)節(jié)器用芯電阻和電容構(gòu)成，它的作用是放大給定信號與反饋信號之差轉(zhuǎn)化為觸發(fā)電路的移相控制信號。 觸發(fā)電路為TC787集成觸發(fā)器；驅(qū)動放大電路由三極管、二極管以及變壓器組成；保護電路又分為電壓保護電路和電流保護電路，電壓保護采用RC電路，用熔斷器來對電路進行電流保護。2.2 系統(tǒng)的原理框圖公用三相電網(wǎng)380V過流保

7、 護過壓保 護變壓器過電壓保護晶閘管整流驅(qū)動電路負載部分取樣電路觸發(fā)電路比較電路電壓調(diào)節(jié)器圖 2-1 第3章 主電路設(shè)計3.1 主電路設(shè)計分析主電路的的設(shè)計主要考慮的地方主要有兩個，即保護環(huán)節(jié)和晶閘管整流環(huán)節(jié)。保護環(huán)節(jié)主要有過電流保護和過電壓保護，根據(jù)實際情況的需要，這兩個保護環(huán)節(jié)主要分布在整流部分之前。過電流保護一般采用在三相輸入端分別接入一個熔斷器，而過電壓保護主要采用RC保護電路，這樣做才能確?？煽康陌踩阅?。雖然整流方式多種多樣，但目前在各種整流電路中應(yīng)用最多的是三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流電路是通過六個晶閘管和足夠大的電感把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電而供給電機使用的，它可以通

8、過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的控制電壓Uco改變晶閘管的控制角，從而改變輸出電壓Ud和輸出電流Id來對負載進行控制。整流電路在接入電網(wǎng)時由于變壓器一次側(cè)電壓為380V，一般都大于負載的額定電壓，所以選用降壓變壓器，為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星型，而一次側(cè)接成三角形，這樣可以避免三次諧波電流流入電網(wǎng)，減少對電源的干擾。3.2 主電路原理圖圖3-1 三相橋式全控整流電路 圖 3-2 主電路圖3.3 主電路各分單元原理及設(shè)計 過壓保護電路由于交流側(cè)電路在接通或斷開時出現(xiàn)暫態(tài)過程，會產(chǎn)生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級之間存在分布電容，初級高壓經(jīng)電容耦合到次級，出現(xiàn)瞬時過電壓。措施：在三相變壓器次級星形

9、中點與地之間并聯(lián)適當(dāng)電容，就可以顯著減小這種過電壓。與整流器并聯(lián)的其它負載切斷時，因電源回路電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時，初級拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級感生出很高的瞬時電壓，這種電壓尖峰值可達工作電壓的6倍以上。交流電網(wǎng)遭雷擊或電網(wǎng)侵入干擾過電壓，即偶發(fā)性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進行保護。一般加快速熔斷器進行保護，實際上它不能保護可控硅，而是保護變壓器線圈。具體的圖形如圖3-3： 圖3-3 過電流保護電路一般加快速熔斷器進行保護，實際上它不能保護可控硅，而是保護變壓器線圈。電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。 圖 3-4 濾波電路濾波電容容量大，

10、因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。因此，濾波效果取決于放電時間常數(shù)。電容C愈大，負載電阻RL愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，并且其平均值愈大。其電路圖如下： 圖 3-43.4 主電路元件參數(shù)計算及選型 設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)1）輸入電壓：單相（AC）220（1 +/- 15%）2）最大輸出電流電壓：200A 0-300V（DC）3）功率因數(shù)：0.7 具體參數(shù)計算（1） 整流器主電路的設(shè)計Pd=Ud*Id=200*300=60kw因為Pd5kw，所以采用三相橋式整流電路且?guī)д髯儔浩鳎?） 晶閘管的選擇1) 電流參數(shù)的選取IT=

11、(1/1.732)*Id=200/1.732116(A) ITaIT/1.5774(A)取安全裕量Kf=2,則所選晶閘管的電流值為:I=2*ITa=148(A)2）電壓參數(shù)的選取在三相橋式整流電路中,晶閘管所承受的電壓極值為根號6倍U2,其中U2其中變壓器二次側(cè)相電壓有效值.由Ud=2.34U2COS可得:U2=Ud/2.34COS 其中 Ud=300V 取零度U2min=Ud/2.34COS0=300/2.34129V因為U2存在15%的波動所以U2=U2min/0.85=152V所得晶閘管的電壓值為它的根號6倍 ,即2.45倍2.45*152=373V取安全裕量Kf=2,則晶閘管的電壓值為

12、746V所以晶閘管選kp100-400（4） 變壓器的設(shè)計變壓器副邊容量的計算由負載要求Id200()I2=(1.414/1.732)*Id164(A)已知U2=152V有S2=3U2I2=3*152*16474.784KVA因為是三相橋式電路,所以S1=S2=74.784KVAI1=U2I2/U1=152*164/38065.6(A)n1/n2= U1/U2=380/1522.5取I1=66A U1=380V I2=164A U2=152V S=74.784KVA 熔斷器選70A.（5） 濾波電容選擇C一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000以上

13、。因該系統(tǒng)負載不大，故取C=2200耐壓 1.5Udm=1.5*746=1119V 取1000V即選用2200、1000V的電容（6） 續(xù)流二極管的選擇根據(jù) 得知 續(xù)流二極管應(yīng)選300A、額定電壓為600V的二極管第4章 控制電路的設(shè)計4.1 控制電路的設(shè)計分析控制電路主要包括：ASR調(diào)節(jié)電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動放大電路。其中ASR調(diào)節(jié)電路主要采用的是PI調(diào)節(jié)器，他的作用主要是實現(xiàn)對輸入和輸出電壓進行反饋調(diào)節(jié)，使電路輸出得到一個穩(wěn)定的電壓。因為PI調(diào)節(jié)器的性能比較好，在顯示電路中得到廣泛的采用，所以我采用了這種調(diào)節(jié)器。觸發(fā)電路是是整個控制電路中的核心電路，他的主要作用是產(chǎn)生對晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時

14、通過控制控制觸發(fā)角的大小來控制整流直流電壓的輸出大小，從而得到我們具體所需要的電壓和電流。驅(qū)動放大電路的主要功能是把觸發(fā)電路發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號進行放大，最終驅(qū)動晶閘管的的導(dǎo)通和關(guān)斷，最終實現(xiàn)對整個主電路的控制。這就是控制電路。4.2 控制電路各分單元原理及設(shè)計4.2.1 ASR調(diào)節(jié)器電路ASR調(diào)節(jié)器是一種比例積分放大電路。大器由LM324芯片提供，再用電阻和電容與其引腳以一定的方式連接構(gòu)成一個比例積分放大電路。PI調(diào)節(jié)器可以分為兩個環(huán)節(jié)，一過熱環(huán)節(jié)是比例放大環(huán)節(jié)，另一個環(huán)節(jié)是積分放大環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的作用是對大給定信號與反饋信號之差進行放大再輸入觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖去控制晶閘管的觸發(fā)角度從而控制

15、輸出電壓，積分環(huán)節(jié)的作用是實現(xiàn)無靜差，穩(wěn)定輸出電壓。要改變輸出電壓的大小，只要改變給定電壓的大小即可。具體的連接電路圖如圖4-1。 圖4-1 觸發(fā)電路要了解觸發(fā)電路的基本原理，首先必須知道TC787芯片的基本結(jié)構(gòu)極其特點：（1） TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TC787的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖如圖4-2所示，其內(nèi)部集成有3個過零和極性檢測單元，3個鋸齒波形成單元，3個比較器，1個脈沖發(fā)生器，1個抗干擾鎖定電路、1個脈沖形成電路，1個脈沖分配及驅(qū)動電路。他們的工作原理可簡述為：經(jīng)濾波后的三相同步電壓通過過零和極性檢測單元檢測出零點和極性后，作為內(nèi)部3個恒流源的控制信號，3個恒流源輸出的恒值電流給3個等值電

16、容Ca，Cb，Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波，鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相控制電壓Vr比較后取得交相點，該交相點經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證交相唯一而穩(wěn)定，使交相點以后的鋸齒波或移相電壓的波動不影響輸出，該交相信號與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三相輸入同步信號相位對應(yīng)且與移相電壓大小適應(yīng)的脈沖信號送到脈沖分配及驅(qū)動電路。假設(shè)系統(tǒng)未發(fā)生過電流、過電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止端的信號無效，此時脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳6設(shè)定的狀態(tài)完成雙脈沖（引腳6為高電平）或單脈沖（引腳6為低電平）的分配功能，并經(jīng)輸出驅(qū)動電路功率放大后輸出，一旦系統(tǒng)發(fā)生過電流、過

17、電壓或其他非正常情況，則引腳5禁止信號有效，脈沖分配和驅(qū)動電路內(nèi)部的邏輯電路動作，封鎖脈沖輸出，確保集成電路的6個引腳12，11，10，9，8，7輸出全為低電平。 圖 4-2（2） TC787的引腳功能TC788是標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式18引腳的集成電路，它的引腳排列如圖4-3所示。 圖4-31) 同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)分別為三相同步輸入電壓連接端，應(yīng)用中分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC788的工作電源電壓VDD。2) 脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8(C)、引腳10(B)、引腳12(A)分別為與三相同步電壓正半周對應(yīng)的同相觸

18、發(fā)脈沖輸出端，而引腳7(-B)、引腳9(-A)、引腳11(-C)分別為與三相同步電壓負半周對應(yīng)的反相觸發(fā)脈沖輸出端。當(dāng)TC788被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時，引腳8為與三相同步電壓中C相正半周及B相負半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳12為與三相同步電壓中A相正半周及C相負半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳11為與三相同步電壓中C相負半周及B相正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳9為與三相同步電壓中A相同步電壓負半周及C相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳7為與三相同步電壓中B相電壓負半周及A相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，引腳10為與三相同步電壓中B相正半周及A相負半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端，應(yīng)用中

19、均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)或脈沖變壓器。3) 控制端 引腳5(Pi)為輸出脈沖禁止端。該端用來進行故障狀態(tài)下封鎖TC788的輸出，高電平有效，應(yīng)用中接保護電路的輸出。 引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)分別為對應(yīng)三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應(yīng)用中分別通過一個相同容量的電容接地。 引腳6(Pc)為TC788工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平時， TC788輸出雙脈沖；而當(dāng)該端接低電平時，輸出單脈沖。 引腳4(Vr)為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC788輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電壓幅值最大為T

20、C788的工作電源電壓VDD。 引腳13(Cx)。該端連接的電容Cx的容量決定著TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。4) 電源端： TC788可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為818V。雙電源工作時，引腳3(VSS)接負電源，其允許施加的電壓幅值為-4-9V，引腳17(VDD)接正電源，允許施加的電壓為+4+9V。（3） 觸發(fā)電路原理圖 圖4-4 驅(qū)動放大電路 圖 4-5第5章 總結(jié)與體會在本次課程設(shè)計實驗中，我們通過動手實踐操作進一步學(xué)習(xí)和掌握了電子技術(shù)的有關(guān)知識，特別是培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識、發(fā)現(xiàn)、提

21、出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)。是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程；加深了對電力設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)的認識，進一步鞏固了對電力電子知識的理解，掌握簡單電力電路應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、制作、調(diào)試的方法。電力電子課程設(shè)計，通過老師分別分配給我們每組同學(xué)不同的參數(shù)，設(shè)計出滿足要求的電路來。在設(shè)計時根據(jù)課題要求，復(fù)習(xí)相關(guān)的知識，查詢相關(guān)的資料。根據(jù)實驗條件，找到適合的方案，找到需要的元器件及工具，進行實驗。這次的課程設(shè)計重點是整流電路。整流電路在各種電力設(shè)備中無處不在，并且電路的結(jié)構(gòu)也是各有千秋的，可以說，我們這次設(shè)計的項目在現(xiàn)實生活中是很有應(yīng)用價值的。我們要實現(xiàn)的是一種可控整流，是把交流電變

22、成大小可調(diào)的直流電的過程，它是變流技術(shù)的基礎(chǔ)，在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣。課程設(shè)計中，首先確定晶閘管整流的總體設(shè)計方案。其次，通過設(shè)計要求，求出晶閘管的參數(shù)，變壓器的容量，過電壓保護的電阻和電容參數(shù)等。在參數(shù)確定后就根據(jù)參數(shù)選用型號。最后，把選取的各型號器件案總體設(shè)計方案連接起來組成電路。這樣電路完成了，當(dāng)然，我們設(shè)計的電路有很多理想化的環(huán)節(jié)，很多只是停留在理論的分析上，也通過少時的模擬實驗。但是最主要的是：通過再次的實驗。我們感觸頗多，學(xué)到更多，再次充分的把實踐操作和理論相結(jié)合。同時也對團隊分工合作又了進一步的認識，只有通過合理的分工合作才能在兩周時間內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)，相信在以后出社會會有很多用處，讓我能更好的進入工作狀態(tài)，也增加了我對問題的研究和探討，在我以后的學(xué)習(xí)中會有更多的幫助。課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，也是對自己能力的一種提高，學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程。更培養(yǎng)了獨立思考和設(shè)計的