晶闸管可控整流技术直流电机调速系统..

1、电力电子技术课程设计晶闸管可控整流技术直流电机调速系统设计摘 要：可控整流电路技术在工业生产上应用极广。 如调压调速直流电源、电解及电镀 的直流电源等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求， 或者为了提高 可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1,变成二次电压U2。由晶闸管等组成的可控整流主电路，其输出端的负载，可以是电阻性负载、 大电感性负载以及反电动势负载。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直 流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管

2、在交 流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输 出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对 晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。关键词：可控整流晶闸管触发电路缓冲电路保护电路1.引言当今，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展 ，而自动调速控制系统的 应用在现代化生产中起着尤为重要的作用，直流调速系统是自动控制系统的主要形式。由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统

3、 （简称KZ D系统）和旋转变流机 组及其它静止变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大提高， 而且在技术性能上 也显示出较大的优越性。可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差， 很短时间的过电 压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运行，必须针对过电压和过电 流发生的原因采用恰当的保护措施。 为此，在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧 过电压保护；在直流负载侧并联电阻和电容构成直流侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可控硅关断过电压保护； 并把快速熔断器直接与可控硅串联， 对可控硅 起过流保护作用。随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由

4、于电力电子装置的电 能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能 10%- 40%因此它是一 项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节。2. 原始数据：1、输入交流电源：2、三相 380V-10% f=50Hz3、直流输出电压：4、0220V5、50220V范围内，直流输出电流额定值 100A6、直流输出电流连续的最小值为10A3. 电路组成和分析该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲，脉冲宽度在8左右。本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、 移相控制、

5、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓 冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短。，由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量， 为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。根据已知要求，额定电流为25A，额定电压为220V，可求的功率P=220 25=5.5KW， 一般整流装置容量大于 4KW，选用三相整流较为合适。下图 1-1为三相全控桥式整流 电路。16AU图1-1三相全控桥式整流电路3.1工作原理点送出触发脉 输出触 输出触发图

6、为三相桥式整流电路在a=0o时直流电动机串平波电抗器负载时的电压电流波形。 先后向各自所控制的6块触发电路6 电路要求5即共VT与组在三点处源相电压正半波的1，冲VT而共阳极处T电源电压负半波的 2发脉冲组输出直流电压脉冲d2为三相电源相电压负半波的包络线。三相全控桥式整流电路输出整流电压Ud=Umn=Ud1-Ud2,为三相电源6个线电压正半波的包络线。各线 电压正半波的交点16就是三相全控桥电路6只晶闸管VT1VT6的a =0o的点。详细 分析如下：在 t1 t2间，U相电压最高，共阴极组的VT1管被触发导通，电流由U相经 VT1流向负载，又经VT6流入V相，整流变压器U、V两相工作，所以三

7、相全控桥输 出电压Ud为Ud=Ud1-Ud2=Uu-Uv=Uuv的线电压波形。经过60o进入：t2 t3区间,U相电压仍然最高，VT1继续导通 W相电压最低，在VT2管承受的2交点时刻被解发导通，VT2管的导通使VT6承受uwv的反压关断。这区间负 载电流仍然从电源U相流出经VT1、负载、VT2回到电源W相，于是这区间三相全控 桥整流输出电压Ud为：Ud=Uu-Uw=Uuw经过60o,进入 t3， t4区间，这时V相电压最高，在VT3管a =0o的3交点处被触发导通。VT1由于VT3和导通而承受Uuv的反压而关断，W相的VT2继续导通。负载电流从V相流W相，于是这区间三相全控输出电压Ud为：U

8、d=Uv-Uw=Uvw其他区间，依此类推，电路中6只晶闸管导通的顺序及输出电压很容易得出。由上述可知，三相全控桥输出电压 Ud是由三相电压6个线电压Uuv、Uuw、uvw、 Uvu、Uwu和Uwv的轮流输出组成的。各线电压正半波的交点 16分别为VT1VT6 的a =0o点。因此分析三相全控整流电路不同Ud波形时，只要用线电压波形图直接分析画波形即可。3.2对触发脉冲的要求三相全控桥整流电路在任何时刻都必须有两只晶闸管同时导通，而且其中一只是在共阴极组，另外一只在共阳极组。 为了保证电路能起动工作，或在电流断续后再次导通 工作，必须对两组中应导通的两只晶闸管同时加触发脉冲，为此可采用以下两种触

9、发方式：(1) .采用单脉冲触发：如使每一个触发脉冲的宽度大于 60o而小于120o这样在相 隔60。要触发换相时，当后一个触发脉冲出现时刻，前一个脉冲还未消失，因此均能同 时触发该导通的两只晶闸管(2) .采用双窄脉冲触发：如触发电路送出的是窄的矩形脉冲，在送出某一晶闸管 的同时向前一相晶闸管补发一个脉冲，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管。3.3晶闸管的选型该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的Ud=220V寸，不计控制角余量按一 =0o计算由Ud=2寸U2得UdU2= 一； =94V取 120V=(23)U2=(23)120V=588882 V取 Ute 为 700V当ld=10

10、0A时，流过每个晶闸管的电流有效值为:=2 匚 a 100A=58AIt晶闸管额定电流=：-58=:f=37A取Kf=1.73 ,考虑2倍裕量：丿二、丄门 取100A 当Id=10A时=；:10A=5.7AIt=厂=3.6A考虑2倍裕量：山取10A按要求表明应取二=0o来选择晶闸管。即 =100A所以晶闸管型号为KP100-73.4参数计算：整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相 电压U2、一次与二次额定电流以及容量。由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大， 所以在设计或选用整流变压器时，应考虑

11、这些因 素。3.5二次相电压U2平时我们在计算U2是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如 电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时 U2应按下式计算：Vdn+nbJJtU2=4匚- 打式中U 一】一一负载的额定电压；整流元件的正向导通压降，一般取1V;旌电流回路所经过的整流元件(VT及VD的个数(如桥式於=2,半波电路 J，=1)；A理想情况下- =0o时UX与U2的比值，查表可知；一一电网电压波动系数，一般取 0.9 ；最少移相角，在自动控制系统中总希望 U2值留有调节余量，对于可逆直 流调速系统“取30o35o，不可逆直流调速系统“取10o

12、15o；C线路接线方式系数，查表三相桥式C取0.5V；Udi-变压器阻抗电压比，100KV上以及取 Udl=0.05，100KV A以上取Udl=0.050.1 ；I2/I2n 二次侧允许的最大电流与额定电流之比。对于一般三相桥式可控整流电路供电的直流调速系统，U2计算也可以采用以下经验公式：不可逆调速系统U2=( 0.530.58)Udn可逆调速系统 U2=( 0.580.64)Udn式中U2整流变压器二次相电压有效值；Udn直流电动机额定电压。对于一般的中小容量整流调压装置，其U2值也可以用以下公式估算：UdnU2=(1.151.2 )二所以根据以知的参数及查表得：220 + 2x1vU2

13、= 2=心二:=0.816-：=0.816*100A=81AU2=120VN1 380 19 由一次侧和二次侧电压得：1 -=- 一 =】_.=- N2 二=_】 故一 =25.6A变压器二次侧容量为S2=3U2- =3 1八-二=29.2KV A变压器的安全性能-主要有变压器的阻燃性能和绝缘性能 阻燃性能有所选原材料决定绝缘性能：e型变压器的绝缘是由骨架的结构决定的c型变压器的绝缘石油组间绝缘层的结构决定的e 型变压器：工字形骨架的绝缘一般 计算方法：VAB -结构容量 _|=120V3.6 次与二次额定电流及容量计算如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系

14、式为：I1N1=I2N2N1 1/1K=1=丁式中N1,N2变压器一次和二次绕组的匝数；K变压器的匝数比。由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下： 大电感负载时变压器二次电流的有效值为p2 -输出功率u1 -初级电压u2 -次级电压升压式VAB=p2 （ 1-u1/u2）将压比VAB=p2 （ 1-u2/u1）4. 触发电路的设计晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性 .当晶闸管的阳极加上正向电压后，还 必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通，这一正向触发电压的导通是由触发电路提供的，根据具体情况这个电

15、压可以是交流、直流或脉冲电 压。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极 的触发功率，常常用脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉， 晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出 的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的 前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作， 触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于 晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散

16、性很 大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格 器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以gtUgt为界划除OABCO区域，在此区域内为不可靠触发区。在器件门极极限电流 Igfm、门极 极限电压和门极极限功率曲线的包围下，面积ABCDEFG为可触发区，所用的合格的晶闸管器件的触发电压与触发电流都应在这个区域内，在使用时，触发电路提供的门极的触发电压与触发电流都应处于这个区域内。再有，温度对晶闸管的门极影响很大，即使是同一个器件，温度不同时，器件的触发 电流与电

17、压也不同。一般可以这样估算，在 100高温时，触发电流、电压值比室温时 低23倍，所以为了使敬闸管在任何工作条件下都能可靠的触发，触发电路送出的触 发电流、电压值都必须大于晶闸管器件的门极规定的触发电流、触发电压值，并且要留有足够的余量。如触发信号为脉冲时，在触发功率不超过规定值的情况下，触发电压、 电流的幅值在短时间内可以大大超过额定值。触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的， 也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶 闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触 发的晶闸管可靠的导通，对于

18、电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.51MS ，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。 例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载 时，要求触发脉冲的移项范围是 0度180度，带大电感负载时，要求移项范围是 0 度90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度90度。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角:被触发导通，触发脉冲必须与电源同步， 两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关 系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压u

19、c与同步电压us控图5-1锯齿波同步触发电路5. 保护电路的设计5.1电力电子器件的保护 采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。在电力电子器件电路中,除了电力电子器件参数要选择合适,驱动电路设计良好外,5.2过电压的产生及过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压 主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压：由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供 电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间的存在的分布电容静电感应耦合过来。雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压 主要来自电力

20、电子装置内部器件的开关过程。换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能 恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻 断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或 与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降 低而线路电感在器件两端感应出的过电压。5.3过电流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和 短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和 合理性。在选择各

21、种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施， 快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛的一种过电流 保护措施。此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流 的响应最快。6. 缓冲电路的设计缓冲电路，其作用是抑制电力电子期间的内因过电压.du/dt.过电流和di/dt,减少器件 的开关损耗.缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路 关断缓冲电路又称为du/dt抑 制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通

22、损耗，可将关断缓冲电路 和开通电路结合在一起，称为复合缓冲电路.还有另外一中分类方式：缓冲电路中储能元件 的能量如果能消耗在吸收电阻上，则称其为馈能式缓冲电路或无损吸收电路如无特别说明，通常缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电 路。VDT图7-1 di/dt抑制电路图7-1所示的缓冲电路，使用于中等的容量的场合.其中RC缓冲电路主要用于小容量 器件,而放电阻止型RCD缓冲电 路用语中或大容量器件.晶闸管在实际应用中一般只承受换相过压，没有关断电压问题，关断时也没有较大的 du/dt,因此一般采用RC吸收缓冲电路即可.图7-1为GTO常见的三种缓冲电路为了使缓冲效果更加

23、显著，电路中的二极管尽量 选用快速二极管，同时接线要尽量短以减少布线电感图7-1a缓冲电路不仅能抑制开通过程 du/dt与di/dt值，同时还使刚开通时加在 GTO 上的du/dt初始值小.电路中由于有二极管VD阻挡，使得电容C的放电不能经过GT O,以免GTO刚开通时di/dt值过大.图7-1b缓冲电路抑制du/dt与di/dt效果更明显，但电容放电要经过GTO (放电 电流受R值的限制).图7-1c所示的缓冲电路通常是GTO容量在5 0A以下时才采用.D?iVDJ C*a)D?匕VDb)c)R阻容吸收元件参数可按表7-1所提供的经验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压的1.1至1.5倍。

24、表7-2晶闸管额定电100流 lt(AV)/A0电容C/ F2电阻R2电阻功率P=fCU m 10晶闸管阻容电路经验数据5002000.55101005020100.20.20.10.155204080100式中f 频率，取 500Hz;Um晶闸管工作峰值电压，单位为 V;C与电阻串联的电容量，单位为 J F;P电阻选取的功率，单位为 W所以根据其提供的资料可取电容 0.2 F，电阻取4017.总结晶闸管-直流电动机调速系统，具有调速范围大、调速特性好、易控制和效率高等 优点，是近代大量发展的调速系统。其机械特性，在电枢电流连续时是一条较硬的直线。 当电枢断续时，则是一条很软的曲线。直流电动机的机械特性反映了电动机转速 n与转 矩M的关系，因转矩M与电枢电流成正比，因此也可由转速 n与电流I的关系来描述 机械特性众所周知，直流电动机的机械特性为一条直线，当由可控硅整流电路为其供 电时，机械特性有所变化，尤其是当电流断续时，机械特性