三相全控桥整流电路供电的并励直流电动机开环调压调速系统毕业论文

1、.毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题题 目目 三相全控桥整流电路供电的并励直电动机开环调压调速系统专专 业业 电气自动化 班班 级级 电气 1004 学学 生生 指导教师指导教师 完成时间完成时间 2013 年 6 月 16 日 .目录目录摘摘 要要.3第第 1 1 章系统主电路设计章系统主电路设计.61.1 系统主电路的论述、选择.61.2 主电路图及工作原理.61.2.1 系统主电路图.71.2.2 系统主电路工作原理.71.2.3 关于三相全控桥整流电路.91.2.4 直流电机介绍.101.3 主电路元件参数的选择及计算.111.3.1 变压器额定参数的选择及计算.111.3.2 变

2、压器连接组别的选择.121.3.3 晶闸管参数的计算与选择.131.3.4 平波电抗器电感量的选择与计算.14第第 2 2 章章 系统调速控制单元论述系统调速控制单元论述 .15152.1 调速系统的方案确定.152.2 关于开环调速系统.16第第 3 3 章章 控制电路的工作原理控制电路的工作原理.16.3.1 关于触发电路的形式.163.1.1 脉冲形成与放大环节.173.1.2 锯齿波的形成与脉冲移相环节.183.1.3 同步环节.213.1.4 强触发环节.213.1.5 双窄脉冲形成环节.223.2 触发电路的定相.23第第 4 4 章章 结论结论.244.1 该系统的优缺点及改进方

3、向、方案.24结束语结束语 .2626参考文献参考文献.27 致致谢谢.28附录附录.29.摘摘 要要随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用，以及对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本设计的课题是三相桥式全控整流电路供电的开环直流调压调速系统。该系统属于模拟系统，虽然不是很先进，但仍然在工矿企业中有着广泛的应用，本设计有较高的集成度。本文将先分析主回路及计算,论述其工作原理,接着讲解各个控制单元,本系统的控制线路采用速度、电流、开环调速系统。关键词：三相，电路，变压器abstractwit

4、h the installation of power transmission in a wide range of modern industrial production applications, and their production processes and product quality requirements continue to improve, more and more production machinery needed to achieve brake mechanics, and therefore we will automatically govern

5、or of the system for some understanding and research. the design is the subject of three-phase electricity goes around the open flow control commutation circuits dc regulator governor system. the system is simulated systems, although not very advanced, but still has a wide range of applications in t

6、he mining industry, the design of a higher master degrees. the first analysis of the circuit and will be calculated on its operating principles, and then explain the various control modules, the system used to control circuit speed, currents, the central governor system.概述电机是使机械能与电能互相转化的机械，直流发电机把机械能

7、变成直流电能；直流电动机把直流电能变成机械能。历史上，最早的电源是电池，所以直流电机的发展比交流电机早，但是后来交流电机比直流的发展较快，目前电站的发电机几乎全是交流电机，用在各行各业的也是它。然而，直流电机在目前仍有很多的应用。其有如下优点：（1）调速范围广，且易于平滑调节；（2）过载、启动制动转矩大；（3）易于控制，可靠性高；（4）调速时的能量的损耗小。所以，在调速要求高的场合，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机械等拖动方面，直流电动机得已广泛应用。直流发电机用作直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电以及交流发电机的励磁等的直流电源。直

8、流电机的主要缺点是换向困难，它使得直流电机的容量受到限制，不能做的很大，目前极限容量也不过 1 万 kw 左右，而且由于有换向器，它比交流电机费工费料，造价昂贵。运行是换向器需要经常维修，寿命也比较短。所以，不少人做了很多的工作，以求用其他装置或改进交流电机的性能来代替直流电机。近年来，大功率的半导体的元件发展很快，它的可靠性，价格，控制方便等指标日益改进，在某些场合，已经可以成功地用可控整流电源代替直流发电机了。至于电动机方面，采用电力电子技术配合同步电动机，构成了电子换向的无换向器的电动机，也可有直流电动机的性能，已经在大容量、高电压、高速转动方面显示了很大的优越性，并得到实际的应用，但总

9、的说来，还没有达到全面的代替直流电动机的程度。1957 年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称可控硅）问世，到了 60 年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生根本性的变革，开始进入晶闸管时代。到今天，晶闸管电动机调速系统（简称 v-m 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。直流系统调速是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电流开环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过电流保护电路，通常指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转

10、速度发生变化调速通常通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护环节等来实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统称为开环控制系统。.这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源电压波动等外界扰动的影响。电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏差，不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。这是由于闭环控制系统具有反馈环节。一个晶闸管直流调速系统是由转速的给定、检测、反馈、平波电抗器、可控整流器、放大器、直流电动机等环节组成。这些环节都是根据用户要求首先被选择而确定下来的，从而构成了系统的固有部分。仅有这些固有部

11、分所组成的系统是难以满足生产机械的全面要求的，特别是对系统动态性能的要求，有时甚至是不稳定的，为了设计一个静态，动态都适用的调速系统，尤其是达到动态性能的要求，还必须对系统进行校正。也就是在上述固有部分所组成的调速系统中另外加一个校正环节，使系统的动态性能也能达到指标的要求。本文中采用开环调速系统，达到速度控制的目的。第 1 章系统主电路设计.1.1 系统主电路的论述、选择我们采用晶闸管整流装置，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流电路的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再

12、像直流发电机那样410需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态特性。晶闸管整流器也有它的缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反接制动状态。图 1-1 系统主电路图1.2 主电路图及工作原理1.2.1 系统主电路图我们所设计的主电路如图 1-1 示：.1.2.2 系统主电路工作原理当整流负载容量较大，或要求直流电压得脉动要小、易滤波，或要求快速控制时，应采用对电网来说是平衡的三相整流装置。 三相桥式全控整流电路实为三相半波共阴极与共阳极组的

13、串联，且控制角完全相同，因此整流输出电压就是三相半波整流电路的两倍，在感性负载时：ud=21.17u2cos=2.34u2cos= u2lcos=1.35u2lcos （1-1）2.34/3式（1-1）中 u2l为变压器二次绕组的线电压有效值。很显然，三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大正反向电压可比三相半波线路中的晶闸管低一半。以上从总体上和基本原理上认识到三相桥式全控整流电路实质上是共阴极组与共阳极组整流电路的串联，为了更具体了解它，较详细地分析一下其物理过程。习惯上希望三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 vt1vt2vt3vt4vt5v

14、t6，因此晶闸管是这样编号的：vt1和 vt4接 u 相，vt3和 vt6接 v 相，vt5和 vt2接 w 相。vt1、vt3 、vt5组成共阴极组，vt4 、vt6 、vt2组成共阳极组，如图 2-1 所示。为了搞清楚变化时各晶闸管的导通规律并分析输出波形的变化，可研究几个特殊控制角时的情况。图 1-2 晶闸导通时输出波形三相桥式全控整流电路中，6 个晶闸管导通的顺序是：.每隔有一换相。60从上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳极组的。关于触发脉冲的相位，共阴极组的

15、 vt1、vt3 、vt5之间应互差；共阳极的 vt4 120、vt6 、vt2之间亦互差。接在同一相的两管，vt1和 vt4，vt3和 vt6，vt5和 vt2之间则互120差。为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电，或者由于电流断续后180能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。通常采用双脉冲触发。用双脉冲触发，在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为。双脉冲60电路比较复杂，但它可减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。三相桥输出的是变压器二次线电压的整流电压，比三相半波时高一倍。电路在任何瞬间仅有两臂的器件导通，其余 4

16、 臂的器件均承受方向电压。主电路输出电压与控制角的关系上述分析中，不管为何值时，负载电压 ud都是线电压的一部分，相当于以线电压为幅值一周期有 6 个脉动波的六相半波整流电路。从线电压入手计算 ud更简单，由于 ud波形每隔重复一次，ud的计算只要在/3 范围内取平均值即可。60由于本设计为电感性负载，所以电流是连续的，晶闸管的导通角总是 2/3，式（2-2）的积分上限可以超过，仍为 2/3+，故ud=2.34u2cos=1.35u2lcos （1-2）23316sin()3tdt可见电感性负载要求的最大移相范围为901.2.3 关于三相全控桥整流电路电路图如图 1-3：三相桥式全控整流电路实

17、际上是一种开关电路，分析这种电路首先必须解决的问题，是确定每一瞬间电路中哪些晶闸管处于通态，哪些处于断态，然后才能搞清在工频电源与负载之间是如何建立起电流通路的。三相桥式全控整流电路如上图所示。可控硅元件（以下称元件）vt1、vt3、vt5 的阴极连接在一起，称共阴极组；元件 vt2、vt4、vt6 阳极连接在一起，称共阳极组.图 1-3 电感性负载的三相全控桥整流电路三相桥式全控整流电路在大电感负载时的工作情况有如下特点a。可控硅元件的导通按 1-2-3-4-5-6-1 的次序进行； b任何瞬间均有两只元件导通，上下组各一只； c每隔 60有一对元件换流； d每只元件导通 120，且与控制角

18、 的大小无关； e整流输出电压为连续的脉动电压，每周期有六个波头； f当 060时输出电压部件时间内出现负值，但平均值仍为正。当 =90时输出电压的正负值（绝对值）相等，平均值为零，当90-e1（-15v） ，v5又重5bu新导通。这时又立即降到-e1，使 v7、v8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲5cu.图 3-2 脉冲的形成和输出电路前沿由 v4导通时刻确定，v5（或 v6）截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数 r11c3有关。r13和 r16为 v7、v8的限流电阻，防止由于 v5长期截至致使 v7、v8长期过流而烧毁。3.1.2 锯齿波的形成与脉冲移相环节锯齿波电

19、压形成的方案较多，如采用自举式电路，恒流源电路等。图 3-1 所示为恒流源电路方案。电路由 v1、v2、v3和 c2等元件组成，其中 v1、vs、rp2和 r3为一恒流源电路。当 v2截止时，恒流源电流 i1c对电容 c2充电，所以 c2两端电压为cu1cuidtc因 i=i1c所以 (3-1)11ccui tc按线性增长，即 v3的基极电位按线性增长。调节电位器 rp2，即改变 c2的恒定充电电流cu3bui1c，因此 rp2是用来调节锯齿波斜率的。当 v2导通时，由于 r4阻值很小，所以 c2迅速放电，使电位迅速间到零伏附近。当 v23bu周期性地导通和关断时，便形成锯齿波，同样也是一个锯

20、齿波电压，如图 3-4 所示。射3bu3bu.极跟随器 v3的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。3buv4管的基极电位是由锯齿波电压、直流控制电压、直流偏移电压三电压作用的叠加coupu值所确定，它们分别通过电阻 r6、r7和 r8与基极相接。根据叠加原理，先分析 v4基极 b4的波形，为了分析方便，先不考虑 v4管的存在。只考虑锯齿波电压时，见图 3-3a：3eu图 3-3 b4点的等效电路 （3-2）783678/(/)herruurrr可见为一锯齿波，但斜率比低。hu3eu只考虑偏移电压，见图 3-3b 。pu （3-3） 67867/(/)pprruurrr可见仍为一条与平行

21、的直线，但数值比小。pupupu只考虑直流控制电压时，见图 3-3c 。cou （3-4）68768/(/)cocorruurrr可见仍为与平行的一条直线，但数值比小。coucoucou.图 3-4 锯齿波触发电路各晶闸管的电压波形如果=0，为负值时，b4点的波形由+确定，如图 3-4 所示。当为正值时，b4coupuhupucou点的波形由+确定。由于 v4的存在，上述电压波形与实际波形有点出入，当电压等hupucou于 0.7v 后，v4导通。之后一直被钳位在 0.7v。所以实际波形如图 3-4 所示。图中 m 点是 v44bu由截止到导通的转折点。由前面分析可知 v4经过 m 点时使电路

22、输出脉冲。因此当为固定值时，pu.改变就可以改变 m 点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲移相，从而改变晶闸管电cou路整流电压的大小。可以看出，加的目的是为了确定控制电压=0 时脉冲的初始相位。当pucou感性负载电流连续时，三相全控桥的脉冲初始相位应定在 =90；如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为 180，考虑 min 和 min，实为 120。由于锯齿波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于 180，例如 240，此时，令=0，调节的大小使产生脉冲的 m 点移至锯齿波 240的中央，相应于 =90的位置。这coupu时，如为正值，m 点就向前移

23、，控制角 90，晶闸管电路处于逆变状态。3.1.3 同步环节在锯齿波触发电路中，触发电路与主回路的同步问题是指要求锯齿波的频率与主回路电源的频率相同。从图 3-1 可知，锯齿波是由开关 v2管来控制的。v2由导通变截止期间产生的锯齿波，v2截止持续时间就是锯齿波的宽度，v2开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使 v2开关的频率与主回路电源频率同步就可以达到。图 3-1 所示同步环节，它是由同步变压器 ts 和作同步开关用的 v2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制 v2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主回路电源同步。同步变压器二次电压经

24、二极管 vd1间接加在 v2的基极上。当二次电压波形在负半周的下stu降段时，vd1导通，电容 c1被迅速充电。因 o 点接地为零电位，r 点为负电位，q 点电位与 r 点相近，故在这一阶段 v2基极为反向偏置，v2截止。在负半周的上升段，+e1电源通过 r1给电容c1反向充电，q为电容反向充电波形，起上升速度比波形慢，故 vd1截止，如图 3-4 所示。ustu当 q 点电位达 1.4v 时，v2导通，q 点电位被钳位在 1.4v。直到 ts 二次电压的下一个负半周到来时，vd1重新导通，c1迅速放电后又被充电，v1截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，v2包括截止与导通两个状态，对应锯齿

25、波波形恰好是一个周期，与主回路电源频率完全一致，达到同步的目的。可以看出，q 点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达 1.4v 的时间越长，v2截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数 r1c1决定的。3.1.4 强触发环节强触发脉冲可以缩短晶闸管的开通时间，提高晶闸管承受 di/dt 的能力，有利于改善串并联器件的动态均压和均流，其电路如图 3-1 所示。.根据强触发脉冲形状的特点，在脉冲初期阶段输出约为通常情况下的 5 倍脉冲幅值，时间只占整个脉冲宽度的很小一部分，以减少门极损耗，其前沿陡度在 1a/s 左右。电路设计时要考虑能瞬时输出高电压和大电流。此电路强触发环

26、节由单相桥式整流获得 50v 电源。在 v8导通前，50v 电源已经通过 r15向 c6充电。所以 b 点电位已经升到 50v。当 v8导通时，c6经过脉冲变压器、r6（c5） 、v8迅速放电。由于放电回路电阻较小，电容 c6两端电压衰减很快，电位迅速下降。当电位稍bubu低于 15v 时，二极管 vd15由截止变为导通。虽然这时 50v 电源电压较高，但它向 v8提供较大的负载电流，在 r15上的电阻压降较大，不可能向 c6提供超过 15v 的电压，因此电位被牵bu制在 15v。当 v8有导通变为截止时，50v 电源电压又通过 r15向 c6充电，使 b 点电位再升到50v，准备下一次强触发

27、。电容 c5是为提高强脉冲前沿陡度而附加的。3.1.5 双窄脉冲形成环节本方案是采用性能价格比较优越的、每个触发单元一个周期内输出两个间隔的脉冲的60电路。图 3-1 中，v5、v6 两个晶体管构成一个“或”门。当 v5、v6都导通时，约为-15v，使5cuv7、v8都截止，没有脉冲输出。但只要 v5、v6中有一个截止，都会使变为正电压，使 v7、v85cu导通，就有脉冲输出。所以只要用合适的信号来控制 v5或 v6的截止，就可以产生符合要求的双脉冲。其中，第一个脉冲由本相触发单元的对应的控制角使 v4由截止变为导通造成 v5瞬cou时截止，于是 v8输出脉冲，隔的第二个脉冲是由后相位的后一相

28、触发单元在产生第一6060个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元 v6的基极，使 v6瞬时截止，于是本相触发单元的 v8管又导通，第二次输出一个脉冲，因而得到间隔的双脉冲。其中 vd4和 r17的作用，主要是防止60双脉冲信号互相干扰。在三相桥式全控整流电路中，器件导通次序为 vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6，彼此间隔，相邻器件成双接通。因此触发电路的双脉冲环节应该这样接线：以 vt1器件的触发单元而60言，图 3-1 电路中的 y 端应该接 vt2器件触发单元的电路的 x 端，因为 vt2器件的第一个脉冲比vt1器件的第一个脉冲滞后。所以当 vt2触发单元电路的 v4由截止变为导通

29、时，本身输出一60个脉冲，同时使 vt1器件触发单元的 v6管截止，给 vt1器件补送一个脉冲。同理，vt1器件触发单元的 x 端应当接 vt6器件触发电路的 y 端，因为 vt6器件比 vt1器件超前导通，所以 vt1器60件产生脉冲时给 vt6器件补送一个脉冲。依次类推，可以却确定六个器件相应的触发单元电路的.双脉冲环节间的接线。3.2 触发电路的定相在三相晶闸管变流装置中，选择触发电路的同步信号是个很重要的问题。在常用的锯齿波、正弦波移相触发电路中，送出初始脉冲的时刻是由输入触发电路中不同相位的同步电压确定的。初始脉冲是指=0 时，控制电压与偏移电压为固定值条件下的触发脉冲。因此，必须根

30、ducoupu据被触发晶闸管阳极电压的相位，正确供给各触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种正确选择同步电压相位以及获取不同相位同步电压的方法，就是触发电路的定相。对三相变流器来说，六个同步电压均由三相同步变压器的二次绕组提供。三相变压器共有24 种接法与 12 钟点数。变压器一次与二次侧相同接法时，是偶数点钟，一次与二次侧不同接法时为奇数点钟。由于同步变压器二次电压要分别接到六个触发电路，要有公共接地端，只能是星形接法，故实际方案只有 12 种。因此，当同步电压相位确定后，为取得特定相位的同步电压，其工作就在于选用哪一种变压器连接组。对于负半

31、周有效的锯齿波触发器，采用 npn 晶体管，锯齿波上升沿为有效部分。对于它的同步信号相对于该触发电路所触发的 vt 相需滞后 180。现假设主回路整流变压器为 d，联结的三相全控桥，同步变压器为 d，的联结，11y11 5y如图示，分析采用锯齿波 ntn 晶体管的触发电路对晶闸管同步电压相位的选择，该电路能在整流和逆变状态运行。图 3-5 npn 管锯齿波触发电路与电压的矢量关系主回路同步变压器系 d，联结，故与同相。同步电路与，与，11yuuuvuuusuuvusvu与都同相。对晶闸管来讲，应先选滞后的作为同步电压，按此原则，wuswu1vt180uusuu.再选其余晶闸管的同步电压，见表

32、3-1。表 3-1 三相全控桥晶闸管的同步电压晶闸管vt1vt2vt3vt4vt5vt6主电路电压+uu-uw+uv-uu+uw-uv同步电压-usu+usw-usv+usu-usw+usv在锯齿波的触发电路中，为改善波形亦可加 r-c 滤波器。在一般触发器设r-c 滤波器，其滞后相角为 60或 30。.第 4 章 结论4.1 该系统的优缺点及改进方向、方案该系统的设计相对来说比较适合我们的能力水平，能够在老师及同学指导下完成。简单谈一下我对次系统的认识以及它的优缺点。 我们所采用的开环控制系统，这种控制方法的设计较为简单。下面我们比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚的看出反

33、馈闭环控制的优越性：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。如果采用双闭环控制方案，会使系统具有更好的动态、静态性能，系统的静特性会很硬，基本上无静差，启动时间短，动态响应快， 系统的抗干扰能力强； 应用广泛（在自动调速系统中） 。 进一步改善系统的调速性能， 大大提高系统的可靠性。如图4-1所示双环脉冲调速系统原理框图图 4-1 中，upw 为脉冲信号形成及脉冲分配电路，gd 为基极驱动器，pwm 为脉宽调制变换器，fa 为瞬时动作的限流保护环节。电动机 m 的转速 n 由测速

34、发电机 tg 测量，速度反馈信号 un 与速度给定电压 un*同时加在速度调节器 asr 的输入端，构成调速系统的速度外环。电动机的电枢电流 ia 由两个串接在主回路中的电阻和运算放大器检测，运算放大器的输出电压 ui与速度调节器输出电压 ui*同时加到电流调节器 acr 的输入端，构成调速系统的电流内环。双闭环脉宽调速系统的原理图如图所示：.图4-1双环脉冲调速系统原理框图.结束语本文就调速系统提出了我们自己设计的方案，并实现了具体的实施过程。而且，还考虑到今后的发展趋势，探讨了系统存在的优缺点以及可以改进的方向。自动控制系统是一门实践性、实用性很强的专业课程，学习自动控制系统必须理论联系实际。况且，直流调速技术已经在工业自动化领域中得到了广泛应用，因此，对于自动控制专业的大学生来说，此课程设计是必不可少的，是非常必要的。在这次课程设计中，各项能力都受到了全面的系统的训练，不但扩展了视野，对以前从未接触过的电路设计方面的知识有所涉及，第一次通过看器件手册知道如何进行电路分析设计，同时利用以