电瓷涡流刹车电源的设计

1、兰州理工大学毕业设计说明书I摘 要目前，在钻井行业中，电磁刹车得到了广泛的应用，这是由于它是一种无摩擦、使用简便、维护工作量小,低速仍有较大制动转矩的装置。电磁刹车是一种无摩擦的石油钻机用辅助刹车,它利用电磁感应原理, 将直流电通入电磁刹车的定子线圈, 产生恒定磁场, 在绞车下放重物时,电磁刹车的转子切割定子磁场的磁力线,从而产生感应电势、电涡流和制动转矩,这时司钻人员可用司钻开关调节电磁刹车励磁电流的大小,从而灵活地控制刹车的制动转矩、控制下钻的速度快慢, 不用主刹车而完成整个下钻作业，是石油钻机理想的辅助刹车。然而, 电磁刹车的制动力矩与定子励磁电流有关,如果失去励磁电流,电磁刹车的制动转

2、矩将为零, 这在下钻作业中是不允许的。所以与刹车配套的励磁电源,对使用刹车时的安全作业起着十分重要的作用，缺少可靠电源保证的电磁刹车极易导致事故。针对目前电磁刹车的缺陷，为减少元件数量，精简电路，我采用了集成脉冲发生控制器TCA785代替了以往的分立元件电路，而且增加了断水保护、过流保护等环节，使设计的电源更加可靠且经济。关键词：电磁刹车 电源 整流电路 触发电路兰州理工大学毕业设计说明书IIAbstractAt present, in the well drilling trade, the electromagnetic brake is widely used, this is beca

3、use it is that one kind has not rubs, uses simply and conveniently and safeguarding the work load to be little, still have heavy to apply the brake device of torque at a low speed. It is that a kind of petroleum rig not rubbed is used and braked auxiliarily to brake electromagnetically, it utilizes

4、the electromagnetic induction principle, enter the direct current openly on the electromagnetic stator coil that braked, the invariable magnetic field emerges, when the hoist transfers the heavy object, the electromagnetic rotor that brakes cuts the magnetic force line of the magnetic field of the s

5、tator, thus produce reaction electric potential , electric vortex and apply the brake torque, driller personnel can regulate with driller switch electromagnetic to brake size , excitation of electric current at this moment, speed of speed that thus the one that control and brake in a flexible way ap

6、plies the brake the torque , control run the drilling tool into the well, neednt brake but is it run the drilling tool into the well homework is petroleum rig ideal auxiliary brake entirely to finish mainly. However, the ones that braked electromagnetically made motive force square and related to st

7、ator excitation electric current, if lose excitation electric current, the torque will be zero that the ones that brake electromagnetically apply the brake, this will not be allowed in running the drilling tool into the well the homework. So and the excitation power braking together, play a very imp

8、ortant role to the security homework while using the brake, it is extremely apt to cause the accident that the electromagnetism lacking reliable power and guaranteeing brakes. To the electromagnetic defect that brakes at present, and in order to reduce the number of elements and simplify the circuit

9、, I have adopted integrated pulse happened controller TCA785 to replace the past discrete component circuit, and we add the protecting circuit of no water and higher electric current protecting etc.We make power further more reliable and economy.Key words: electric eddy brake driving supply (power s

10、upply) Rectification-circuit trigger circuit兰州理工大学毕业设计说明书III目 录第一章 设计背景及概述.1第二章 设计任务及设计要求.22.1 毕业设计的任务 .22.2 设计的主要内容、功能及技术指标 .2第三章 设计方案确定.33.1 主电路方案 .33.2 触发电路 .33.3 系统原理 .4第四章 硬件电路的设计及计算.54.1 主电路理论分析及设计 .54.1.1 整流电路.54.1.2 主回路元器件选择.114.1.3 主电路的保护及元件选择.154.2 触发电路的设计.214.2.1 TCA785 芯片说明 .234.2.2 TCA7

11、85 的工作原理及结构 .244.2.3.其主要技术指标如下.264.2.4 使用 TCA785 实现相控整流 .264.2.5 同步变压器.284.2.6 TCA785 的电路连接说明 .304.2.7 元器件选择.314.3 控制单元设计 .314.3.1 给定积分器 .324.3.2电流调节器.394.3.3触发装置输入及保护单元.434.3.4 其它辅助单元.45总 结.50参考文献.52英文资料翻译.54致 谢.77附 录 元件明细表.78兰州理工大学毕业设计说明书1第一章 设计背景及概述电磁涡流刹车电源是石油钻机中电力刹车的配套装置，它与涡流刹车主体配套使用，在钻井作业中，通过司钻

12、开关调节给定的大小，实现刹车功能，利用电磁感应原理，将直流电通入电磁刹车的定子线圈，（阻值约 4 欧姆左右），产生磁场，在绞车下放重物时，电磁刹车的转子切割定子磁场的磁力线，从而产生感应电势、电涡流和制动转矩。无论国产或进口的电磁刹车，根据其结构特点，均可近似为一台电枢回路短路的直流电机，励磁电流在定子线圈中产生恒定磁场，转子在外力拖动是产生感应电势和涡流，从而产生感应电势和涡流，从而产生制动转矩，其大小为 T=KmPn 式中，T 为制动转矩；P 为定子磁极对数；Km 为电磁刹车的结构系数；I 为2I电磁刹车的励磁电流；n 为电磁刹车转子转速。从公式可看出，T 正比于，若2II=0，则 T=0

13、，电磁刹车就失去了制动转矩，司钻人员下钻时控制游车的下放速度，就是控制电磁刹车的励磁电流。目前国产电磁刹车的配套电源多为 SCR 元件的半控整流桥方式，而进口电磁刹车（如美国）则采用直流 PWM 方式，但二者最终都是依靠控制励磁电流大小来调节刹车转矩的。目前各油田电磁刹车,在现场使用中普遍存在着一些问题,留有较多的不安全因素。a a) 产品设计功能不全,缺少必要的安全报警措施。如交流失电、电源缺相SCR 触发器脉冲丢失或SCR元件损坏的故障报警,使得司钻人员无法及时发现电磁刹车的故障,给钻井作业带来不安全隐患,如在下钻时电磁刹车失电,司钻人员往往措手不及,易造成游车下砸事。b b) 老产品的可

14、靠性设计较差,没有考虑“冗余” 设计,一旦励磁电源出现故障,电磁刹车必须停用,电源维修不及时,严重影响生产进度。c c) 产品的工艺设计落后,老产品整个装置均是由分立元器件组成,电子元器件数量多、焊点多、功能单元多,由于野外钻井现场的工作环境恶劣,导致电气元件易损坏,系统故障率高。且因电子元器件数量多、线路复杂,造成现场维修技术难度高、时间长,且备品备件供应较难。针对目前电磁刹车电源的缺点,根据国内各油田钻井工作的实际情况,经过对电磁刹车做的系统的可靠性分析,在此基础上开发研制了新一代的电磁刹车电源。根据电子产品的失效概率模型和实践经验,我们认为元器件数量多、电子元件的应力裕量小、缺少“冗余”

15、设计是老产品故障率高的主要原因。鉴于野外作业的工作环境差,井队搬迁的运输条件恶劣,过大的振动和各种机械的应力常导致电子线兰州理工大学毕业设计说明书2路引线折断、焊点脱落、电子元件提前老化失效。因此,采取了一系列技术措施,以提高新型电磁刹车电源的系统可靠性。a) 减少构成系统的功能单元数量，以减少故障率。老产品采用分立电子元件制作电子脉冲触发板，我们采用 TCA785 集成触发电路触发晶闸管，这样减少了元件数量。b) 提高主回路元件的裕度，降低主要元件的工作应力。降额使用的电路故障率大大下降，平均无故障工作时间增长。c) 为满足现场工作的需要，增加了故障报警，如过电流报警。主电路利用可控硅元件组

16、成的三相全控桥整流电路将三相 50Hz 的交流电变为单相直流电，控制部分以模拟电路为核心，实现移相触发、过流以及冷却水断水等保护。第二章 设计任务及设计要求本次毕业设计，要求较高，由我一人独立完成，任务繁重，所以必须摆正态度，做好毕业前的最后一次设计。2.1 毕业设计的任务1、熟悉题目要求，通过查阅相关科技文献，初步拟定设计方案；2、对所选方案论证与确定、并进行技术经济分析；3、用 1 号图纸绘出详细的主回路电路图和控制电路图；4、对主电路电气装置及电器元件的选型要有简单的计算书；5、以模拟电路为核心设计控制电路；6、对主电路及控制电路要有详细的硬件清单；7、高质量的毕业设计说明书；8、翻译一

17、篇关于自己所学专业或涉及有关的英文资料2.2 设计的主要内容、功能及技术指标1、设计出输出随给定变化连续可调的直流电源系统；2、利用模拟电路设计控制电路，实现输出电流连续可调、限压、过流、断水等保护；3、输入电压 3AC 380V 50Hz，输出电流 085A 可调。兰州理工大学毕业设计说明书3第三章 设计方案确定电磁刹车的电源设计有很多方法，首先我们设计的电源，其可靠性、合理性和先进性应得到充分肯定，其次，我们要从经济性角度，设计出既符合设计技术要求有符合经济性的电源。另外，我们设计的电源，要求不是很高，对一些元器件的参数就不是很苛求，所以在考虑一些元器件的选择时，应充分考虑其经济性。3.1

18、 主电路方案主电路有两种方案。其一：采用可控硅元件组成的三相全控桥整流电路，将三相50Hz 电源变为单相直流电；其二：利用三相不控桥做整流，IGBT 斩波电路实现调压。虽然第二种方案较第一种电路而言控制电路简单，但 IGBT 昂贵且控制要用专用电路，整体价格更贵，可控硅耐压相对较高，经济且可靠，故用可控硅即可。整流电路既可用三相半控桥电路，亦可用三相全控桥电路，本设计采用后者。3.2 触发电路控制触发单元可选用双窄脉冲或宽脉冲触发。双窄脉冲触发电路可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积；用宽脉冲触发，虽然脉冲数减少了一半但为了不使脉冲变压器饱和，其铁芯体积要做的大些，又使装置变复

19、杂；故在本次设计中选用双窄脉冲触发。全控桥式整流主要通过改变晶闸管触发相位的方法来调节母线电压的高低，此时需要检测三相交流电压的相位以实现同步触发。这通常采用专门的移相控制芯片实现。在本次设计中采用 TCA785 芯片成功地实现了三相全控桥整流的移相控制。TCA785 是德国西门子公司的产品，它具有温度范围宽，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移相范围更宽等优点。其 5 脚为外接同步信号端，用于检测交流电压过零点。10 脚为片内产生的同步锯齿电压，通过与 11 脚的控制电压相比较，在 14 脚和 15 脚可输出同步的脉冲信号。因此，改变 11 脚的控制电压，就可实现移相控制。对于同

20、步问题采用三相同步变压器从电源进线端引入三路同步信号，通过同步变压器输出接入三片 TCA785 的 5 脚，就能控制 6 只进晶闸管，然后通过引脚复用即可实现双窄脉冲方式驱动。控制电路：是用模拟电路来完成的，给定是通过司钻开关实现的，通过调节手柄，改变给定值的大小，实现移相控制。过流保护，采用硬件实现，若有过流信号产生就会使过流继电器得电，从而控制主电路断电。电磁刹车的冷却主要分为风冷式与水冷兰州理工大学毕业设计说明书4式。风冷式电磁涡流刹车在下钻时，电能转换的巨大热能不是用水来冷却，而是用强迫通风进行冷却，所以它不受水冷却时水质水源及低温的影响和限制，同时提高了适应性，避免了水冷却是经常发生

21、因水垢而引起的堵塞、锈蚀、设备冻裂、冻坏等不良后果，从而解除了钻井工人在冬季钻井时设备冻裂而误工误时的后顾之忧。但风冷式电磁涡流刹车体积大，冷却系统较水冷式笨重、结构复杂。由于结构的限制，它不适合在风沙大、地表温度高的地方使用，因为换气孔很容易使风沙进入刹车间隙内，从而导致刹车堵塞和卡死，若地表温度较高，引起换气困难，将加重线圈负担。水冷式电磁涡流刹车，结构简单、体积小、质量轻、冷却速度快、在水质好的情况下使用寿命长；其缺点是，水质不好，容易结垢、锈蚀。本设计中，我们主要针对水冷式电磁刹车。所以应用断水保护，断水保护亦采用硬件实现，仍然用继电器实现。3.3 系统原理我们用可控硅三相整流电路可得

22、到直流，而三相整流电路中的晶闸管的导通是由司钻给定电压到控制回路，又由控制回路控制导通角来决定晶闸管何时导通，继而控制整流桥输出电压的大小，司钻控制板就是用作司钻电压给定的控制台，保护电路包括过流保护，断水保护电路等。司钻开关三相电源220-380v三相 380v可控 整流 AC/DC 保护电路司钻控制板电磁刹车励磁绕组单元控制及保护三相电源进线保护及控制报警图 3-1 系统原理图兰州理工大学毕业设计说明书5第四章 硬件电路的设计及计算4.1 主电路理论分析及设计主电路图如下所示，图中 VT1VT6 是晶闸管，R1R6 是晶闸管并联阻容保护的电阻器，C1C6 是电容器。主回路采用三相可控硅整流

23、电路，带阻感负载。控制回路要求控制脉冲触发单元的移相范围为 15 度120 度。R9R8R7C9C8C745TA1TA2TA3NI3I1I2413111412Q1L332X1L2L11L13L12L11KM1RV1T1FU1FU3FU2RV2RV33V4C4R4R6C6543V6X2534C2V2R22415V12C1R1R3C3415V32VPV1R74C5125V5R5AX2PA1RS11图 4-1 主电路图下面讲述住电路具体设计。4.1.1 整流电路目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如下兰州理工大学毕业设计说明书6T1L1L2L3UdRVT2VT6VT4

24、VT5VT3VT1图 4-2 三相全控桥原理图一、晶闸管介绍及整流电路中晶闸管接法介绍晶闸管是一种大功率的半导体器件，与大功率二极管外形相似,只是多了一个控制极。它由 PNPN 四层半导体构成,中间形成三个 PN 结。这种独特的结构，可把它看成是由 PNP 和 NPN 两个三极管组合而成，每一个三极管的基极与另一个三极管的集电极相连，在电路回路上形成正反馈，只要在控制极上加上适当的正向电压，晶闸管迅速触发导通。 当在晶闸管的阳极加上正电压，阴极加负电压，控制极不加电压，晶闸管处于截止状态；当在控制极上加触发信号后，晶闸管进入导通状态；导通后，控制极便失去控制作用，晶闸管的输出特性与二极管相似。

25、 当在晶闸管的阳极、阴极加上相反的电压，无论怎样加触发信号，晶闸管仍处于截止状态。整流变压器采用三角-星型接法，二次侧接成星形，一次侧接三角形。这样可以避免三次谐波流入电网，因为三次谐波的影响最大，流入电网会造成整流不稳定。习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管的顺序编号为：共阴极组中与a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1、VT3、VT5 共阳极组中与a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT

26、4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。二、整流电路带阻感负载的工作情况由于题目要求整流电路带阻感负载工作，所以以下只讲述整流电路带阻感负载时的工作情况兰州理工大学毕业设计说明书7可控硅带阻感负载时的输入输出情况：当时，波形连续，电路工作情况与带电阻负载时十分相似。60adU当如下图所示，各晶闸管均在自然换相点处换相，有图中变压器二0a=时，次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析的波形时，既可从相电压波形分析，也可从线dU电压波形分析。图 4-3 时的波形图0a=时，从

27、相电压波形看，以变压器二次侧的中点 n 为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电1du压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压是两条包络2du12ddduuu=-线的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正的最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负的最多）的相电压，输出整流电压波形为线电压在正半周的包络线。12ddduuu=-兰州理工大学毕业设计说明书8从触发角时的情况可以总结出三相桥全控整流电路的一些特点如下：0a=时，1)每个时

28、刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中 1 个晶闸管是共阴极组的，1 个是共阳极组的，且不能为同 1 相的晶闸管。2)对触发脉冲的要求：6 各晶闸管的脉冲按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差；共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差，共60a120阳极组 VT4、VT6、VT2 也依次差；同一相的上下两个桥臂，即 VT1 与120VT4，VT3 与 VT6，VT5 与 VT2，脉冲相差。1803)整流输出电压一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样，故该电路为 6 脉12ddduuu=-波整流电路。4)在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电

29、路的正常工作，必须保证同时导通的 2 各晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取 80 100 ），称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发60a60a60a某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为 20 30 ，称为双脉冲触发。60a60a60a双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，须将铁心体积做的较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。随可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的

30、是双脉冲触发。5)晶闸管承受的电压波形如上图所示。图中仅给出 VT1 的电压波形。0a=时，将此波形与三相半波中的 VT1 电压波形比较可见，两者是相同的， 晶闸管承受最大正、反向电压的关系也与三相半波时一样。晶闸管时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时60a波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感 L 的作用，波形会出现12ddduuu=-12ddduuu=-负的部分。这里给出=30 、=60 和=90 时的整流电路带阻感负载时电压波形图如60a60a60a60a60a60a下所示。60 时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为在两种负载情况下，负60a60a载电流均连续。这

31、时有：2322313 66sin()cos3dUUtdtUpapawwapp+= 22.34cosUa=当=0 时，最大，为。60a60adU022.34ddUUU=60 时，=60 的波形如图所示，当过零时，由于电感的存在，阻止60a60a60a60a2u兰州理工大学毕业设计说明书9电流下降，因而 VT1继续导通，直到下一相晶闸管 VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由 VT2导通向负载供电，同时向 VT1施加反压使其关断。这种情况下波形中出现负的部分，若增大波形中负的部分将增多。du60adu图 4-4 =30 时电压波形60a60a 图上给出了=30 时的波形，从角开始把一个周期等分为 6

32、 段，每段为60a60a1tw60 。与的情况相比，一周期中波形仍由 6 段线电压构成。每一段导通60a0a=时，du晶闸管的编号等仍符合从 VT1VT6 的顺序导通规律，区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了 30 ，组成的每一段线电压因此推迟了 30 ，平均值降低，晶60adu60adu闸管电压波形也相应发生变化如图所示。兰州理工大学毕业设计说明书10图 4-5 =60 时的电压波形60a60a=60 时的全控整流电路电压波形如上图所示，与=30 时晶闸管的导通又60a60a60a60a推迟了 30 。60a60 时，整流电压平均值为60a60a 2336sin()dUUtdtppawwp+=

33、22.341cos()3Upa=+ 输出电流平均值为 Id =Ud / R。这里，我们二次侧采用星型连接，带阻感负载时，变压器二次侧电流为正负兰州理工大学毕业设计说明书11半周各宽 120 、前后沿相差 180 的矩形波，其有效值为60a60a2221222()0.8162333ddddIIIIIppp=+ -=图 4-6 =90 时的电压波形60a60a =90 时，当电感 L 足够大时，中正负面积基本相等，平均值近似为零。60a60adudu但由于工程上往往不会用足够大的电感值，所以理论上三相全控桥带阻感负载的移相范围为 0 90 ，但是由于电感不是足够大所以经过调制可以使其移相范围满60

34、a60a足 15 120 的要求。60a60a4.1.2 主回路元器件选择一、晶闸管的选择设，则输出电流波形为一水平直线，即=/R LRwdIdU在 0310V 可调，在 085A 可调，则流过 SCR 的电流有效值为：dUdI兰州理工大学毕业设计说明书122231()2TdaIIdtpwp=22332dIpp-= =56.132A()56.132(1.5 2)271.51.571.57TT AVIIA=SCR 所承受的反向电压为：2236250612.3RMlUUV=取裕值为 2。则所选 SCR 的额定电压为：1200V 额定电流为：120A 所以可控硅选择为 3CT150。其中 3 表示元

35、件有三个极；C 表示型硅原始材料；T 表示可控硅元件。二、变压器的选择由于整流变压器的二次绕组电流与流过晶闸管的电流相同，所以变压器二次侧电流为：=56.132A 2ITI则变压器的次级容量为：=250/56.132=8.09kvA2S2U2I3故选变压器为 10kvA功率因数2222 2310cos0.92336.9PUISU Ia=此处取当输出为 310V 时对应的=336.9V2U310cos23三、移相范围由四散热器的选择 晶闸管是一种热限制器件，当电流通过晶闸管时，要发生一定的功率耗散而在体内产生热量，该热量使得器件内温度上升。其间体内各部分温度有一定的分布，PN 结处温度最高，又与

36、晶闸管有三个 PN 结。一般为了分析问题方便，则假设内部存在一个“等效结”，以等效结温度为器件内最高温度,结温就是指这个温度。晶闸管的多个重要特性均是结温的函数。当结温高于某个温度以后，其特性就要变差，甚至于丧失，特别是阻断特性，温度升高，正反向漏电流要增大，超过某温度，阻断电压就要下降，甚至导通。因而，为使器件能正常工作，必须保证其结温不超过规定的最高工作结温，对于晶闸管，这个温度值国际通用 125 C，国家有关标准也采用了这个数值，也就60a是说晶闸管在任何工作条件下，要能保证其正常工作，必须使其工作结温不2310arccosarccos66.8442.342.34336.9duua=兰州

37、理工大学毕业设计说明书13超过这个值。这就是晶闸管的热限制。一般散热器是个比器件外壳表面积和体积要大的金属体，与期间紧密安装器件内产生的热量先传递到管壳，再由管壳传递到与之紧密接触的散热器上。散热器一般都用热的良导体做成，则热量迅速传递到其面积很大的外表面上，再通过对流、传导、辐射等形式散逸到环境介质（空气、水或其他介质）中去。散热器的选择为 JHD 06-0239 25030083五、轴流风机2000-2200 转分,AC 220V 50H线速度：6m/s 体积：22022025 11011025 15W/17W 六、直流稳压电源控制电路中的运放需要用直流稳压提供工作电压，所以用集成稳压电源

38、来提供所需工作电压。集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。常用的集成稳压器有：金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。集成稳压器可分为串联调整式、并联调整式和开关式稳压器三大类78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采

39、用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。78xx系列集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，3脚为接地端，2脚为输出端，（见下图）使用十分方便。 W78XX213图 4-7 78xx 系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，为三端稳压器的基本接法。这是一个输出正 5V 直流电压的稳压电源电路。IC 采用集成稳压器兰州理工大学毕业设计说明书147805，C1、C2 分别为输入端和输出端滤波电容，电容 C1 用以抵消因输入线长所产生的电感效应井消除自激振荡；C2 是为了改进稳压电路的暂态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C1，C2 的取值一般为 0.1F 至几个微法，两

40、电容应直接与引脚根部相连。当输出电压较大时，7805 应配上散热板。3C2U2U112C1 W7805图 4-879xx系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点与78xx系列集成稳压器相同。79xx系列集成稳压的三个引脚为：1脚为接地端，3脚为输入端，2脚为输出端。312 W79XX图 4-979xx系列集成稳压器的应用电路也很简单。下图所示为输出-5V直流电压的稳压电源电路，IC采用集成稳压器7905，输出电流较大时应配上散热板。 W7905C121U1U2C23图 4-10兰州理工大学毕业设计说明书15同时运用 78xx 和 79x

41、x 稳压器，可以组成正、负对称输出的稳压电路。下图所示为5V 稳压电源电路，IC1 采用固定正输出集成稳压器 7805，IC2采用固定负输出集成稳压器 7905，VD1、VD2 为保护二极管，用以防止正或负输入电压有一路未接入时损坏集成稳压器。231U2C4C3 W7905.3C2U2U112C1 W7805图 4-11这里我们用直流24V电源，以及供给运放的工作电压正负15V电压。7同步变压器的选择：根据整流变压器的连接组别，合理配合使用同步变压器。本次试验中使用的两种组别，整流变压器为：/Y-11,则同步变压器选择：Y/Y-12。整流变压器为：Y/Y-12，同步变压器选择为：/Y-1。 同

42、步变压器选择的原理由下节触发单元中所介绍。4.1.3 主电路的保护及元件选择与其它电子电器元件相比，晶闸管过载能力很差，也就是说它超过其额定电压、电流的能力很差。晶闸管的额定电压（即生产厂出厂所标的耐压）为击穿电压 80。在使用中，施加其上的电压哪怕是极短的时间接近或达到击穿电压，元件就要损坏。根据机械工业部和电子工业部颁布的标准，过电流能力由浪涌电流决定，如 3CT5A 晶闸管的浪涌电流为 90A。这个数值但起来似乎很大，但是不要忘记一个重要的前提：他只允许在 0.01s 的时间之内，如时间增加，允许过电流将大大减小，5s 内为 10A,5min 内为 6A。然而在使用过程中会有各种因素使元

43、件过载，如： 电源电压瞬态变化，晶闸管本身的开关作用，雷击闪电等都会出现过电压。 负载变化以至短路，如直流电动机的机床切削量过大，机械设备上卡住以兰州理工大学毕业设计说明书16及负载完全短路会出现很大的电流。 控制及触发电路或主电路失误，如你便电路逆变失败会出现过电流。 在由多个晶闸管组成的电路中，如某一元件损坏会导致其余元件过载而损坏。这样就要对晶闸管采取措施，加以保护。一、一、过流保护通常在设计晶闸管电路中采用快速熔断器、快速过流继电器和电子开关做过流保护，采用快速熔断器是常用的简单方法。快速熔断器的接法如下图所示：熔断器 RD图 4-12选择快速熔断器的原则是：a.熔断器的额定电压应大于

44、电路上正常工作电压。b.熔断器的额定电流应略大于晶闸管的额定电流。不过，熔断器的电流是有效值，而晶闸管的额定电流是平均值，两者要进行换算，对正弦波来说。1.57II=(平均)（有效）熔断器的选择：根据晶闸管得有效电流值及选择原则可知： 其中为熔断器的额定值；为晶闸管的额定值。1.57II=(平均)（有效）I(平均)I（有效）则=1.57120=188.4200AI(平均)因为熔断器的额定电压应大于电路上的正常工作电压，所以应选 RSL3 系列的熔断器额定电压取 750V，额定电流取 200A 其中 R 表示熔断器；S 表快速；L 表为螺旋型。二、二、过压保护a.与晶闸管并联的阻容吸收回路在晶闸

45、管阴阳极之间经常会产生过电压，例如，在某些存在电感电路中，当晶闸管由导通到截止时，特别是加反向电压使其迅速截止时，电流变化很大，即di/dt 数值很大，因而在电感 L 上的感应电动势 Ldi/dt 将会很大，其值可达工作电兰州理工大学毕业设计说明书17压降值的几倍。这个由关断产生的过电压，如不拟制就会使晶闸管击穿。所以通常在晶闸管的阴阳极之间并联一阻容吸收回路，因为电容两端的电压不能突变，所以它能吸收晶闸管两端瞬时的过电压。电阻 R 的作用是：当晶闸管再次导通时，C 通过 R 和晶闸管放电，起到限制放电电流的作用。另外，R 还可以拟制回路可能出现的振荡。R 和 C 的数值可由下表选出：晶闸管容

46、量（A）5102050100200C()fm0.050.10.150.20.250.5R()W10010080402010换相过压吸收器的选择：C1C6：根据上表可看出，可选 0.5fmR1R6：可选 20，功率大于 12W。Wb.接在二次侧的阻容保护电路利用电容器吸收过电压，实际上就是把过电压的电磁能量变成静电能量存储在电容器中，而电阻是防止电容与电感产生谐振。如下图所示中，电阻、电容串接成三角形，再接到变压器次级上。这种R、C 吸收电路，电容器 C 的值与变压器的容量成正比，而与变压器次级的相电压成反比，一般取几微法，R 值与 C 成反比，一般取几十欧姆。图 4-13下图为电阻、电容串联，

47、然后结成星型，再接到变压器次级上。兰州理工大学毕业设计说明书18图 4-14阻容保护三角形联接时，电容器的电容量小但耐压要求高；阻容保护星型联接时，电容器的电容量要大，但耐压要求低、电阻值也小；通常增大C能降低作用到晶闸管上的电压：和，但过大的 C值不仅增大体积，而且使 R的功耗增diLdtdvdt大，并使晶闸管导通时的上升。增大电阻 R有利于抑制振荡，但过大的 R不仅didt使抑制振荡的作用不大，反而降低了的效果，并使 R的功率增大，所以一般diLdt希望R小一些（约5100）。二次侧阻容保护参数计算：如上节图所示，变压器二次绕组为 Y 接法和阻容保护电路为 D 连接。对此，可首先按联接的阻

48、容保护计算公式(1)和式(2)计算出 Y 接时的 RY和 CY。C () （）2026%/()iS UFmfmR （） （）2202 3/%/ %kUSUiW 式中 S 变压器每相平均计算容量，VA； U2变压器二次侧相电压有效值，V； I0%变压器励磁电流百分值，101000kVA 的变压器取 4%10%； U k%变压器的短路电压百分值，101000kVA 的变压器为 5%10%。本设计中，U2 = 250/V ， I2 = IT， 取 I0%为 8%，U k%为 8%。f 取32工频 50Hz。 =56.132A2231()2TdaIIdtpwp=22332dIpp-= 56.132A2

49、I = 视在功率为：S= U2I2 =250/56.1320.92=7453.8VA3 代入上式 =6.98722502.537453.8RW =0.1726 8%7453.82503Cfm 这里取 R 为 10，C 取 1Wfm为降低电阻的温度，电阻功率应选电阻上可消耗功率值的2倍左右。电阻R的兰州理工大学毕业设计说明书19功率近似计算为：22222122(2 3)(2) ()(1 2)(2)()RfCR CVPfK CRK CVpp11V14脚和15脚分别为正负半周对应的脉冲输出端4脚和2脚分别为14脚和15脚的反相脉冲输出端，可以根据实际需要灵活选用.所产生的脉冲宽度分别由12脚和13脚

50、外接的电容值决定，3脚和7脚为逻辑脉冲输出端，每个电源周期翻转两次.6脚为脉冲封锁端，由6脚电平控制.当=“1”时，解除封锁。当=“0”时，封锁有效，6V6V它是为系统过流、过压或进行其它控制而设立的控制端.TCA785的各脚波形见图2所示。 图4-18 TCA785原理图兰州理工大学毕业设计说明书26图 4-19 TCA785波形图4.2.3.其主要技术指标如下a直流工作电源：918V；b同步电压 ：2V(峰值应小于直流工作电源)；c移相范围：0 180 ；60a60ad输出电流不大于450mA；e脉冲均衡度为1.5 ；60af脉冲前沿小于1s；g锯齿波形幅度（VS-2）V；h最高工作频率：

51、10500Hz；i. 工作温度范围：军品 -55+125 工业品 -25+85 民品 0+70；j. 输出脉冲高、低电平幅值分别为VS和0.3V；k. 同步电压随限流电阻不同可为任意值；l. 最高工作频率：10500Hz；4.2.4 使用 TCA785 实现相控整流单相电路只需一支TCA785集成触发器三相电路则用三支TCA 785组成三相触发电路。通过输人电阻将三支TCA785的11号输入控制端接在一起，以保证各相脉兰州理工大学毕业设计说明书27冲移相的一致性，输出电压对称。实现三相桥式相控整流的一般方法是利用三相同步变压器从电源进线端引入三路同步信号，这样，将同步信号整形后分别输到三片TC

52、A785（编号为A、B、C）的5脚，就能控制6只晶闸管，然后通过引脚复用即可实现双窄脉冲方式驱动。双窄脉冲方式由于驱动脉宽窄，因而可以有效地减小驱动用脉冲变压器的体积，防止磁芯饱和。该方法的主电路及同步变压器如图3 所示，三片TCA785 芯片的引脚与所控制的晶闸管的对应关系如表1 所列。晶闸管通过一个 / Y 型同步变压器为TCA785 提供同步信号，当进线相序（如图2 所示）为正序A、B、C 时，同步变压器的三个输出端所对应的中性点的实际电压向量为AC、BA、CB，将AC 接至TCA785（A），BA 接至TCA785（B），CB 接至TCA785（C），即可实现正序输入时晶闸管的同步驱动

53、。现以T5 T1 换流为例进行分析：T5 至T1 管自然换流点滞后于A 相由负到正过零点30度，即TCA785（A）的15 脚输出至少应该滞后于该过零点30度，而电压AC 由负到正过零点正好滞后于A 相30度，因而用AC 作为TCA785（A）的同步信号就可以实现最大范围的移相控制。其它晶闸管的分析与此类似，即用相应的线电压代替相电压作为同步信号。图4 所示是一个周期的驱动时序。从A 相的自然换流点开始，上、下桥臂晶闸管驱动顺序分别为：1133551 和6224466。图 4-20 相控整流部分电路图上所示电路图的同步信号输入是由整流变压器二次侧给出，“*”为其同名端。下图为接入同步信号后，整

54、流桥正常工作时的时序图。兰州理工大学毕业设计说明书28图 4-21 正序输入时整流桥正常工作时序图 三片TCA785 引脚及其对应的晶闸管TCA785引脚晶闸管晶闸管785（A）15脚T1T6785（C）14脚T2T1785（B）15脚T3T2785（A）14脚T4T3785（C）15脚T5T4785（B）14脚T6T5兰州理工大学毕业设计说明书294.2.5 同步变压器 a)a)变压器基础知识： 把绕组的出线端分成首短或为段，并标上字母的这种标志方法有两种标法：一种办法是把变压器原、副绕组的同极性端标为首端，如下图(a)和(d)所示；另一种办法是原、副绕组不同极性端标为首端，如下图的(b)和

55、(c)。但是，不论采用哪种标法，在研究就两个绕组感应电势的相位问题时，规定采用尾端指向首端的电压为正。图 4-22b)b)同步变压器的用途：TCA785需要检测三相交流电压的相位以实现同步触发，同步变压器就是用于检测交流电压过零点。具体工作原理前节已叙述过。c)同步变压器的连接组别选择：在下图的接法里，是把原、副边同极性端作为首端。现在我们要研究一台变压器，由于原副边有不同的连接方法，他们原副边对应的线电势之间有什么样的相位关系。解决这个问题还得回到研究变压器原、副边相电势的相对相位关系上，同一相原、副边的两个绕组，首端是同极性端，它们的电势应相同，否则相位应相反。在如图下的标法中，EA，EB

56、，EC分别应和Ea,Eb,Ec同相位。用钟表法表示，例如：把高压边线电势用EAB作为分针指向钟面上的12；低压边的线电势，这是必须用对应的线电势作为时针，看Eab在钟面上的指向是什么。这种情况，Eab也是指向12，因此，我们把这种接法叫做Y/Y-0连接组。这里还有其他连接组别，如果高压侧的三相标号A、B、C保持不变，把低压侧兰州理工大学毕业设计说明书30的三相标号a、b、c顺序改标为c、a、b，则低压侧的各线电压向量将分别转过120，相当于短针转过4个钟头；若改标为b、c、a，则相当于短针转过8个钟点。因60a而对Y-Y连接而言，可得0、4、8、6、10、2等六个偶数组号，对Y-D连接而言，可

57、得11、3、7、5、9、1等六个奇数组号；总共可得12个组号。图 4-23同步变压器的连接组别为Y-Y/10（如下图），因为整流变压器为-Y11连接时，变压器输出电压滞后于进线电压30 ，输出分别为A、B、C相。而同步60a变压器输出的电压应滞后整流变压器输出电压30 ，输出实际电压向量为60aAC、BA、CB现以下T5-T1换流为例进行分析，T5至T1管自然换流点滞后于AC电压相由负到正过零点30 ，即TCA785的15 脚输出至少应该滞后于该过零点30 。而60a60a电压A由负到正过零点正好滞后于AC电压相30 。因而用A作为TCA785的同步60a信号就可以实现最大范围的移相控制。同步

58、变压器所出电压A、B、C分别接至TCA785（A）、TCA785（B）、TCA785（C）。T1T2T0T3T1F2L11F3F4L12L13同步变压器接法图 4-24同步变压器的输入电压由整流变压器二次侧提供，经过合适的变比，输出给TCA785的5脚。兰州理工大学毕业设计说明书314.2.6 TCA785 的电路连接说明TCA785的电路连接图如下图所示B10R73R72Rp21VD24C26VD23C24R70+15VRp20R71C25C23C22+15V1216113659TCA785111415图 4-25从同步变压器过来的信号都是正弦信号，由于TCA785时利用检测过零点的原理来实

59、现同步的，因此，如果正弦波的幅值过小，那么，就不能提供清晰的过零点，同时，电磁干扰也可能导致过零点检测错误，但是，正弦波的幅值过大又会超过芯片的同步电压输入范围，所以应当将同步信号正形成方波，具体接法如上所示，电路主要是通过电阻实现限流分压的，并利用D1、D2反并限幅（管压降为V左右）连接在地和管脚5上将一正弦波变为方波。本电源中，同步变压器的变比为3.3：1，副边电压为75V，副边电压之所以选得较高，是因为正弦波幅值越高，过零点处的斜率越大，二极管导通越迅速，输出越接近理想方波。但滤波电容C26不可过大，否则会引起同步信号相位的偏移。5脚接滑动变阻是为了将同步变压器输出的电压调整为合适使用的

60、电压。9脚滑动变阻可以调整10脚输出三角波的幅值。6脚接+15V电压表明封锁脚已经不起作用了，不能封锁该芯片。其他管脚全部不用，全部开路。同步变压器输出的同步信号从B口进入TCA785，14和15脚输出触发脉冲。兰州理工大学毕业设计说明书324.2.7 元器件选择 根据芯片要求和工程经验，器件选择如下： 电容器： C22选电容值为0.1F,额定电压为63V, 型号为CT4; C23选电容值为100F, 额定电压为50V, 型号为CD; C24选电容值为1000pF, 额定电压为25V, 型号为CC4; C25选电容值为0.047F, 额定电压为63V, 型号为CT4; CD 表铝电解电容器；C