昆明理工自动化实训报告-供参考

1、直流调速系统制作课程设计 学校： 昆明理工大学 学院： 信息工程与自动化学院 班级： 姓名： 学号： 指导教师：殷传荣摘要 直流调速系统是自动调速系统的主要形式, 它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性。电力电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调

2、速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。 本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,目录TOC o 1-3 h

3、u HYPERLINK l _Toc434 摘要 PAGEREF _Toc434 2 HYPERLINK l _Toc2169 一、直流电机的调速 PAGEREF _Toc2169 4 HYPERLINK l _Toc21328 1、直流调速的方法 PAGEREF _Toc21328 4 HYPERLINK l _Toc26102 2、调速方法 PAGEREF _Toc26102 4 HYPERLINK l _Toc25204 二、 三相桥式全控整流电路设计 PAGEREF _Toc25204 5 HYPERLINK l _Toc26074 1、原理及方案 PAGEREF _Toc26074

4、5 HYPERLINK l _Toc28278 2 主电路的设计与原理说明 PAGEREF _Toc28278 6 HYPERLINK l _Toc25576 2.1 主电路图的确定 PAGEREF _Toc25576 6 HYPERLINK l _Toc16049 2.2 主电路原理说明 PAGEREF _Toc16049 7 HYPERLINK l _Toc552 3 触发电路的设计 PAGEREF _Toc552 12 HYPERLINK l _Toc27838 3.1 电路图的选择 PAGEREF _Toc27838 12 HYPERLINK l _Toc15545 3.2 触发电路原

5、理说明 PAGEREF _Toc15545 14 HYPERLINK l _Toc20868 3.3 触发电路的定相 PAGEREF _Toc20868 16 HYPERLINK l _Toc10527 4 保护电路的设计 PAGEREF _Toc10527 19 HYPERLINK l _Toc13253 4.1 过电流保护 PAGEREF _Toc13253 19 HYPERLINK l _Toc9507 五、 心得体会 PAGEREF _Toc9507 20 HYPERLINK l _Toc3084 参考文献 PAGEREF _Toc3084 21一、直流电机的调速1、直流调速的方法根据

6、直流电机转速方程： （11）式中 n 转速（r/min）； U 电枢电压（V）； I d 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（ W ）； 励磁磁通（Wb）； Ce 由电机结构决定的电动势常数。2、调速方法对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。因此需要可调的直流电源。三相桥式全控整流电路设计1、原理及方案三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主

7、电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。结构框图如图1-1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。框图中没有表明保护电路。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导

8、通工作，经过整流后的直流电通给直流电动机，使之工作。电源三相桥式全控整流电路直流电动机同步电路集成触发器触发信号触发模块图1-1 三相桥式全控整流电路结构图2 主电路的设计与原理说明2.1 主电路图的确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，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与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VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此

9、编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。其原理如图1所示。图1 整流电动机正反转调速电路2.2 主电路原理说明整流电路的负载为带电阻性负载。晶闸管触发角=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2所示。图2三相全控桥整流电路a=0时的波形=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换

10、相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，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 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1ud2是两条包络线间的差值，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最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个

11、，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。表1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0o时晶闸管工作情况时 段共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb图3给出了=30o时的波形。从t

12、1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图3三相全控桥整流电路a=30时的波形图4三相全控桥整流电路a=60时的波形由以上分析可见，当60o时，ud波形均连续当60o时，如90o时电阻负载情况下的工作波形如图5所示，ud波形就不再连续。若继续增大到120o时，Ud=0，因此三相桥式全控整流电路带电阻性负载时的移相范围是120o。图5三相全控桥整流电路a=90时的波

13、形 3 触发电路的设计3.1 电路图的选择 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，

14、为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前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，称为双脉冲触发。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饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲触发。图6 双脉冲触发电路根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断

15、续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，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60o，脉宽一般为20o 30o，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图6所示。3.2 触发电路原理说明 如图5所示，触发电压的形成用KJ004芯片完成。KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改

16、变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。KJ004芯片内部结构如图6所示。图7 KJ004芯片内部结构图双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。如图7所示，KJ041的1-6脚管为单脉冲信号输入。把单脉冲信号由10-15脚管两两同

17、时输出形成双脉冲信号，10-15脚管两两同时输出对应输送给VT6-VT1晶闸管。 （1）假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号，则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号，即只有15脚管和14脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，则此时VT1和VT2同时导通；（2）再过60度后，15脚管停止输出信号，而13脚管开始给VT3输出信号，即只有14脚管和13脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，此时VT2和VT3同时导通；（3）再过60度后，14脚管停止输出信号，而12脚管开始给VT4输出信号，即只有13脚管和12脚管有信号输出，其他脚管没有输出信号，此时VT3和VT4同时导通；

18、（4）再过60度后，13脚管停止输出信号，而11脚管开始给VT5输出信号，即只有12脚管和11脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通； （5）再过60度后，12脚管停止输出信号，而10脚管开始给VT6输出信号，即只有11脚管和10脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通； （6）再过60度后，11脚管停止输出信号，而15脚管开始给VT1输出信号，即只有10脚管和15脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通；3.3 触发电路的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的

19、波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。主电路电压与同步电压的关系如图7所示。对于晶闸管VT1，其阳极与交

20、流侧电压相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为+，VT1的触发脉冲从 至的范围为。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为，上升段起始的和终了的线性度不好，舍去不用，使用中间的。锯齿波的中点与同步信号位置对应。三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使的触发角为。当时为整流工作，时为逆变工作。将确定为锯齿波的中点，锯齿波向前、向后各有的移相范围。于是与同步电压的对应，也就是与同步电压的对应。对于其它五个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压。对于共阳极组的VT4、VT6和VT2，它们的阴极分别与、

21、和相连，可得简单表示它们的主电路电压分别为、和。以为分析了同步电压与主电路电压的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。图8给出了变压器接法的一种情况及相应的图8 同步变压器和整流变压器的接法及其矢量图矢量图，其中主电路整流变压器为Dy11联结，同步变压器为Dy5y11联结。这时，同步电压选取的结果如表2所示。表2 三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图8变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压同步电压为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波滞后角为时，同步电压选取结果如表3所示。表3

22、三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波波滞后）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压同步电压当变流形式不同，或整流变压器、同步变压器接法不同时，可参照上述例子确定同步电压信号。4 保护电路的设计4.1 过电流保护图9 过电流保护措施及配置位置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。过电流分过载和短路两种情况。图9给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各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，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流民快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：电等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流