电力电子 成品.docx
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电力电子成品
课程设计说明书
题目直流电机开环调速系统设计
(院)系电气信息学院
专业自动化班级学号
学生姓名
指导老师姓名
完成日期
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称:
电力电子技术
题目:
直流电机开环调速系统设计(晶闸管整流)
专业班级:
学生姓名:
学号:
指导老师:
审批:
任务书下达日期2012年12月24日
设计完成日期2013年01月04日
设计内容与设计要求
一.设计内容:
1.电路功能:
1)用晶闸管缺角整流实现直流调压,控制直流电动机的转速。
2)电路由主电路与控制电路组成,主电路主要环节:
整流电路及保护电路。
控制电路主要环节:
触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。
3)主电路电力电子开关器件采用晶闸管。
4)系统具有完善的保护
2.系统总体方案确定
3.主电路设计与分析
1)确定主电路方案
2)主电路元器件的计算及选型
3)主电路保护环节设计
4.控制电路设计与分析
1)检测电路设计
2)功能单元电路设计
3)触发电路设计
4)控制电路参数确定
二.设计要求:
1.设计思路清晰,给出整体设计框图;
2.单元电路设计,给出具体设计思路和电路;
3.分析所有单元电路与总电路的工作原理,并给出必要的波形分析。
4.绘制总电路图
5.写出设计报告;
主要设计条件
1.设计依据主要参数
1)输入输出电压:
(AC)220(1+15%)、DC:
0~230V可调。
2)最大输出电压、电流根据电机功率予以选择
3)要求电机能实现单向无级调速。
4)电机型号布置任务时给定
2.可提供实验
说明书格式
1.课程设计封面;
2.任务书;
3.说明书目录;
4.设计总体思路,基本原理和框图(总电路图);
5.单元电路设计(各单元电路图);
6.故障分析与电路改进、实验及仿真等。
7.总结与体会;
8.附录(完整的总电路图);
9.参考文献;
10.课程设计成绩评分表
进度安排
第一周星期一:
课题内容介绍和查找资料;
星期二:
总体电路方案确定
星期三:
主电路设计
星期四:
控制电路设计
星期五:
控制电路设计;
第二周星期一:
控制电路设计
星期二:
电路原理及波形分析、实验调试及仿真等
星期四~五:
写设计报告,打印相关图纸;
星期五下午:
答辩及资料整理
参考文献
1.石玉栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社,1998
2.王兆安黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000
3.浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000
4.莫正康.电力电子技术应用(第3版).机械工业出版社,2000
5.郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996
6.刘定建,朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社,1996
7.刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
8.刘星平.电力电子技术实验指导书.校内,2007.
目录
第1章概述6
第2章总体方案7
2.1总体方案设计7
2.2系统原理框图8
第3章主电路设计9
3.1主电路设计思路9
3.2主电路图10
3.3各单元电路设计10
3.4主电路元件计算及器件选择12
第4章控制电路设计13
4.1控制电路设计思路13
4.2控制电路图13
4.3各单元电路设计14
第5章硬件调试16
第6章总结19
参考文献20
第1章概述
电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术,电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用,因此,电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的,一般认为,电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的,晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件,属于半控型器件,对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式,简称相控方式。
晶闸管是晶体闸流管的简称,又称作可控硅整流器SCR,以前被简称为可控硅。
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种,它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。
整流电路的应用十分广泛,例如直流电动机、电镀、电解电源等。
三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的一种整流电路,电路有6个晶闸管,分为共阳极组和共阴极组,习惯上晶闸管是从1到6的顺序导通,每个时刻均需两个晶闸管同时导通,六个晶闸管的脉冲相位依次差60度,整流输出电压一周期脉动六次,每次脉动的波形一样,故称为六脉波整流电路。
直流电机控制系统开环调速系统电路分为主电路和控制电路两大部分,主电路包括整流电路及保护电路,控制电路包括触发电路、驱动电路及检测与故障保护电路等。
利用触发电路调节晶闸管整流电路中触发延迟角α的大小来调整直流电机两端的直流电压大小,进而改变电机的转速。
第2章总体方案确定
2.1总体方案设计
直流电机调速系统由两大部分组成,主电路和控制电路,主电路主要环节:
整流电路及保护电路,控制电路主要环节:
触发电路、驱动电路、检测与故障保护电路。
直流电动机可以有三种调速方法,电枢电路串电阻调速、弱磁调速和降低电枢电压调速。
该课程设计要求是单向无极调速,即单方向转速是连续可调的,故只能采用减压调速的方法进行设计。
直流电动机的工作电压不能大于额定电压,因此只能向小与额定电压的方向改变,降压调速需要有专用的可调直流电源,所以采用三相桥式全控整流电路将电网电压转换为大小可变的直流电压,供给电动机工作。
晶闸管串联一般存在电压分配不均的问题,可以用RC并联支路作动态均压,电力电子电路中需要采用合适的过电压、过电流保护电路,采用RC电路进行过电压保护,利用快速熔断器进行过电流保护,交流变换为直流之后难免存在电压小幅度波动问题,设计利用大电容滤波稳压。
控制电路利用集成触发器作触发电路,只需要3片KJ004和1片KJ041芯片即可形成六路双脉冲。
驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离,这里采用光隔离,一般采用光耦合器。
2.2系统原理框图
如图2.1所示:
图2.1系统框图
第3章主电路设计
3.1主电路设计思路
主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电及短路保护。
采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电,通过移相触发,改变直流电动机电枢电压,实现直流电动机的速度调节。
触发电路采用集成触发电路,脉冲送给六个晶闸管。
电网送电给主电路之前应进行一系列保护措施,三相输入端串快速熔断器FUSE防止过载电流突变或短路造成的危害,利用RC电路或压敏电阻进行外因过电压和内因过电压保护。
目前整流电路的应用十分广泛,最为广泛的是三相桥式全控整流电路,电路利用六个晶闸管和足够大电感将三相交流电转换为直流电供给发动机使用的,它可以通过调节触发电路的控制电压来确定触发角的大小,进而改变直流侧电压和电流大小。
整流电路在接入电网时变压器一次侧电压是380v,一般大于负载的额定电压,采用降压变压器,为得到零线,变压器二次侧必须接成y形,而一次侧采用三角形连接以避免三次谐波流入电网对电源产生干扰。
3.2主电路图
图3.1主电路原理图
3.3各单元电路设计
3.3.1过压保护电路
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。
由分闸、合闸等开关操作一起的过电压和由雷击引起的过电压叫做外因过电压。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程,包括换相过电压和关断过电压,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立刻恢复阻断能力,因而有较大的反向电流流过,使残存的载流子恢复,而当恢复了阻断能力时,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之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生或电压叫做换相过电压。
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由线路电感在器件两端感应出的过电压叫做关断过电压。
具体的图形如图3.2所示:
图3.2RC过电压抑制电路
3.3.2过电流保护电路
过电流分过载和短路两种情况,采用快速熔断器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。
此设计利用快熔进行电路全保护,如图3.3所示:
图3.3过电流保护措施
3.3.3滤波电路
电容滤波电路利用电容充、放电作用,使输出电压趋于平滑,滤波电路好坏取决于电容充放电常数,电容C愈大,电阻R愈大,充放电时间愈长,那么电压趋于一恒定值,其电路图如图3.4所示:
图3.4滤波电路图
3.4主电路元件计算及器件选择
选取直流电动机型号为Z2-32,Pn=2.2KW,Un=220V,In=12.35A,Nn=1500r/min,给定输入输出电压:
AC220V(+-15%波动),DC0-230V可调
3.4.1变压器的设计
Ud=2.34U2cosα,假设α=0,其中Ud=220V,U2是变压器二次侧相电压,则U2min=220/2.34=94V,U2存在15%的波动,U2=94/0.85=110V,二次电流I2=(1.414/1.732)Id=0.816Id,其中Id=In=12.35A,I2=0.816*12.35=10A
于是S2=3U2I2=3*94*10=3KVA
三相桥式整流电路有S1=S2,一次电流I1=U2I2/U1=94*10/380=2.5A
3.4.2晶闸管的设计
晶闸管电流的有效值Ivt=(1/1.732)Id=1/1.732*12.35=7.2A,晶闸管的额定电流Ivt(av)=Ivt/1.57=4.6A,考虑安全裕量1.5-2倍,选取额定电流值为10A的晶闸管。
由于负载电流连续,晶闸管承受的最大反向电压为根号6倍的U2即2.45*94=230.3V,考虑安全裕量2-3倍,晶闸管的额定电压为470V。
3.4.3滤波电容的设计
该系统负载不大,取C=2200uf,耐压1.5倍的晶闸管的额定电压即705V。
第4章控制电路设计
4.1控制电路设计思路
控制电路包括:
触发电路,驱动电路,保护电路。
触发电路采用集成触发器,是整个控制电路的核心,它的作用是产生晶闸管的触发脉冲,同时通过控制触发角的大小来调节电动机两端的电压电流大小,进而达到调速的效果。
驱动电路主要作用是放大触发脉冲来驱动晶闸管的导通,进行主电路和控制电路的电气隔离。
4.2控制电路图
图4.1控制触发电路原理图
4.3各单元电路设计
4.3.1触发电路
集成触发电路可靠性高、技术性能好、体积小、功耗低、调试方便,诸多优点已经使晶闸管触发电路逐步取代分立式电路,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节,只需要用三个KJ004集成块和一个KJ041集成块,即可形成六路双脉冲,再由六个晶体管进行脉冲放大,即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。
触发电路图如图4.1所示,KJ004集成块1引脚输出正脉冲,15引脚输出负脉冲,相位相差180度,正好形成三相桥式整流电路的同一相上下的上下两个桥臂,Uco叫做控制电压,调节触发角α大小,Up叫做偏移电压,目的是为了确定控制电压等于0时脉冲的初始相位,Usa、Usb、Usc叫做变压器同步电压,KJ041集成块引脚1-6为六路单脉冲输入,引脚10-15为六路双脉冲输出,接至整流电路的六个晶闸管控制端,驱动主电路工作。
触发电路是调速系统的核心内容,脉冲的好坏直接影响调速的连续性,要实现开环无极调速,即转速单方向连续可调,触发电路一定要正确。
4.3.2驱动电路
电力电子系统是由主电路和控制电路组成的,主电路的电压和电流一般都较大,而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流,因此在主电路和控制电路连接的路径上,如驱动与主电路的连接处,或者驱动电路与控制信号的连接处,以及主电路和检测电路的连接处,一般要进行电气隔离,而通过其他手段如光、磁等来传递信号。
此次设计利用驱动电路提供了主电路与控制电路之间的电气隔离,利用光耦合器进行光隔离。
电路图如图4.2所示:
图4.2光耦合器
4.3.3电压电流检测单元
课程设计的课题为直流电机控制系统开环调速系统,无反馈环节的设计,只有给定的输入电压电流信号,没有反馈的。
调节给定输入信号可使触发器的脉冲控制角及整流电压改变即电枢电压改变,n=(U-Ia*R)/Ce*Φ,相应改变电动机转速。
负载两端的电压电流分别通过电压表电流表测得。
第5章硬件调试
负载为选定电机,采用三相桥式全控整流电路将电网的交流电转换为直流电供给电机,实验室操作面板上有触发电路模块,按钮打到双窄脉冲,提供给六个晶闸管,示波器两端接在U相和脉冲观察孔,调节Uco电压大小来调节α角的大小,电压表并联在负载两端,测量直流电压大小,电流表串联在电路中测量电流大小,负载是直流电机,试验台上有电机,电枢绕组一端接vt5阴极,一端接vt2阳极,励磁电源接交流220V,同步电源分别接到u、v、w各相,根据公式Ud=2.34U2cosα(α<=60),Ud=2.34U2[1+cos(π/3+α)],将控制电压旋钮旋转到底,调节示波器使双窄脉冲与U相电压夹角为80到100度之间某值,旋转偏移电压旋钮使电压表示数为0,调节控制电压电位器旋钮,使α角从90°到0°逐渐减小,电动机旋转速度逐步加快,记录相关数据及波形如下
同轴电机带负载运行改变负载时记录的相关数据
实验数据1:
α=0°
n(rpm)
1200
1170
1150
1130
1110
1100
1100
Id(A)
0.40
0.50
0.55
0.61
0.67
0.70
0.77
Ud(V)
215
214
213
211
210
209
208
Uct(V)
3.42
3.42
3.42
3.42
3.42
3.42
3.42
同轴电机带负载运行固定负载时记录的相关数据
实验数据2:
电阻900欧姆,U2=200V
α(度)
Ud(V)
Id(A)
Uco(V)
0
258
0.46
9.83
30
224
0.41
3.82
60
66
0.20
0.88
90
0
0
0
ud的波形,α=0°
ud的波形,α=30°
ud的波形,α=60°
ud的波形,α=90°
第6章总结
就像上两周的数电课程设计一样,电力电子课程设计,综合运用所学的电力电子技术和电机及电力拖动课程的相关知识,从理论到实践的整个过程,提出问题、发现问题、分析问题、解决问题,电力电子方面所学知识的深入理解得到了有效锻炼。
根据任务书布置的设计任务和要求,在老师深入浅出的仔细讲解下,老师分组提供不同型号的直流电动机,电动机参数不同相应计算得到的电路元器件参数相应会不同,动态检测了我们对设计电路真实理解程度。
电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电力变换分为四大类,其中整流(交流变直流)应用比较广泛,此次设计的核心是晶闸管整流和如何通过触发脉冲调节直流侧电压大小,触发电路产生脉冲送给晶闸管,晶闸管开始工作,将电网的交流电变成适合电动机工作的稳定直流电,调整触发电路的脉冲,晶闸管触发角相应改变,直流侧电压改变从而电动机可以实现单向无极调速,达到设计的目的。
开始接到任务书时,很是好奇会是怎样的一个系统设计,后来明白这次课程设计主要是为了了解电力电子技术在现实中是怎样应用的,具体内容都是曾经做过的实验的相应模块的整合,加了一些过压过流的保护模块,所以整体难度不大。
整体电路设计容易完成,相应的控制电路都有模块这要是了解其具体作用方式。
对我们大部分同学而言主要是仿真这部分因为我们都没学习过电力电子技术必要的仿真软件matlab所以长时间都在摸索软件的使用,把经过组员确认正确的总电路图在仿真软件中多次进行了测试和更改以期得到相应波形图和相关数据。
总之,整个过程的学习是很有益处的,碰到问题解决问题,理论的理想化和现实所遇问题(包括参数具体设置和其它未被考虑因素的影响)的解决,电力电子技术教材书的内容很精简,但其包括的知识确是非常多的几乎囊括当前电力电子技术方面的所有领域,所以要真正学好它我们需要看的书、需要的实践还远远不够,接下得抓紧学习,认真向老师请教,此次课程设计非常感谢各位老师的耐心指导。
参考文献
1.石玉栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社,1998
2.王兆安黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000
3.浣喜明姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000
4.莫正康.电力电子技术应用(第3版).机械工业出版社,2000
5.郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996
6.刘定建,朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社,1996
7.刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995
8.刘星平.电力电子技术实验指导书.校内,2007.
9.周定颐李光中.电机及电力拖动(第3版).机械工业出版社,2007
电气信息学院课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性(10%)
硬件设计及调试情况(20%)
参数计算及设备选型情况*(10%)
设计说明书质量(20%)
答辩情况(10%)
完成任务情况(10%)
独立工作能力(10%)
出勤情况(10%)
综合评分
指导教师签名:
日期:
注:
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容;
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序:
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非16K大小的图纸及程序清单)。
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- 电力电子 成品 电力 电子