单相全控桥式晶闸管电动机系统设计

目录摘要..................................................................................................................................................11系统方案设计................................................................................................................................22单相全控桥式主电路设计............................................................................................................32.1整流变压器设计................................................................................................................32.2单相桥式全控整流电路设计............................................................................................42.2.1带阻感负载时的工作情况....................................................................................52.2.2带反电动势负载时的工作情况............................................................................62.3晶闸管电路参数计算........................................................................................................72.3.1晶闸管电压定额的确定........................................................................................72.3.2晶闸管电流定额的确定........................................................................................82.4晶闸管电路对电网的影响................................................................................................82.5系统功率因数....................................................................................................................93晶闸管触发电路的设计..............................................................................................................103.1晶闸管触发电路的选型..................................................................................................103.2触发电路的定相..............................................................................................................114保护电路的设计..........................................................................................................................134.1晶闸管过电流保护电路的设计......................................................................................134.2晶闸管过电压保护电路的设计......................................................................................135总结.............................................................................................................................................15参考文献.........................................................................................................................................16附录：............................................................................................................................................17武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1摘要单向全控桥式晶闸管—电动机系统的设计，主要包括单相全控桥式主电路的设计，触发电路设计以及过电压、过电流保护电路设计。在本设计中，由于电动机是直流电动机，因此需要首先使用整流电路，将电网中的交流电转变为直流电，才能供电给直流电动机。在全控桥式电路中，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通极为重要，本设计中触发电路采用锯齿波同步触发电路，它极为适用于对触发电路要求较高的晶闸管整流电路。另外，在设计过程中考虑到电力电子电路中可能会出现一些突发情况，比如电压过大、电流过大等，特别设计保护电路对晶闸管进行过电压过电流保护，从而保证电力电子电路正常工作。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动机工作，同时，为了保护晶闸管正常工作，还围绕晶闸管设计了触发电路、过电压和过电流保护电路。关键词：单相全控桥式触发电路过电压过电流保护电路武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2单相全控桥式晶闸管—电动机系统1系统方案设计根据设计要求，单相全控桥式晶闸管带电动机负载系统设计框图如图1所示。图1系统原理框图当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。但是，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服以上缺点，一般在主电路的直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通时间。只要电感量足够大就可以使电流连续，晶闸管每次导通180°，这时整流电压Ud的波形和负载电流Id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，Ud的计算公式也一样。因此，在本设计—单相全控桥式晶闸管电动机系统中，实质上研究的是单相桥式全控整流电路带电阻—电感—反电动势负载时的工作情况。单相桥式全控整流电路交流电网整流变压器晶闸管触发电路直流电动机负载晶闸管过电压保护晶闸管过电流保护武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书32单相全控桥式主电路设计单相全控桥式主电路由整流变压器电路、单相桥式全控整流电路组成。下面将对整流变压器和单相桥式全控整流电路进行设计，并计算晶闸管电路有关参数，以及讨论晶闸管电路对电网的影响和系统功率因数2.1整流变压器设计在本设计单元中主要对满足设计要求的整流变压器二次侧电压2U和2i进行计算。通过查阅相关资料可得，整流变压器二次侧电压2U的计算公式如下：）（NshTdIIcUAnUUU22minmax2cos式中，maxdU—整流电路输出电压最大值。maxdU=NU+NaIR=220+1.5*0.2*17=225.1VTnU—主电路电流回路n个晶闸管正向压降。TnU=2*1=2Vc—线路接线方式系数。这里c=0.707shU—变压器短路比，shU=0.05~0.1，取shU=0.05NII22/—变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，取最大值，这里NII22/=1.5A—理想情况下，即0时整流电压0dU与二次侧电压2U之比，这里取A=0.9—电网波动系数，通常取=0.9综上所述，整流变压器二次侧电压2U为：武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4）（NshTdIIcUAnUUU22minmax2cos=)5.1*05.0*707.00cos9.0*9.01*217*2.0*5.1220（296V整流变压器二次侧电流2i的计算公式如下：dIIKI22这里由于是单相桥式全控电路，所以2IK=1.11所以，2I=1.11dI2.2单相桥式全控整流电路设计单相桥式全控整流电路主要利用晶闸管对电路进行控制，将交流电转换为直流电。图2单相桥式全控整流电路由于电动机是阻感负载，并且带有反电动势，故分两种情况予以讨论分析。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书52.2.1带阻感负载时的工作情况图3单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形电路如图3所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳定，di的平均值不变。2u的波形如图3所示，在2u正半周，触发角处给晶闸管1VT和4VT加触发脉冲使其开通，2uud。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流di连续且波形近似为一水平线，其波形如图3所示。2u过零变负时，由于电感的作用晶闸管1VT和4VT中仍流过电流di，并不关断。至tπ+时刻，给2VT和3VT加触发脉冲，因2VT和3VT本已承受正电压，故两管导通。2VT和3VT导通后，2u通过2VT和3VT分别向1VT和4VT施加反压使1VT和4VT关断，流过1VT和4VT的电流迅速转移到2VT和3VT上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。du波形如图3所示。其平均值为：武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6)(sin221ttdUdUcos29.0cos222UU当=0时，du=0.92u；当=90°时，du=0。晶闸管移相范围为90°单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为22U。2.2.2带反电动势负载时的工作情况当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。直流电动机工作时会产生反电动势，因此可以看作是反电动势负载。图4单相桥式全控整流电路带电动机反电动势负载图5单相桥式全控整流电路带电动机反电动势负载波形忽略主电路各部分的电感时，只有在2u瞬时值的绝对值大于反电动势即wtUdδαθwtid武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书7Eu2时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，2udu，REdudi/)(，直至Eu2，di即降至0使得晶闸管关断，此后Edu。与电阻负载相比，晶闸管提前了电角度停止导电。称为停止导电角。负