电力机车可控直流电源课程设计

第1页共16页一.电力机车可控直流电源设计二.设计的目的本课程设计的任务是培养学生综合运用《电力电子学》、《模拟电子技术》和《电机学》所学知识分析、解决工程或科研实际问题的能力。其目的是巩固学生所学知识的同时，提高学生的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作用。在规定时间内通过分析任务书、查阅收集资料，充分发挥主动性与创造性，在老师的指导下联系实际、掌握正确的方法，理清思路，独立完成课程设计，撰写设计说明书，其格式和字数应符合规定。根据要求设计出实际可行的电路，并计算电路中所用元器件的参数，确定其规格型号；课程设计说明书要求整洁、完备、内容正确、概念清楚、文字通畅，并绘制出相应的电路图，符合规范。三.设计的任务及要求电力机车不可逆调速系统的可控直流电源设计A原始数据：P=10kW，Ued=220V，Ied=55A，n=1500r/min，Ra=0.5Ω，LM=3mH，λ=1.5。B设计内容及要求：a)设计整流电路主电路。b)设计变压器参数：U1，I1，U2，I2。要求考虑最小控制角αmin、电网电压波动、晶闸管管压降和变压器漏抗等因素计算变压器二次相电压值，附主要计算步骤。c)整流元件参数的计算及选择：依据参数计算，正确选择器件型号，并附主要参数。d)触发电路设计及主要参数的计算，同步电压的选择。e)设计保护电路：正确选择电压、过流保护电路，简要说明选择依据；计算保护元件参数并选择保护元件型号。第2页共16页f)电抗器的参数设计三.具体的计算和选择过程〈一〉.主电路的选择根据实验要求的原始数据，直流电机的功率KWKWP510，属于较大功率的电机，同时此电机为直流电机，并且需要叫平稳恒定的速度，因此需要驱动电路提供叫平稳的电压和电流，而且在作为电力机车的驱动电机其需要较大的调速范围，综合分析以上因素，所以选用驱动功率大，输出电压脉动较小，而且电压调节范围较大的三相桥式全控整流电路。〈二〉.整流变压器的设计及计算①变压器二次侧相电压有效值2U的计算在不考虑最小控制角，电网电压波动，晶闸管管压降和变压器漏感等因素的理想情况时，直流端输出电压dU为：cos34.2)(sin63122323UwtwtdUUd（60）所以cos34.22dUU②然而，当考虑到最小控制角，电网电压波动，晶闸管管压降和变压器漏感等因素的理想情况时，dU的表达式应该为：VTbedUUUKKKKU)(321020K——系数，0K=34.21=0.4274第3页共16页1K——电网波动系数，一般取1K=1.122K——与最小导通角min有关的系数2K=mincos1为了在额定负载下仍然能进行电压调节，不能按控制角min=0进行计算，一般规定不可逆min＝1510，此主电路中min取15。3K——为考虑其他因素影响的安全系数，3K取1．1—1．2，当桥臂上串联的元件数较多时，可取大数值，由于主电路的桥臂上串联的元件较少，故取3K=1.1。edU——整流器额定输出电压。相当于额定电流时负载的电压。VTU——晶闸管导通时的管压降，一般取VTU=1V。bU——变压器漏感而产生的压降，其计算方法为：dBbIXU3dI为整流器输出端的电流，BX为变压器的漏抗，一般按BX=0.3。根据以上分析与公式，将电机原始数据代人以上公式得：VTbedUUUKKKKU)(32102=2)553.032220(1.115cos12.14274.0=122.926V③变压器二次侧相电流有效值的计算。因为整流器的负载输出端串联有电抗器，一次变压器的二次侧电第4页共16页流可视为大小不变的电流，因此其有效值为：ddddIIII816.032)3232(21I222因为AIIded55故：AI8.84455816.02④变压器一次侧相电流有效值的计算因为在①中，已将变压器二次侧相电压有效值2U计算出来故可计算出变压器的变比K假设采用的变压器为-Y连接，一次侧为接，二次侧为Y接。K=21NN=380/122.926=3.09133因此，一次侧电流的有效值2121INNI=I2/k=A15综上所述：变压器的主要参数1U2U1I2Ik为1U2U1I2Ik380V122.926V15A44.88A3〈三〉.晶闸管的选择①额定电流的计算因为本驱动电流的主电路应用的是三相桥全控整流电路，因此晶闸管的电流的有效值与直流端的输出电流的关系为2121INNI第5页共16页=31.735因此可求出晶闸管的额定电流dVTAVVTIII368.057.1)(=20.213考虑到晶闸管的过载能力差，在选择晶闸管的额定电流时，取实际需要的1.5—2倍，使之有一定的安全裕量，保证晶闸管的可靠运行。因此晶闸管的额定电流计算公式为：dVTAVVTIII368.0)25.1(57.1)25.1()(所以在此主电路中晶闸管的额定电流为：AIIIdVTAVVT27.4402.330368.0257.1)25.1()(②额定电压的计算由三相桥全控整流电路的特点得出晶闸管在电路中所可能承受的最大正反向电压为：26UUTm所以元件正反向重复峰值电压必须满足：26UKUbDRM26UKUbRRM式中bK考虑电网的波动、过压等的安全因素，一般取bK=2—3。在380V的整流电路中，bK取2.2。所以根据以上晶闸管额定电压的分析其额定电压为：33.4662122.92662.262UKUbN691.3175V③晶闸管的选择极其主要参数ddVTIII577.031第6页共16页AIIIdVTAVVT8.440368.0257.12)(122.92662.262UKUbN662.433V故晶闸管选用KP系列的50KP晶闸管，其主要参数为额定电流NI50A额定电压NU100-2400V触发电流TMI150mA〈四〉.触发电路的设计①.触发电路的选择：相比于分立元件的触发电路，集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术达的提高，晶闸管触发电路的集成化已经逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。TC787是为移相触发集成电路而设计的单片集成电路。与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ系列器件组合才能具有的三相移相功能。另外，TC787分别具有A型和B型器件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择(工频时选A型器件，中频100～400Hz时选B型器件)。考虑到以上因素，所以触发设计用TC787为基础的触发电路。第7页共16页②.触发电路芯片的介绍：(1)同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。(2)脉冲输出端：TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时（此实验中将TC787设置为全控双脉冲工作方式），引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。(3)控制端①引脚4(Vr)：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，第8页共16页其电压幅值最大为TC787的工作电源电压DDV（8—18V或V95），在此触发电路中DDV取15V，为单电源工作方式。②引脚5(Pi)：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。③引脚6(Pc)：TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。④引脚13(Cx)：该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。⑤引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca)：对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。(4)电源端TC787可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地，而引脚17(VDD)允许施加的电压为8～18V。③.触发电路的设计及其参数的计算：第9页共16页如触发电路的电路图所示：图中电容C1～C3为隔直耦合电容，而C4～C6为滤波电容，它与R1-R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。同时，RP1-RP3三个电位器的不同调节，可实现0～60°的移相，它们与cbaCCC,,共同起到移相的作用，从而适应不同变压器的要求,所以取KRPRPRP20321FCCC10321FCCC1654在TC787的同步电压输入端支路中，两个R起稳定电压的作用，同时不可以有太大的电流：故取kR20此时通过其电流为mARVIDD375.02电流足够小，故不会影响总电路的电压电流。第10页共16页因为在同步信号为50HZ时，电容cbaCCC，,采用0.15μF电容时，相对误差小于5%，以锯齿波线性好，幅度大，不平顶。所以去F15.0cbaCCC电容xC决定调制脉冲或输出方波的宽度，用0.01F的电容，脉冲宽度为1mS.其脉冲宽度为比较良好的脉冲宽度，故xC取0.01FxC=0.01F④同步电压的选择：由上述TC787的介绍中TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端等说明中可知，TC787输入的主电路的电压cbauuu,,与同步电压scsbsauuu之间的相位关系是可调的，调节321,,RPRPRP的大小就可以调节其相位关系，以便于适应各种组别变压器的使用。在此触发电路同步电压选择时，将调节321,,RPRPRP取消其对主电路电压的移相最用，即saauu与的相位是同相的。由此可得出同步变压器的矢量图如下：第11页共16页由矢量图可知，触发电路的变压器的组别与主电路的变压器的组别是相同的，即触发电路变压器的组别与主电路变压器的组别相同，假设在此主电路中所用的变压器组别为D,y-11,则触发电路变压器的组别为D,y-11,5。而且当触发电路受外界干扰使各相同步电压不同步时，可以调节321,,RPRPRP调节相位关系从而使同步电压保持同步。〈五〉.设计保护电路电力电子器件以及主电路的保护大致分为两种：过流保护和过压保护。1.过流保护①过流保护电路的选择电力电子电路运行不正常或发生故障时，可能发生过电流，其中采用快速熔断器是一种是一种常用的措施，其快速性与有效性都可以满足对电子线路保护的要求。快速熔断器的保护方式可以分为全保护和短路保护。全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护。此方式只适用于小功率装置或器件裕量较大的场合。短路保护方式是指只在短路电流较大的区域起保护的作用。为了安全可靠的保护电子线路，故此过流保护电路选择全保护方式。ABUabUsaUaUsabU第12页共16页其电路图如下：②过流保护电流参数的计算除了与普通熔断器一样要