电力电子(晶闸管整流)

一、概述二、课程设计方案本次课程设计的主要内容是利用晶闸管整流来设计直流电机控制系统，主要设计内容有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、IGBT或MOSFET。（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）、控制电路参数确定设计要求有一下四点：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；主要的设计条件有：1、设计依据主要参数（1）、输入输出电压：（AC）220（1+15%）、（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、可提供实验与仿真条件三、系统电路设计1、主电路的设计（1）、主电路设计方案主电路的主要功能是实现整流，将三相交流电变为直流电。主要通过整流变压器和三相桥式全控整流来实现。整流变压器是整流设备的电源变压器。整流设备的特点是原方输入电流，而副方通过整流原件后输出直流。变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流设备而得到的。整流变压器是专供整流系统的变压器。整流变压器的功能：1.是供给整流系统适当的电压，2.是减小因整流系统造成的波形畸变对电网的污染。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，其原理图如图1所示，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，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。以下首先分析带电阻负载时的工作情况。整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60o时）的平均值为带电阻负载且α60o时，整流电压平均值为输出电流平均值为Id=Ud/R。当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电动势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。主电路图中的保护电路说明在后续章节中会介绍（2）、主电路图（3）、主电路的参数计算及器件的选型①、电动机本直流电机控制系统选用Z2-102型号电动机，其主要参数如下：额定电压VUN220额定电流AIN635额定功率KWPN125额定转速min/1500dnN②、整流变压器变压器二次侧电压：AUUd/)5.1~2.1(max2；考虑安全裕量，取1.倍的电压值，因为是三相桥式全控整流，所以A=2.34，所以VUUd03.14034.2/220*5.134.2/5.1max2变压器二次侧电流：由三相桥式全控整流电路知识及考虑安全裕量有AIIN0.570635*816.0*1.1816.0*1.12变压器的容量：KWIUS5.2390.570*03.140*3322变压器的变比：57.103.140/220/21UUk则变压器一次侧电流：AkII0.36357.1/0.570/21③、晶闸管晶闸管元件在电路中实际承受的最大电压为07.34003.140*45.262UUTmV考虑安全裕量，所以晶闸管的额定电压为VUUTmTN4.6817.340*22晶闸管元件在电路中实际承受的最大电流为AIITm6.209)57.1*414.1/(573)57.1*3/(2考虑安全裕量，所以晶闸管的额定电流为AIITmTN4.3146.209*5.15.1④、断路器整流变压器一次侧所接断路器承受的最大电压为VUUN2201整流变压器一次侧所接断路器承受的最大电流为AIIN3631考虑安全裕量，选取整流变压器的额定电压为VUQN270选取整流变压器的额定电压为AIQN400⑤、压敏电阻压敏电阻的选取主要考虑额定电压和流通容量，压敏电阻额定电压的选取通常可按下面公式计算)(*)9.0~8.0(压的峰值压敏电阻承受的额定电mAU为电网电压升高系数，一般取=1.05~1.10.VUA53.3062*220*9.010.11VUA0.2422*03.140*9.010.12考虑安全裕量，整流变压器一次侧压敏电阻额定电压为350V，二次侧压敏电阻额定电压为280V⑥、电抗器通常取电动机的额定电流的10%~15%作为电抗器的额定电流故AIINLA5.63635*%10%10考虑安全裕量，取电抗器的额定电流为100A。⑦、熔断器⑧、接收器⑨、电压表为了电压表的安全考虑，应三相电源相电压的额定值为220V，应选取整流变压器一次侧电压表的量程为250V。2、控制电路设计（1）、控制电路简述本部分使用的是电流、转速双闭环直流调速控制系统。电流、转速双闭环直流调速系统由电流调节器和转速调节器串级联结而形成电流负反馈内环和转速负反馈外环而构成，如下图所示：转速调节器的输出作为电流调节器的输入，由电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发器。通过设置转速调节器的输出限幅以及配合调节转速反馈的通道的增益，可以得到电机启动、制动等过程中的电枢回路的最大电流值，使得电动机快速启动和制动。同时通过双环结构可以很好的抑制电网电压波动和负载变化等扰动量的电机转速输出的影响，因此电流、转速双闭环直流调速控制系统具有良好的动态和静态特性。电流、转速双闭环直流调速控制系统设计出来对主电路与控制电路设计之外更为重要的环节就是电流调节器和转速调节器的设计一般电流和转速调节器由比例积分调节器构成，因而便是两者比例积分参数整定的问题。（2）、控制电路原理图（3）、触发电路简述本触发电路以TCA785为核心的可控硅三相全控桥触发电路TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它是取代TCA780及TCA780D的更新换代产品，其引脚排列与TCA780、TCA780D和国产的KJ785完全相同，因此可以互换。目前，它在国内变流行业中已广泛应用。与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。①、引脚排列、各引脚的功能及用法TCA785是双列直插式的16引脚大规模集成电路。它的引脚排列如下图所示。各引脚的名称、功能及用法如下:引脚16(VS)：电源端。使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。引脚1(OS)：接地端。应用中与直流电源VS、同步电压VSYNC及移相控制信号V11的地端相连接。引脚4(Q1)和2(Q2)：输出脉冲1与2的非端。该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相位互差180°，两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚13(L)的控制。它们的高电平最高幅值为电源电压VS，允许最大负载电流为10mA。若该两端输出脉冲在系统中不用时，电路自身结构允许其开路。引脚14(Q1)和15(Q2)：输出脉冲1和2端。该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样互差180°，脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚12(C12)的控制。两路脉冲输出高电平的最高幅值为VS。引脚13(L)：非输出脉冲宽度控制端。该端允许施加电平的范围为-0.5V~VS，当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压VS时，Q1、Q2为最窄脉冲输出。引脚12(C12)：输出Q1、Q2脉宽控制端。应用中，通过一电容接地，电容C12的电容量范围为150~4700pF，当C12在150~1000pF范围内变化时，Q1、Q2输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为100μs，而输出宽脉冲的最宽宽度为2000μs。引脚11(V11)：输出脉冲Q1、Q2或Q1、Q2移相控制直流电压输入端。应用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当TCA785工作于50Hz，且自身工作电源电压Vs为15V时，则该电阻的典型值为15kΩ，移相控制电压V11的有效范围为0.2V~Vs-2V，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲Q1、Q2及Q1，Q2的相位便在整个移相范围内变化，其触发脉冲出现的时刻为trr=(V11R9C10)/(VREFK)式中R9、C10、VREF──分别为连接到TCA785引脚9的电阻、引脚10的电容及引脚8输出的基准电压K──常数为降低干扰，应用中引脚11通过0.1μF的电容接地，通过2.2μF的电容接正电源。引脚10(C10)：外接锯齿波电容连接端。C10的实用范围为500pF~1μF。该电容的最小充电电流为10μA。最大充电电流为1mA，它的大小受连接于引脚9的电阻R9控制，C11两端锯齿波的最高峰值为VS-2V，其典型后沿下降时间为80μs。引脚9(R9)：锯齿波电阻连接端。该端的电阻R9决定着C10的充电电流，其充电电流可按下式计算：I10=VREFK/R9连接于引脚9的电阻亦决定了引脚10锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为：V10=VREFKt/(R9C10)电阻R9的应用范围为3~300kΩ。引脚8(VREF)：TCA785自身输出的高稳定基准电压端。负载能力为驱动10块CMOS集成电路，随着TCA785应用的工作电源电压VS及其输出脉冲频率的不同，VREF的变化范围为2.8~3.4V，当TCA785应用的工作电源电压为15V，输出脉冲频率为50Hz时，VREF的典型值为3.1V，如用户电路中不需要应用VREF，则该端可以开路。引脚7(QZ)和3(QV)：TCA785输出的两个逻辑脉冲信号端。其高电平脉冲幅值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为10mA。QZ为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲Q2与Q1或Q1与Q2的两倍，是Q1与Q2或Q1与Q2的或信号，QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控制角φ+180°，它与Q1、Q2或Q1、Q2同步，频率与Q1、Q2或Q1、Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户的控制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。引脚6(I)：脉冲信号禁止端。该端的作用是封锁Q1、Q2及Q1、Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值10kΩ的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为-0.5V~VS，当该端通过电阻接地，且该端电压低于2.5V时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。而该端通过电阻接正电源，且该端电压高于4V时，则封锁功能不起作用。该端允许低电平最大灌电流为0.2mA，高电平最大拉电流为0.8mA。引脚5(VSYNC)：同步电压输入端。应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二极管，该端吸取的电流为20~200