中南大学工程训练报告

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CENTRAL SOUTH UNIVERSITY
工程训练报告
题目:开环直流调速系统的设计与实现学院:信息科学与工程学院
班级:电气工程及其自动化
姓名:
学号:
指导老师:
前言
此次工程训练的要求,是设计直流开环调速系统并实现之。

直流电动机开环调速系统具有良好的启动,制动性能,适宜在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛的应用。

与交流电机相比,直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点,但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速,因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。

我们这次工程训练最终要给出所设计的直流调速系统的电路原理图和pcb 图,因此我们借助的工具是protel 99 SE。

我们小组设计的直流调速系统,采用晶闸管整流,整流电路采用三相桥式全控整流,其六脉波整流方式能够使波形更加平稳。

电路的设计以此调速系统的安全可靠为目标,除了完成必要的调速功能,对于系统的开关时刻所产生的过电压和过电流,均采取措施来抑制以保证电路的安全稳定性。

过电压保护采用RC过电压抑制电路,过电流保护采用快速熔断器。

在实际情况下,脉动电流会增加电机的发热,同时产生脉动转矩,对电动机不利。

所以,我还设置了一个平坡电抗器才抑制电流脉动。

这个系统虽然提供了很多防止开断过电流过电压的控制方法,但是在实际运用的过程中仍然有很多不足。

同时也没有指出具体的控制电路的设计方法。

文内各种不足和错误,殷切期望老师批评指正。

目录
前言 (1)
1 直流开环调速系统原理和设计思路 (3)
1.1 直流开环调速系统原理 (3)
1.2 设计思路 (4)
2 主电路和控制电路的设计 (8)
2.1 整流电路 (8)
2.2 整流变压器 (10)
2.3驱动触发电路 (10)
2.4 保护电路 (11)
3 电路参数计算 (12)
3.1晶闸管的选取 (13)
3.2 变压器的参数及容量 (13)
3.3 滤波电容的选择 (14)
3.4 续流二极管的选择 (14)
3.5 平波电抗器的计算 (14)
4 总结 (15)
5 文献 (15)
附录一电路原理图 (16)
附录二 PCB (16)
1 直流开环调速系统原理和设计思路
1.1 直流开环调速系统原理
直流开环调速系统的简化电气原理示意图如图1-1所示。

直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电,并通过改变触发器移相控制信号U c 调节晶闸管的控制角,从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。

图1-1 直流开环调速系统电气原理示意图
主电路的设计如图1-2中红线框内所示:
图1-2 主电路
1.2 设计思路
晶闸管整流电路分为两大部分——主电路和控制电路。

主电路包括:电网,整流变压器,过电压保护,过电流保护,缓冲电路,三相桥式全控整流电路以及负载电动机。

具体说来,主电路采用三相桥式全控整流的形式,将三相交流电转换为直流电。

保护电路有过电流保护和过电压保护电路。

使用快速熔断器作为过电流保护,如图1-3所示,以及采用电流互感器整定电路作为过流保护,如图1-4所示。

过电压保护分为外部过电压保护和内部过电压保护,外部过电压保护主要是防止雷击造成的过电压,采用如图所示1-5所示,内部过电压主要是防止电路开启或闭合时造成的过电压对晶闸管的破坏,我们采用RC阻容电路作为过内部电压保护电路,如图1-6所示。

图1-3 过流保护
图1-4过流保护
图1-5 外部过电压保护电路
图1-6内部过电压保护电路
此外,本系统直流电机采用的是他励,因此为了保证电机的稳定运行和可靠调速,我们设计了励磁回路的稳压电路,如图1-7所示。

图1-7 励磁回路稳压电路
对于控制回路,主要的部分是晶闸管触发电路。

向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网,电网电压的频率不是固定不变的,而是会在允许范围内有一定的波动。

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,还应该保证每一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,这就关系到触发电路的定向问题。

为了保证触发电路和主电路频率一致,利用一个同步变压器,将其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是始终一致的。

接下来的问题是触发电路的定相,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反面的因素确定,主要包括相控电路的主电路、触发电路的结构。

最终,应该由,整流变压器和同步变压器的接法确定。

触发信号的产生和控制则有选定的DSP芯片来控制。

触发电路如图1-8所示
图1-8触发电路
控制电路除了触发电路及其控制电路外,还有手动开关控制部分,故障控制和指示部分。

分别如下图1-9、1-10所示:
图1-9 手动开关控制部分
图1-10 故障警示部分
为了保证故障能够及时被发现和保护动作,对故障警示部分加了稳压电路保障。

如下图1-11所示:
图1-11 故障警示部分的稳压电路
2 主电路和控制电路的设计
2.1 整流电路
采用三相全控桥整流,其产生的六脉波整流使得波形更加平稳,有利于电动机的可靠运行。

其中阴极连在其的3个晶闸管VT1,VT3,VT5为共阴极组,阳极连在一起的VT2,VT4,VT6称为共阳极组。

晶闸管按从1到6的顺序经过控制电路发出的脉冲依次导通。

图2-1为三相全控桥整流电路。

图2-1 三相全控桥整流电路
三相桥式整流电路带阻感负载运行时,当触发角小于60度时,其波形与带电阻负载相同,波形如图:
图2-2 触发角为0度时的波形图图2-3 触发角为30时的波形图
当触发角大于60度时,阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同,电阻负
载时ud波形不会出现负的部分,而阻感负载时,由于电感L的作用,ud波形会出现负的部分。

图2-4给出了α=90度时的波形。

若电感L值足够大,ud中正负面积将基本相等,ud平均值近似为零。

这说明,带阻感负载时,三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。

图2-4 触发角为90时的波形图
2.2 整流变压器
为保证供电质量,应采用三相降压变压器将电源电压降低,为避免三次谐波电动势的不良影响,应采用△/Y接法。

图2-5为整流变压器电路。

图2-5 整流变压器电路
2.3触发电路
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的,是电力电子装置的重要环节。

性能好的驱动电路,可以使电力电子器件工作在理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗,对装置的运行效率,可靠性和安全性有重要的意义。

它的基本任务,是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电子电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号。


于晶闸管来说,只需要提供开通信号即可。

其触发电路,需要满足:触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通,触发脉冲应有足够的强度,且不应超过晶闸管门极的电压电流功率定额,具有抗干扰性能,温度稳定性及与主电路的电气隔离。

图2-6触发电路
2.4 保护电路
电力电子装置受所用器件性能的影响,承受过电压、过电流的能力比较差(例如电动机、变压器等,通常可在几倍的额定电流下工作几秒钟或几分钟,而在同样条件下电力电子器件只要0.1秒或更短的时间就已损坏)。

为了提高电力电子装置的可靠性,除了设计时合理选择电力电子器件的电流、电压容量外,还需采取与一般电工设备不同的一些保护措施,以防止电力电子器件的过电流、过电压损坏。

过载电流流过电力电子器件时会使器件温度迅速上升,如不及时切断或限制过电流,很快就会使器件因温度过高而损坏。

过载电流越大,器件能承受过电流的时间越短。

这里采用快速熔断器,与电力电子器件直接串联,如图2-7所示。

快速熔断器必须在晶闸管损坏以前熔断,才能起保护作用。

普通熔断器因熔断时间较长,不能用于电力电子器件的过电流保护。

快速熔断器用一定形状的银质或铝质熔丝,周围充以石英砂,在过电流流过时,其熔断时间通常在20毫秒以内。

而可能出现的过电压,分为外部过电压和内部过电压两类。

前者主要来自雷击,电网变压器等的开关操作过程以及负载的切换等;后者主要来自装置内部电力电子器件周期性的换流过程,内部电路的故障,电干扰引起的电路误动作,以及保护电路动作时电流电压突然变化等。

这里采用阻容吸收电路,如图2-8所示,由电容和电阻串联而成,利用电容来吸收尖峰状态的过电压,利用与电容串联的电阻消耗过电压的能量,从而抑制电路的振荡。

图2-7 过流保护———快速熔断器
图2-8 阻容吸收电路
3 电路参数计算
工程训练给定参数:
直流电动机: 1.5;220;8.7;1500;n n n N P KW U V I A n rpm ==== 他励励磁电压:200L U V = 电动机最大启动电流倍数: 1.5λ=
3.1晶闸管的选取
1)电流参数的选取
对于三相全控桥,流经晶闸管的电流有效值为:
5.02
VT d n I I I =
===(A) 其电流平均值为:
()/1.57 5.02/1.57 3.20T AV VT I I ===(A ) 取安全裕量为2,则所选的晶闸管的电流值为:
()2*2*3.20 6.40()T av I I A === 2)电压参数的选取
2U ,其中,2U 为变压器二次侧相电压有效值。

22.34c o s
d U U α= ∴22.34c o s
d
U U α=
其中d U =n U =220V ,当α取0时,2min 220
94.022.34cos 0 2.34
d U U =
==V .
考虑到一般电网电压的波动率为15%,所以,
2min 294.02110.61115%0.85
U U ===-V .
2U 2271.00V =. 取安全裕量为2,则晶闸管的电压值为2*271.00=542.00V
3.2 变压器的参数及容量
变压器副边容量的计算:
对于三相全控桥来说,流过变压器副边的电流有效值为:
27.10d n I A =
=== 又已知2U =110.61V ,所以变压器副边的容量2S :
222*110.61*7.10785.331S U I KVA ===
因为是三相桥式电路,有12785.331S S KVA ==.
2211110.61*7.10
2.07380
U I I A U ∴=
== 1122380 3.44110.61
n U n U ==≈ 最终,11222.07;380;7.10;110.61;785.331I A U V I A U V S KVA =====
3.3 滤波电容的选择
C 一般根据放电的时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,一般不做严格计算,夺取2000F μ以上。

因该系统负载不大,故取C= 2000F μ。

耐压值: 1.5 1.5*542813dm U U V ===,取1000V 。

即选用2000F μ,1000V 的电容。

3.4 续流二极管的选择
根据
(2~3)(1.5~2)d
rm s cm U U I I ==
得知,续流二极管应选额定电流为17.4A ,额定电压为660V 的二极管。

3.5 平波电抗器的计算
在晶闸管---电动机系统中,脉动电流会增加电机的发热,同时产生脉动转矩,对生产机械不利。

这里采用设置平波电抗器的计算来抑制电流脉动。

对于三相全控桥式整流电路,有2
min
0.693
d U L I = 而min d I 是电动机额定电流的5%~10%。

故:
2min 110.61110.61
0.693
0.693*0.693*176.215%*0.05*8.7
d n U L I I ====
4 总结
通过这次工程训练,我们小组四个人都觉得自己从中受益颇多。

首先,我们学会了对实际问题进行设计的基本思维流程,能够具体问题具体分析;其次,使我们对具体系统设计方案和实际实验调试过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。

它相当于实际电力拖动控制工作的模拟;再次,将我们前三年所学的专业知识进行了一次系统的总结,并通过实验将理论知识和实际相结合起来了;最后,在实验过程中遇到了一些疑难问题,我们通过小组成员间的讨论和通过去图书馆查阅、上网等各种途径的终于将它们解决了。

这不但解决了一些一直困扰我们的难题,使我们明白了理论知识和实际情况并不是完全一样,它们是有差别有时甚至是相矛盾的;更重要的是培养了我们四个人的团队协作精神。

经过这次课程设计,让我知道了直流电动机的开环调速系统的总框架。

进一步了解了电力电子这门课程的实用性,加深了对知识的理性理解,巩固了专业知识。

通过查资料,自学运动控制系统一些章节,加灵活运用已学到的知识,完成了系统的构建。

一个系统,完成了其功能是不够的,对于系统在今后运行中所出现的很多问题,都要进行预测和防范。

如电动机启动过程中产生的大电流,都要加一些控制电路来加以抑制,这样才能保证系统可靠并且的运行。

总之,这次课程设计使我们明白了自身的不足之处以及以后的发展方向,为今后的学习和工作打下了良好的基础。

5 文献
【1】王兆安,黄俊. 电力电子技术(第4版) .北京:机械工业出版社,2010 【2】刘坤,高征红,晃阳. Protel 99 SE 电路设计实例教程.北京:清华大学出版社,2008
【3】辛伊波,陈文清. 开关电源与应用. 西安:西安电子科技大学出版社,2009
附录一:电气原理图
附录二:元件清单
20。

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