10KW直流电动机不可逆调速电路系统要点

电力电子技术课程设计（论文）

题目：10KW直流电动机不可逆调速电路

院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 学 号 课程设计（论文）题目 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 为1台额定电压220V、功率为10kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速 设计任务 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号。4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。5、触发电路设计或选择。6、绘制相关电路图。7、完成4000字左右说明书。 要求 1、 1、文字在4000字左右。 2、 2、文中的理论分析与计算要正确。 3、 3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数 1、交流电源：三相380V。2、整流输出电压Ud在0～220V连续可调。3、整流输出电流最大值50A。4、直流电动机负载，直流电动机额定功率PN＝10kw，额定电压Un＝220V, 额定电流In＝50A。5、根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。 第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电抗器；第8天：触发电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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学生姓名 专业班级 10KW直流电动机不可逆调速电路 课程设计（论文）任务 进度计划指导教师评语及成绩

摘要

中等容量的整流装置或要求不可逆调速的电力拖动系统中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路。它由共阴极接法的三相全波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特性。本文研究了三相半控整流电路带直流电动的情况，分析了工作原理，设计了主电路、晶闸管触发电路和保护电路。本文还研究了10kw电动机不可逆调速系统的设计，以及如何对其调速.完成了对不可逆直流电动机调速系统电路设计及参数计算，具体分为主电路参数设计，触发电路设计，保护电路设计，通过利用三相全控桥式整流电路的调速系统方案，以及对其调控系统进行了科学的合理精确计算，阐述了不可逆调速系统的稳定性和可靠性，使其能够更好的适应工作要求。

关键词：三相桥式半控整流电路；晶闸管 ；直流电动机

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目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

1.1 电力电子技术概况 ............................................. 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 主电路设计 .................................................... 3

2.1 主电路设计总体设计方案 ....................................... 3 2.2 具体电路设计 ................................................. 4

2.2.1 直流调速系统 ........................................................................................ 4 2.2.2 整流电路的电路设计与分析 ................................................................ 5 2.2.3 触发驱动电路设计 ................................................................................ 6 2.2.4 保护电路设计 ........................................................................................ 9 2.3 元器件型号选择 .............................................. 12 第3章 课程设计总结 ................................................. 16 参考文献 ............................................................ 17

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第1章 绪论

1.1 电力电子技术概况

电机调速广泛应用于我们的生活、生产的各个领域中，例如：机床、电动工具、电动机车、机器人、家用电器、计算机驱动器、汽车、轮船、轧钢、造纸和纺织行业等等。据报道，世界上大约有100亿以上各种电机在工作。近年来，我国空调一年的产量就1000多万台，每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用市场非常庞大。

电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于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了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。

1.2 本文设计内容

本文主要研究了10kw直流电动机的不可逆调速系统的原理，提出了调速系

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统的方案即主电路通过采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。在确定调速系统的方案后还他做了以下几个步骤：1直流调速系统2主电路设计与分析3触发电路设计.4保护电路设计5数据分析计算6仿真试验来确定了不可逆调速系统的稳定性与可靠性。

通过课程设计，一方面使我们对本课程所学内容加深理解，另一方面熟悉工程设计的过程、规范和方法，能正确查阅技术资料、技术手册和标准，培养我们的工程设计能力。电力电子是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程，学习本课程，培养我们对物理概念与基本分析方法的学习能力，做到理论结合实际，尽量做到器件、电路、应用三者结合。在学习方法上也形成了对电路的相位与波形的分析习惯，抓住电力电子器件在电路中道通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作状况，培养了读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整及电路分析等方面的实践能力。

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第2章 主电路设计

2.1 主电路设计总体设计方案

图2.1 10KW直流电动机不可逆调速电路（1）

一般整流器功率在4KW以下采用单向整流电路，4KW以上采用三相整流。该电路采用三相减压变压器将电源电压降低的减压调速方案，因此励磁电压保持恒定。励磁绕组采用三相全控桥式整流电路，整流电源从主变压器二次侧U2、V2、W2端引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节。

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2.2 具体电路设计

2.2.1 直流调速系统

直流调速系统种类

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：

1） 旋转变流机组。用交流电动机和直流发动机组成机组，获得可调的直流电压。

2） 静止式可调整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 3） 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。

调速系统选择

机组供电的直流调速系统在上世纪60年代使用广泛，但该系统需要选择变流机组，至少包含两台与调速机组容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。为克服这些缺点，60年代以后就开始使用各种静止式的变压或变流装置来代替旋转变流机组。

晶闸管诞生以后，就逐步出现使用晶闸管整流装置来实现调速的应用系统。晶闸管整流装置的使用，去除了直流电机调速需要的较大功率的放大器，而且晶闸管控制的快速性，提高了系统的动态性能。然而晶闸管整流器难以实现系统的可逆运行，由半控整流电路组成的V-M系统只运行单象限运行，全控整流电路可以实现有源逆变，允许电机工作在反转制动状态，若要获得四象限运行，需采用正、反两组全控整流电路，变流设备要增加一倍。

直流斩波器最初用在简单的单管控制，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，即脉宽调制变换器。如今常用的脉宽调制电路一般为桥式电路，由电力电子器件组成，主电路线路简单，开关频率高，电流容易连续，谐波少，低速性能好，因为这一系列优点，直流PWM调速系统应用日益广泛。

本直流电动机不可逆调速系统要求不高，故采用转速单闭环调速结构，系统框图如下所示：

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电流截止负反馈 放大器 触发电路 M TG 图 2.2 10KW直流电动机不可逆调速系统（2）

2.2.2 整流电路的电路设计与分析

变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制

电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系

统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。

在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

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图2.3晶闸管三相全控桥整流电路

2.2.3 触发驱动电路设计

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要意义。

简单的说，驱动电路的任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力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。对晶闸管这种半控器件只需要提供开通控制信号，晶闸管虽然是电流驱动型器件，但是它是半控型器件，所以它的驱动电路常称为吃饭电路。

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转换为导通。驱动电路的具体形式可以为分离元件构成的，也可以是集成的电力电子驱动电路。本设计根据题目要求，使用分立元件构成的触发电路，主要由相位控制电路、脉冲放大和输出环节等构成，电路图如下：

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据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器） ，也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。接法不同，保护效果也有差异。熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。 常见快速熔断器的接入方法有以下几种形式：

图2.12 快速熔断器的几种接入方式

在整流电路中，电抗器的使用也是极其广泛的。在整理电桥桥壁上串入桥壁电抗器，可以抑制didt，从而起到一定程度的过电流保护作用。

2.3 元器件型号选择

参数计算与器件选择 U2的计算

UUd其中：A?0.9,B?1,取?＝0.9则 ?(1~1.2)2A?BA：电路参数0.4 1.17 2.34 B：电网电压波动系数0.9~1.05

Ε：安全裕量

220?(1~1.2)V?271.6~325.925V，取 U2＝300V U20.9?1?0.9电压比 ：

K?U1?U2220?0.733 300一次电流I1和二次电流I2的计算 已知全波整流电路中

KI?K1f?1.11,KI1IddI2?1.11

I1?1.05KK?1.05?1.11?55/0.733A?87.45A

I?KII22?1.11?55A?60.05A

变压器容量的计算

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S?UI111?220?87.45VA?19239VA，S2?U2I2?300?60.05VA?18015VA

S?11(S1?S2)?(19239?18015)VA?18.627kVA 22晶闸管元件的选择

图2.13 晶闸管总设计图

晶闸管的额定电压

UTN?(2~3)Um?(2~3)2?300V?848.528~1272.79V，取UTN?1200V。

晶闸管的额定电流

IT(AV)?(1.5~2)IITd1.57?(1.5~2)2?(1.5~2)2A?37.156~49.542A1.571.5755取

IT(AV)?50A

整流二极管同上

交流侧过电压保护 阻容保护

C?6IemSU22?6?55?18627?F?68.299?F 2300U?1.5Um?1.5?2?300V?636.5V，选70?F、耐压700V

22shUU?2.3RSIem300227.5?2.3???15.718?，取R?20?

1862755?6?6?2?f?10?2??50?2.2?300?10A?0.21A UcIc13

2?(3~4)R?(3~4)?0.21?20W?2.646~3.528W PRIC2压敏电阻RV1的选择

UImA?1.32U?1.3?2?300V?551.5V

直流侧过电压保护

UImA?(1.8~2)UDC?(1.8~2)?220V?396~440V

选用MY31?820/3的压敏电阻作直流侧过电压保护。 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护

由参考文献上获得晶闸管过电压保护参数估计值如下：

表2.2 晶闸管过电压保护参数

元件容量5 （A） C（?F） R（?） 10 20 50 0.20 100 0.25 200 0.50 500 1.00 0.05 0.10 0.15 10～20

依据上面表格可以初步确定C?0.2?F、R?20?

P2?62?6?fCU?10?50?0.2?(2?300)?10W?4.242W mR交流侧快速熔断器的选择

由于I?I2?60.5A,考虑到电动机启动瞬间电流较大，熔断器的选取依据

Irn?(1.5~2.5)IfN原则可以选用额定电压为300V，额定电流为120A熔断器。 元件端快速熔断器的选择 由于IT?I2?60.052A?42.461A,为了减少元件的多样性便于设计和安装，

本设计将元件端快速熔断器的规格定为额定电压为300V，额定电流为85A熔断器。

平波电抗器

平波电抗器电阻计算

RL?0.01E2N/3I2N=0.024?

按电流连续要求的电感量：Ld?kl1UT2?2(LD0?LT)?17.2mH Idmin14

式中，Idmin?500IdN?5.34A ;对于三相桥式全控电路 KI?0.693 平波电抗器电感量计算

方法一、 L =rl =0.5x7mh=17.2mH 方法二、Ld?(UdmUT2)?102?fd?231UT2SiIdN?2(LD0?LT)?9.22mH

式中，Udm为最低次谐波电压幅值；fd为最低次谐波电流频率，对于三相桥式电路

fd=6f1=300HZ；Si为电流脉动系数，要求Si=0。05；三相桥式电路故平波电抗器电感选为18mH。

Udm=0.45。 UT2

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第3章 课程设计总结

本次的设计为直流电机的不可逆调速系统，首先就涉及到三相桥式整流电路的设计，这也是整个电路设计的关键与主要部分。整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。根据题目的要求选择了三相桥式半控整流电路的主结构。

对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

在这次课程设计过程中，首先碰到的难题就是保护电路的设计。因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。经过查阅大量资料和文献，还有同学的帮助，最终选择了一个较合适的保护电路。

其次遇到的困难是电路中一些参数的计算。桥式整流电路的分析需要结合图形，一步一步仔细分析，加之带了反电动势负载，在分析计算中又多了一个困难。最后是根据整流电路的指标来选择晶闸管的参数。

通过这次课程设计我对于文档的编排格式又有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，在更深程度上又理解了一下这么课程。

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