三相全控橋主電路及保護電路

1、河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院HenanPolytechnic Institute畢業(yè)設計（論文）題 目三相全控橋主電路及保護電路班 級 電氣1203班姓 名 李金鋼指導老師 郭素娜 前言整流電路技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上應用極廣。如調(diào)壓調(diào)速直流電源、電解及電鍍的直流電源等。整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變

2、壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。把交流電變換成大小可調(diào)的單一方向直流電的過程稱為可控整流。整流器的輸入端一般接在交流電網(wǎng)上。為了適應負載對電源電壓大小的要求，或者為了提高可控整流裝置的功率因數(shù)，一般可在輸入端加接整流變壓器，把一次電壓U1，變成二次電壓U2。由晶閘管等組成的全控整流主電路，其輸出端的負載，我們研究是電阻性負載、電阻電感負載（如直流

3、電動機的勵磁繞組，滑差電動機的電樞線圈等）。以上負載往往要求整流能輸出在一定范圍內(nèi)變化的直流電壓。為此，只要改變觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)脈沖送出的早晚，就能改變晶閘管在交流電壓U2一周期內(nèi)導通的時間，這樣負載上直流平均值就可以得到控制。三相全控橋主電路及保護電路摘要整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與

4、否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。 關(guān)鍵詞：整流 變壓 觸發(fā) 過電壓 保護電路。目錄一、設計目的······················

5、····························1二、設計依據(jù)與要求····················&#

6、183;······················1三、設計內(nèi)容··························&

7、#183;·······················1四、主電路的選擇原則························&#

8、183;···············1··································&

9、#183;············1·····································

10、·············34.1.3 KC04移相觸發(fā)電路··································&

11、#183;·····3五、設計方案···········································

12、·······6···········································

13、;······6···········································

14、3;·6·············································6···&#

15、183;·····································6············&

16、#183;·····································75.5.1 U2的計算··········&

17、#183;······································7···········

18、················75·································

19、3;·······7·········································75·&

20、#183;·····································8············

21、···························8·······················

22、;···············9······························9的選擇····

23、·····································9·············

24、;······························9···················

25、3;·····10············································&#

26、183;····11···································11·········

27、3;·····································11············&#

28、183;·························11························

29、············11六、直流電動機····································

30、83;············12·····································&

31、#183;·····12的勵磁方···········································&

32、#183;·······12 流電動機的工作原理········································1

33、3七、PWM控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)·························13·····················

34、3;·························14························&#

35、183;··················157.3 光耦隔離開關(guān)·····························&#

36、183;·················15································

37、·····16···········································17設計總結(jié)

38、3;·················································

39、3;·······18參考文獻····································18一、設計目的1）對課本上所學的知識進一步加深和鞏固。2）了解中頻

40、電源的工作原理。 3）學會分析電路、設計電路的方法和步驟。4）培養(yǎng)學生一定的制圖能力。二、設計依據(jù)與要求技術(shù)要求：試設計 的主電路與保護電路。已知直流電動機額定功率17KW，額定電壓220V，額定電流90A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min,允許電動機過載倍數(shù)為2，最輕負載電流為0.05倍的額定電流，要求電流波形仍會連續(xù)。三、設計內(nèi)容1）控制系統(tǒng)整體方案的可行性分析。 2）電路、控制電路的工作原理與元件選擇。3）電路和控制電路元件的選擇與計算。4）分析如何用集成觸發(fā)電路替換分立元件的觸發(fā)電路 。5）手工繪出電氣框圖、電氣原理圖；用EDA繪制電氣原理圖。6）元件明細表7）設計總結(jié)及改進意見四、主電路的

41、選擇原則 4.1、主電路的選擇圖 17KW直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)圖 17KW直流電動機不可逆調(diào)速電路（一）圖 17KW直流電動機不可逆調(diào)速電路（二）一般整流器功率在4KW以下采用單向整流電路，4KW以上采用三相整流。該電路采用三相減壓變壓器將電源電壓降低的減壓調(diào)速方案，因此勵磁電壓保持恒定。勵磁繞組采用三相全控橋式整流電路，整流電源從主變壓器二次側(cè)U2、V2、W2端引入。為保證先加勵磁后加電樞電壓，主接觸器主觸點應在勵磁繞組通電后方可閉合，同時設有弱磁保護環(huán)節(jié)。該電路采用轉(zhuǎn)速負反饋來穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，采用電流截止負反饋進行限流保護，還設有與晶閘管串聯(lián)的快速熔斷器做過載與短路保護，出現(xiàn)故障時由過電流繼

42、電器KI2切斷主電路電源。由三塊集成觸發(fā)電路KC04組成6脈沖觸發(fā)電路。該電路需要三個相位互差120°且與主電路三個相電壓uU、uv、uw同相的三個同步電壓。由三個單相變壓器接成三相變壓器組TC來代替，并聯(lián)成Dy0,即可獲得與主電路二次側(cè)相電壓同相的三個電壓uus、uvs、uws。每一相同步電壓均經(jīng)RC組成的T形網(wǎng)絡濾波、移相30°，電位器RP4RP6微調(diào)各相同步電壓的相位，保證三相脈沖間隔均勻。同步電壓輸入后，在一個周期里，其4腳依次形成兩個鋸齒波。偏移電壓調(diào)好后，改變Ueo就可以在KC04的1、15腳得到移相的一定寬度的相位差180°的兩個觸發(fā)脈沖，送至VD1

43、與VD2、VD3與VD4、VD5與VD6、VD7與VD8、VD9與VD10、VD11與VD12組成的六個與門電路，再按照主電路的觸發(fā)相序要求，即后相給前相補脈沖，經(jīng)外部功率放大管VT1VT6放大，可輸出驅(qū)動電流為300800mA的雙窄脈沖列。脈沖變壓器初級公共端接+15V電源，脈沖變壓器次級U、-W、V、-U、W、-V分別接于各自晶閘管的控制極。4.1.3 KC04移相觸發(fā)電路KC04晶閘管全控橋移相觸發(fā)專用集成電路適用于單相、三相全控橋式變流裝置中作晶閘管的雙路脈沖移相觸發(fā)。該器件輸出二路相差180°的移相脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低以及具有脈沖列調(diào)制輸出等特點。

44、KC04由同步檢測電路，鋸齒波形成電路，偏移電壓、及鋸齒波電壓綜合比較器和功率放大電路等幾部分組成。圖 KC04內(nèi)部電路KC04采用雙列直插16腳結(jié)構(gòu)，電路各引腳功能為：1腳同相脈沖輸出端；2腳懸空；3腳鋸齒波電容連接端；4腳同步鋸齒波電壓輸出端；5腳電源負端；6腳懸空；7腳地端；8腳同步電源信號輸入端；9腳移相、偏置及同步信號綜合端；10腳懸空；11腳方波脈沖輸出端；12腳脈寬信號輸入端；13腳負脈沖調(diào)制及封鎖控制端；14腳正脈沖調(diào)制及封鎖控制端；15腳反相脈沖輸出端；16腳電源正端。圖 KC04有關(guān)引腳波形五、設計方案已知直流電動機額定功率17KW，額定電壓220V，額定電流90A，額定轉(zhuǎn)

45、速1500r/min,允許電動機過載倍數(shù)為2，最輕負載電流為0.05倍的額定電流，要求電流波形仍會連續(xù)。據(jù)題意采用晶閘管可控整流裝置供電。本設計選用的是中直流電動機，可選用三相整流電路。又因本系統(tǒng)設計是不可逆系統(tǒng)，所以可選用三相半控橋整流電路。電動機的額定電壓為220V，若用電網(wǎng)直接供電，會造成導通角小，電流脈動大，并且功率因數(shù)抵，因此，還是用整流變壓器供電方式為宜。題中對電流的脈動提出要求，故使用增加電抗器。反饋方式選擇原則應是滿足調(diào)速指標要求的前提下，選擇最簡單的反饋方案。負載要求D10，S15，則系統(tǒng)應滿足的轉(zhuǎn)速降電動系數(shù)：該直流電動機固有轉(zhuǎn)速降故采用電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)電壓放大倍

46、數(shù)系統(tǒng)框架圖如圖所示：圖 直流調(diào)速系統(tǒng)框架圖5.5.1 U2的計算其中：則：安全裕量，取 電壓比：已知全波整流電路中5，5，取。取整流二極管同上晶閘管的過壓保護晶閘管設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制圖 阻容三角抑制過電壓 圖 壓敏電阻或硒堆抑制過電壓過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如下：圖 過電壓保護原理圖及阻容保護，選、耐壓700V ，取的選擇選用的壓敏電阻作直流側(cè)過電壓保護。由

47、參考文獻上獲得晶閘管過電壓保護參數(shù)估計值如下：元件容量（A）5102050100200500C（）R（）1020依據(jù)上面表格可以初步確定、晶閘管設備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(nèi)部原因, 如整流晶閘管損壞, 觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等; 其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴重, 一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿,造成無正、反向阻斷能力，它相當于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導通時，無法正常換流，因而產(chǎn)生線間短路引起過電流.另一類則是整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，這類情況時有發(fā)生，因為整流橋的負載實質(zhì)是逆變橋, 逆變電路換流失敗，就相當于整流橋負載短路。另外，如

48、整流變壓器中心點接地，當逆變負載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負載回路接地時，可以采用第一種保護措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式?？焖偃鄱唐鞯慕尤敕绞焦灿腥N，其特點和快速熔短器的額定電流。圖 快速熔斷器的接入方法對于第二類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應當采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如下：圖 過電流保護原理圖由于,考慮到電動機啟動瞬間電流較大，熔斷器的選取依據(jù)原則可以選用額定電壓為300V，額定電流為120A熔斷器。由于,為了減少元件的多樣性便于設計和安裝，本設計將元件端快速熔斷器的規(guī)格

49、定為額定電壓為300V，額定電流為85A熔斷器。按電流連續(xù)要求的電感量：式中， ;對于三相橋式全控電路 方法一、 L =rl =0.5x7mh=17.2mH 方法二、式中，為最低次諧波電壓幅值；為最低次諧波電流頻率，對于三相橋式電路=6=300；為電流脈動系數(shù)，要求=0。05；三相橋式電路=0.45。故平波電抗器電感選為18mH。六、直流電動機直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。A他勵直流電機b并勵直流電機c串勵直流電機d復勵直流電機的勵磁方式他勵直流電機，勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵

50、磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，接線如圖（a）所示。圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。 并勵直流電機，并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖（b）所示。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。 串勵直流電機，串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖（c）所示。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。 復勵直流電機，復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖（d）所示。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向

51、相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。 不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復勵式。 直流電動機的特點。調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。 流電動機的工作原理圖 直流電動機工作原理大致應用了

52、“通電導體在磁場中受力的作用”的原理，勵磁線圈兩個端線同有相反方向的電流，使整個線圈產(chǎn)生繞軸的扭力，使線圈轉(zhuǎn)動。 要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于：當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換， 即進行所謂“換向”。 為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個極下線圈邊中電流始終是一個方向，就可以使電動機能連續(xù)的旋轉(zhuǎn),這就是直流電動機的工作原理。七、PWM控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)近年來，隨著科技的進步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機得到了越來越廣泛的應用。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣;過載能力大,能承受頻繁的沖

53、擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn);需要能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足要求，這時通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法應運而生。脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需。要的波形，按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓

54、的大小，也可改變輸出頻率。直流電動機的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為式中 Ua電樞供電電壓（V）； Ia 電樞電流（A）；勵磁磁通（Wb）； Ra電樞回路總電阻（）； CE電勢系數(shù)，p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導體數(shù)。由式可以看出，式中Ua、Ra、三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；改變電樞供電電壓Ua；改變勵磁磁通。橋式PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形電動機電樞端電壓的平均值為由于01，Ua值的范圍是 -Ud+Ud，因而電動機可以在正、反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。下圖給出了兩種PWM斬波電路的電樞電壓平均值的特性曲線。圖 兩種斬波器的輸出電壓特性基于IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動電路設計的比較IGBT驅(qū)動電路能驅(qū)動大型的功率設備，但價