電力機(jī)車(chē)可控直流電源課程設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——電力機(jī)車(chē)可控直流電源課程設(shè)計(jì)一.電力機(jī)車(chē)可控直流電源設(shè)計(jì)二.設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用《電力電子學(xué)》、《模擬電子技術(shù)》和《電機(jī)學(xué)》所學(xué)知識(shí)分析、解決工程或科研實(shí)際問(wèn)題的能力。其目的是穩(wěn)定學(xué)生所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，這對(duì)于工科學(xué)生貫徹工程思想起到十分重要的作用。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)分析任務(wù)書(shū)、查閱收集資料，充分發(fā)揮主動(dòng)性與創(chuàng)造性，在老師的指導(dǎo)下聯(lián)系實(shí)際、把握正確的方法，理清思路，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，其格式和字?jǐn)?shù)應(yīng)符合規(guī)定。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出實(shí)際可行的電路，并計(jì)算電路中所用元器件的參數(shù)，確定其規(guī)格型號(hào)；課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求整齊、完備、內(nèi)容正確、概念明白、文字通暢，并繪制出相應(yīng)的電路圖，符合規(guī)范。三.設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求電力機(jī)車(chē)不可逆調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源設(shè)計(jì)A原始數(shù)據(jù)：P=10kW，Ued=220V，Ied=55A，n=1500r/min，Ra=0.5Ω，LM=3mH，λ=1.5。B設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：a)設(shè)計(jì)整流電路主電路。b)設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)：U1，I1，U2，I2。要求考慮最小控制角α電網(wǎng)電壓波動(dòng)、晶閘管管壓降和min、變壓器漏抗等因素計(jì)算變壓器二次相電壓值，附主要計(jì)算步驟。c)整流元件參數(shù)的計(jì)算及選擇：依據(jù)參數(shù)計(jì)算，正確選擇器件型號(hào)，并附主要參數(shù)。d)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的計(jì)算，同步電壓的選擇。e)設(shè)計(jì)保護(hù)電路：正確選擇電壓、過(guò)流保護(hù)電路，簡(jiǎn)要說(shuō)明選擇依據(jù)；計(jì)算保護(hù)元件參數(shù)并選擇保護(hù)元件型號(hào)。第1頁(yè)共16頁(yè)f)電抗器的參數(shù)設(shè)計(jì)三.具體的計(jì)算和選擇過(guò)程〈一〉.主電路的選擇根據(jù)試驗(yàn)要求的原始數(shù)據(jù)，直流電機(jī)的功率P?10KW?5KW，屬于較大功率的電機(jī)，同時(shí)此電機(jī)為直流電機(jī)，并且需要叫平穩(wěn)恒定的速度，因此需要驅(qū)動(dòng)電路提供叫平穩(wěn)的電壓和電流，而且在作為電力機(jī)車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)其需要較大的調(diào)速范圍，綜合分析以上因素，所以選用驅(qū)動(dòng)功率大，輸出電壓脈動(dòng)較小，而且電壓調(diào)理范圍較大的三相橋式全控整流電路?！炊?整流變壓器的設(shè)計(jì)及計(jì)算①變壓器二次側(cè)相電壓有效值U2的計(jì)算在不考慮最小控制角，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，晶閘管管壓降和變壓器漏感等因素的理想狀況時(shí)，直流端輸出電壓Ud為：Ud?1?3??2???3??6U2sinwtd(wt)?2.34U2cos?3（??60?）所以U2?Ud2.34cos?②然而，當(dāng)考慮到最小控制角，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，晶閘管管壓降和變壓器漏感等因素的理想狀況時(shí)，Ud的表達(dá)式應(yīng)當(dāng)為：U2?K0K1K2K3(Ued??Ub)??UVTK0——系數(shù)，K0=1=0.42742.34第2頁(yè)共16頁(yè)K1——電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，一般取K1=1.12K2——與最小導(dǎo)通角?min有關(guān)的系數(shù)K2=負(fù)載下仍然能進(jìn)行電壓調(diào)理，不能按控制角?min=0?進(jìn)行計(jì)算，一般規(guī)定不可逆?min＝10??15?，此主電路中?min取15?。1為了在額定cos?minK3——為考慮其他因素影響的安全系數(shù)，K3取1．1—1．2，當(dāng)橋臂上串聯(lián)的元件數(shù)較多時(shí)，可取大數(shù)值，由于主電路的橋臂上串聯(lián)的元件較少，故取K3=1.1。Ued——整流器額定輸出電壓。相當(dāng)于額定電流時(shí)負(fù)載的電壓。?UVT——晶閘管導(dǎo)通時(shí)的管壓降，一般取?UVT=1V。?Ub——變壓器漏感而產(chǎn)生的壓降，其計(jì)算方法為：?Ub?3XBId?Id為整流器輸出端的電流，X為變壓器的漏抗，一般按BXB=0.3?。根據(jù)以上分析與公式，將電機(jī)原始數(shù)據(jù)代人以上公式得：U2?K0K1K2K3(Ued??Ub)??UVT=0.4274?1.12?cos15??1.1?(220?2?3?0.3?55?)?2=122.926V③變壓器二次側(cè)相電流有效值的計(jì)算。由于整流器的負(fù)載輸出端串聯(lián)有電抗器，一次變壓器的二次側(cè)電第3頁(yè)共16頁(yè)流可視為大小不變的電流，因此其有效值為：I2?122222(Id????Id??)?Id?0.816Id2?333??由于Ied?Id?55A故：I2?0.816?55?44.88A④變壓器一次側(cè)相電流有效值的計(jì)算由于在①中，已將變壓器二次側(cè)相電壓有效值U2計(jì)算出來(lái)故可計(jì)算出變壓器的變比K假設(shè)采用的變壓器為?-Y連接，一次側(cè)為?接，二次側(cè)為Y接。K=N1=380/122.926=3.0913?3N2I1?N2I2N1N2I2=I2/k=?15AN1因此，一次側(cè)電流的有效值I1?綜上所述：變壓器的主要參數(shù)U1U2I1I2k為U1U2I1I2k3380V122.926V15A44.88A〈三〉.晶閘管的選擇①額定電流的計(jì)算由于本驅(qū)動(dòng)電流的主電路應(yīng)用的是三相橋全控整流電路，因此晶閘管的電流的有效值與直流端的輸出電流的關(guān)系為第4頁(yè)共16頁(yè)3因此可求出晶閘管的額定電流IVT?1Id?0.577Id=31.735IVT(AV)?IVT?0.368Id=20.2131.57考慮到晶閘管的過(guò)載能力差，在選擇晶閘管的額定電流時(shí)，取實(shí)際需要的1.5—2倍，使之有一定的安全裕量，保證晶閘管的可靠運(yùn)行。因此晶閘管的額定電流計(jì)算公式為：IVT(AV)?(1.5?2)IVT?(1.5?2)?0.368Id1.57所以在此主電路中晶閘管的額定電流為：IVT(AV)?(1.5?2)?IVT?2?0.368Id?30.32?40.427A1.57②額定電壓的計(jì)算由三相橋全控整流電路的特點(diǎn)得出晶閘管在電路中所可能承受的最大正反向電壓為：UTm?6U2所以元件正反向重復(fù)峰值電壓必需滿(mǎn)足：UDRM?Kb6U2URRM?Kb6U2式中Kb考慮電網(wǎng)的波動(dòng)、過(guò)壓等的安全因素，一般取Kb=2—3。在380V的整流電路中，Kb取2.2。所以根據(jù)以上晶閘管額定電壓的分析其額定電壓為：UN?Kb?6?U2?2.2?6?122.926?662.433691.3175V③晶閘管的選擇極其主要參數(shù)第5頁(yè)共16頁(yè)

IVT(AV)?2?IVT?2?0.368Id?40.48A1.57UN?Kb?6?U2?2.2?6?122.926?662.433V故晶閘管選用KP系列的KP50晶閘管，其主要參數(shù)為額定電流IN額定電壓50A100-2400V150mAUN觸發(fā)電流ITM〈四〉.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)①.觸發(fā)電路的選擇：相比于分立元件的觸發(fā)電路，集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試便利。隨著集成電路制作技術(shù)達(dá)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已經(jīng)逐漸普及，現(xiàn)已逐步取代分立式電路。TC787是為移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計(jì)的單片集成電路。與TCA785及KJ(或KC)系列集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡(jiǎn)便、使用可靠，只需一個(gè)這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ041、1只KJ042或5只KJ系列器件組合才能具有的三相移相功能。另外，TC787分別具有A型和B型器件，使用戶(hù)可便利地根據(jù)自己應(yīng)用系統(tǒng)所需要的工作頻率來(lái)選擇(工頻時(shí)選A型器件，中頻100～400Hz時(shí)選B型器件)?？紤]到以上因素，所以觸發(fā)設(shè)計(jì)用TC787為基礎(chǔ)的觸發(fā)電路。第6頁(yè)共16頁(yè)②.觸發(fā)電路芯片的介紹：(1)同步電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)為三一致步輸入電壓連接端。應(yīng)用中，分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過(guò)TC787的工作電源電壓VDD。(2)脈沖輸出端：TC787被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時(shí)（此試驗(yàn)中將TC787設(shè)置為全控雙脈沖工作方式），引腳8為與三一致步電壓中C相正半周及B相負(fù)半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳12為與三一致步電壓中A相正半周及C相負(fù)半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳11為與三一致步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳9為與三一致步電壓中A一致步電壓負(fù)半周及C相電壓正半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳7為與三一致步電壓中B相電壓負(fù)半周及A相電壓正半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳10為與三一致步電壓中B相正半周及A相負(fù)半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端。應(yīng)用中，均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的控制極。(3)控制端①引腳4(Vr)：移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出，第7頁(yè)共16頁(yè)其電壓幅值最大為T(mén)C787的工作電源電壓VDD（8—18V或?5??9V），在此觸發(fā)電路中VDD取15V，為單電源工作方式。②引腳5(Pi)：輸出脈沖阻止端。該端用來(lái)進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。③引腳6(Pc)：TC787工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平日，TC787輸出雙脈沖列；而當(dāng)該端接低電平日，輸出單脈沖列。④引腳13(Cx)：該端連接的電容Cx的容量決定著TC787或TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。⑤引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca)：對(duì)應(yīng)三一致步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值。(4)電源端TC787可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時(shí)引腳3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為8～18V。③.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)及其參數(shù)的計(jì)算：第8頁(yè)共16頁(yè)如觸發(fā)電路的電路圖所示：圖中電容C1～C3為隔直耦合電容，而C4～C6為濾波電容，它與R1-R3構(gòu)成濾去同步電壓中毛刺的環(huán)節(jié)。同時(shí)，RP1-RP3三個(gè)電位器的不同調(diào)理，可實(shí)現(xiàn)0～60°的移相，它們與Ca,Cb,Cc共同起到移相的作用，從而適應(yīng)不同變壓器的要求,所以取RP1?RP2?RP3?20KC1?C2?C3?10?FC4?C5?C6?1?F在TC787的同步電壓輸入端支路中，兩個(gè)R起穩(wěn)定電壓的作用，同時(shí)不可以有太大的電流：故取R?20k此時(shí)通過(guò)其電流為I?VDD?0.375mA2R電流足夠小，故不會(huì)影響總電路的電壓電流。第9頁(yè)共16頁(yè)由于在同步信號(hào)為50HZ時(shí)，電容Ca,Cb，Cc采用0.15μF電容時(shí)，相對(duì)誤差小于5%，以鋸齒波線(xiàn)性好，幅度大，不平頂。所以去Ca?Cb?Cc?0.15?F電容Cx決定調(diào)制脈沖或輸出方波的寬度，用0.01?F的電容，脈沖寬度為1mS.其脈沖寬度為比較良好的脈沖寬度，故Cx取0.01?FCx=0.01?F④同步電壓的選擇：由上述TC787的介紹中TC787被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時(shí)，引腳8為與三一致步電壓中C相正半周及B相負(fù)半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳12為與三一致步電壓中A相正半周及C相負(fù)半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端；引腳11為與三一致步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對(duì)應(yīng)的兩個(gè)脈沖輸出端等說(shuō)明中可知，TC787輸入的主電路的電壓?ua,?ub,?uc與同步電壓?usa?usb?usc之間的相位關(guān)系是可調(diào)的，調(diào)理RP1,RP2,RP3的大小就可以調(diào)理其相位關(guān)系，以便于適應(yīng)各種組別變壓器的使用。在此觸發(fā)電路同步電壓選擇時(shí)，將調(diào)理RP1,RP2,RP3取消其對(duì)主電路電壓的移相最用，即?ua與?usa的相位是同相的。由此可得出同步變壓器的矢量圖如下：第10頁(yè)共16頁(yè)

UABUaUabUsabUsa由矢量圖可知，觸發(fā)電路的變壓器的組別與主電路的變壓器的組別是一致的，即觸發(fā)電路變壓器的組別與主電路變壓器的組別一致，假設(shè)在此主電路中所用的變壓器組別為D,y-11,則觸發(fā)電路變壓器的組別為D,y-11,5。而且當(dāng)觸發(fā)電路受外界干擾使各一致步電壓不同步時(shí)，可以調(diào)理RP1,RP2,RP3調(diào)理相位關(guān)系從而使同步電壓保持同步?！次濉?設(shè)計(jì)保護(hù)電路電力電子器件以及主電路的保護(hù)大致分為兩種：過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。1.過(guò)流保護(hù)①過(guò)流保護(hù)電路的選擇電力電子電路運(yùn)行不正常或發(fā)生故障時(shí)，可能發(fā)生過(guò)電流，其中采用快速熔斷器是一種是一種常用的措施，其快速性與有效性都可以滿(mǎn)足對(duì)電子線(xiàn)路保護(hù)的要求?？焖偃蹟嗥鞯谋Ｗo(hù)方式可以分為全保護(hù)和短路保護(hù)。全保護(hù)是指不管過(guò)載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)。此方式只適用于小功率裝置或器件裕量較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)的作用。為了安全可靠的保護(hù)電子線(xiàn)路，故此過(guò)流保護(hù)電路選擇全保護(hù)方式。第11頁(yè)共16頁(yè)其電路圖如下：快熔式保護(hù)過(guò)流電路②過(guò)流保護(hù)電流參數(shù)的計(jì)算除了與普通熔斷器一樣要考慮熔斷器電壓必需大于線(xiàn)路工作電壓、熔斷器的電流等級(jí)應(yīng)大于或等于內(nèi)部焙體的額定電流外，還需特別注意熔體的額定電流IRD是有效值，而晶閘管的額定電流IT(AV)是正弦半波的平均值，其有效值為1.57IT(AV)，尋常熔體的額定電流以下式選?。?.57IT(AV)>IRD>IT為了保證可靠與便利起見(jiàn)，可取IRD?IT(AV)所以保護(hù)電路中的快熔額定電流IRD?IT(AV)?40.48A根據(jù)以上參數(shù)，可選熔斷體的型號(hào)為：RS06？？？？第12頁(yè)共16頁(yè)2.過(guò)壓保護(hù)①過(guò)壓保護(hù)電路的選擇壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值\時(shí)，流過(guò)它的電流微小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門(mén)，當(dāng)電壓超過(guò)UN時(shí)，流過(guò)它的電流激增，相當(dāng)于閥門(mén)開(kāi)啟。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過(guò)電壓，保護(hù)電路免受過(guò)電壓的損害。在其閥門(mén)開(kāi)啟后，相當(dāng)與負(fù)載短路，電流瞬間增大，由于過(guò)流電路的保護(hù)，在其電流增大的瞬間會(huì)使快熔熔斷從而使電流得到保護(hù)。其保護(hù)特點(diǎn)可以滿(mǎn)足主電路的要求，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，時(shí)效性強(qiáng)。因此此過(guò)壓保護(hù)電路選用壓敏電阻保護(hù)電路。其原理圖如下：壓敏電阻電壓保護(hù)電路②過(guò)壓保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算壓敏電阻的選用主要考慮額定電壓和通流容量。額定電壓U1mA的下限是線(xiàn)路工作電壓的峰值，考慮到電網(wǎng)電熨斗額波動(dòng)以及屢屢承受沖擊電流以后U1mA的數(shù)值肯會(huì)下降，因此的電壓的取值應(yīng)適當(dāng)加大，尋常建議以30%的裕量計(jì)算，即U1mA?1.32U?1.32?3U2式中U——壓敏電阻兩端正常工作電壓的有效值，即最大連續(xù)電壓。第13頁(yè)共16頁(yè)壓敏電壓：U1mA?1.3?2?3?122.926V=391.438V最大連續(xù)電壓：U=3?U2?222.19V流通容量的選擇原則是壓敏電阻允許通過(guò)的最大電流應(yīng)大于泄放浪涌電壓時(shí)流過(guò)壓敏電阻的實(shí)際浪涌峰值電流。實(shí)際浪涌電流很難計(jì)算，一般狀況在變壓器容量大、距外線(xiàn)路近且缺少避雷器的場(chǎng)合應(yīng)選用流通容量較大的壓敏電阻。通過(guò)以上分析，壓敏電阻的主要參數(shù)為：壓敏電壓：U1mA=391.438V最大連續(xù)電壓：U=3?U2?212.914V所以選擇壓敏電阻的型號(hào)為：MYG-05D431K？？？？？〈六〉.電抗器的選擇整流電路中的電感按作用可分為濾波和限制環(huán)流構(gòu)大類(lèi)。這里主