晶闸管可控整流技术直流电机调速系统设计

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介 (1)

1.3 课题设计要求 (1)

1.4 课题主要内容 (2)

2 主电路设计 (3)

2.1 总体设计思路 (3)

2.2 系统结构框图 (3)

2.3 系统工作原理 (4)

2.4 对触发脉冲的要求 (5)

3 主电路元件选择 (6)

3.1 晶闸管的选型 (6)

4 整流变压器额定参数计算 (7)

4.1 二次相电压U2 (7)

4.2 一次与二次额定电流及容量计算 (9)

5 触发电路的设计 (10)

6 保护电路的设计 (14)

6.1 过电压的产生及过电压保护 (14)

6.2 过电流保护 (14)

7 缓冲电路的设计 (16)

8 总结 (19)

1 绪论

1.1 课题背景

当今,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用,直流调速系统是

自动控制系统的主要形式。

由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统(简称KZ—D系统)和旋转变流机组及其它静止变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大

提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运

行，必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施。为此，在

变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护；在直流负载侧并联

电阻和电容构成直流侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可

控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过

流保护作用。

随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电

能10%～40%，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环

节。

1.2 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介

该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、

移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了

保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。

1.3 课题设计要求

1、输入交流电源：

2、三相140V f=50Hz

3、直流输出电压：50~150V

5、直流输出电流额定值50A

6、直流输出电流连续的最小值为5A

7.给出整体设计框图，画出系统的完整的原理图(用protel99软件绘

制)；

8.说明所选器件的型号，参数。

9.给出具体电路画出电路原理图；

1.4 课题主要内容

（1）整流电路的选择

（2）整流变压器额定参数的计算

（3）晶闸管电流、电压额定的选择

（4）平波电抗器电感值的计算

（5）保护电路的设计

（6）触发电路的设计

（7）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图（8）列出主电路所用元器件的明细表

2 主电路设计

2.1 总体设计思路

本次设计的系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的

触发电路，设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲，脉冲宽度在8°左右。

本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输

出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通

过参数计算对晶闸管进行了选型。

三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短。，由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二

次侧电流中含有直

电路，可以有效的避免直流磁化作用。

根据已知要求，额定电流为50A，额定电压为150V，可求的功率P=50*150=7.5KW，一般整流装置容量大于4KW，选用三相整流较为合适。

2.2 系统结构框图

三相全控桥式整流电路如图2-1所示。

图2-1系统结构框图

2.3 系统工作原理

其工作原理详细分析如下：

在t1~t2ωω间，U 相电压最高，共阴极组的VT1管被触发导通，电流由U 相经VT1流向负载，又经VT6流入V 相，整流变压器U 、V 两相工作，所以三相全控桥输出电压Ud 为：

Ud=Ud1-Ud2=Uu-Uv=Uuv

经过60o进入t2~t3ωω区间,U 相电压仍然最高,VT1继续导通,W 相电压最低,在VT2管承受的2交点时刻被解发导通,VT2管的导通使VT6承受uwv 的反压关断。这区间负载电流仍然从电源U 相流出经VT1、负载、VT2回到电源W 相，于是这区间三相全控桥整流输出电压Ud 为：

Ud=Uu-Uw=Uuw

经过60o，进入t3~t4ωω区间，这时V 相电压最高，在VT3管0

0α=的3交点处被触发导通。VT1由于VT3和导通而承受Uuv 的反压而关断，W 相的VT2继续导通。负载电流从V 相流W 相，于是这区间三相全控输出电压Ud 为：

Ud=Uv-Uw=Uvw

其他区间，依此类推，电路中6只晶闸管导通的顺序及输出电压很容易得出。

由上述可知，三相全控桥输出电压Ud 是由三相电压6个线电压Uuv 、Uuw 、uvw 、

Uvu 、Uwu 和Uwv 的轮流输出组成的。各线电压正半波的交点1~6分别为VT1~VT6的α=0o点。因此分析三相全控整流电路不同Ud 波形时，只要用线电压波形图直接分析画波形即可。

2.4 对触发脉冲的要求

三相全控桥整流电路在任何时刻都必须有两只晶闸管同时导通，而且其中一只是在共阴极组，另外一只在共阳极组。为了保证电路能起动工作，或在电流断续后再次导通工作，必须对两组中应导通的两只晶闸管同时加触发脉冲，为此可采用以下两种触发方式：

（1）采用单脉冲触发：如使每一个触发脉冲的宽度大于60o而小于120o，这样在相隔60o要触发换相时，当后一个触发脉冲出现时刻，前一个脉冲还未消失，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管

（2）采用双窄脉冲触发：如触发电路送出的是窄的矩形脉冲，在送出某一晶闸管的同时向前一相晶闸管补发一个脉冲，因此均能同时触发该导通的两只晶闸管。

3 主电路元件选择

3.1 晶闸管的选型

该电路为大电感负载，电流波形可看作连续且平直的。Ud=150V 时，不计控制角余量按α=0o计算：

由Ud=2 .34U2得 U2=2.34

Ud =64.1V 取80V te U =（2~3）t U

=（2~3）*6*U2

=（2~3）*6*120V

=392~588 V

取Ute 为700V 当Id=100A 时，流过每个晶闸管的电流有效值为：

It =1/3Id =1/3

50A=29A 晶闸管额定电流 ()It AV =1.57It =291.57

=18.5A 取Kf=1.73,考虑2倍裕量：()It AV 取50A,当Id=5A 时

It =1/3Id =1/35A=2.85A

()It AV =1.57

It = 1.8A 考虑2倍裕量：()It AV 取5A

按要求表明应取α=0o来选择晶闸管。即()It AV =5A

所以晶闸管型号为KP50—1

4 整流变压器额定参数计算

在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U2、一次与二次额定电流以及容量。

由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电流，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。

4.1 二次相电压U2

平时我们在计算U2是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可

忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时U2应按下式计算： U2=(cos 2/2)

Udn n Ut A CUdlI I n βα+?- 式中:Udl ——负载的额定电压； ——整流元件的正向导通压降，一般取1V ；

n ——电流回路所经过的整流元件（VT 及VD ）的个数（如桥式2n =，半波电路1n =）；

A ——理想情况下=0o时U 与U2的比值，查表可知； β——电网电压波动系数，一般取0.9；

α——最少移相角，在自动控制系统中总希望U2值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取30o~35o，不可逆直流调速系统取10o~15o； C ——线路接线方式系数，查表三相桥式C 取0.5V ；

Udl---变压器阻抗电压比，100KV *A 以及取Udl=0.05，100KV *A 以上取Udl=0.05~0.1；

I2/I2n ——二次侧允许的最大电流与额定电流之比。

对于一般三相桥式可控整流电路供电的直流调速系统，U2计算也可以采用以下经验公式：

不可逆调速系统： U2=（0.53~0.58）Udn

可逆调速系统： U2=（0.58~0.64）Udn

式中U2——整流变压器二次相电压有效值；

Udn ——直流电动机额定电压。

对于一般的中小容量整流调压装置，其U2值也可以用以下公式估算：

U2=（1.15~1.2）

Udn A 所以根据以知的参数及查表得：

U2=

()

cos 2/2Udn n Ut A CUdlI I n βα+?-=82.48V 4.2 一次与二次额定电流及容量计算

如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：

K=1122

N U N U = 式中N1,N2——变压器一次和二次绕组的匝数；

K ——变压器的匝数比。

由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下：

大电感负载时变压器二次电流的有效值为

2=

23Id =0.816Id = 0.816*50A=40.5A 由一次侧和二次侧电压得：

111402282.5

N U N U == 1122I N I N = 故1I =23.86A 变压器二次侧容量为

32*23*120*1829.2*U I V A KV A ==

变压器的安全性能----主要有变压器的阻燃性能和绝缘性能

阻燃性能有所选原材料决定

绝缘性能：e型变压器的绝缘是由骨架的结构决定的

c型变压器的绝缘石油组间绝缘层的结构决定的

e型变压器：工字形骨架的绝缘一般

计算方法：

VAB --结构容量

p2 --输出功率

u1 --初级电压

u2 --次级电压

升压式 VAB=p2（1-u1/u2）

将压比 VAB=p2（1-u2/u1）

五触发电路的设计

晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性.当晶闸管的阳极加上正向电压后,还必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通, 这一正向触发电压的导通是由触发电路提供的,根据具体情况这个电压可以是交流、直流或脉冲电压。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极的触发功率，常常用

脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。

由闸管的门极伏安特性曲线可知，同一型号的晶闸管的门极伏安特性的分散性很大，所以规定晶闸管元件的门极阻值在某高阻和低阻之间，才可能算是合格的产品。晶闸管器件出厂时，所标注的门极触发电流Igt、门极触发电压U是指该型号的所有合格器件都能被触发导通的最小门极电流、电压值，所以在接近坐标原点处以 gt\Ugt为界划除OABCO区域，在此区域内为不可靠触发区。在器件门极极限电流Igfm、门极极限电压和门极极限功率曲线的包围下，面积ABCDEFG 为可触发区，所用的合格的晶闸管器件的触发电压与触发电流都应在这个区域内，在使用时，触发电路提供的门极的触发电压与触发电流都应处于这个区域内。

再有，温度对晶闸管的门极影响很大，即使是同一个器件，温度不同时，器件的触发电流与电压也不同。一般可以这样估算，在100°高温时，触发电流、电压值比室温时低2~3倍，所以为了使敬闸管在任何工作条件下都能可靠的触发，触发电路送出的触发电流、电压值都必须大于晶闸管器件的门极规定的触发电流、触发电压值，并且要留有足够的余量。如触发信号为脉冲时，在触发功率不超过规定值的情况下，触发电压、电流的幅值在短时间内可以大大超过额定值。触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触

发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为0.5~1MS，相当于50HZ、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一个触发脉冲。

触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0度~180度，带大电感负载时，要求移项范围是0度~90度；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是0度~90度。

触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角 被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电压uc与同步电压us控。

六保护电路的设计

在电力电子器件电路中，除了电力电子器件参数要选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt 保护也是必不可少的。

6.1 过电压的产生及过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

（1）外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：（2）操作过电压：由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间的存在的分布电容静电感应耦合过来。

（3）雷击过电压：由雷击引起的过电压。

（4）内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。

（5）换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

（6）关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。

6.2 过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措

施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛的一种过电流保护措施。此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流的响应最快。

七 缓冲电路的设计

缓冲电路，其作用是抑制电力电子期间的内因过电压.du/dt.过电流和di/dt,减少器件的开关损耗.缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路.关断缓冲电路又称为du/dt 抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通损耗,可将关断缓冲电路和开通电路结合在一起,称为复合缓冲电路.还有另外一中分类方式:缓冲电路中储能元件的能量如果能消耗在吸收电阻上,则称其为馈能式缓冲电路或无损吸收电路，如无特别说明,通常缓冲电路专指关断缓冲电路,而将开通缓冲电路叫做di/dt 抑制电路。 Cs

Rs Ri

VDi

VD

L

Li

V

VD

图2-6di/dt 抑制电路

图2-6所示的缓冲电路,使用于中等的容量的场合.其中RC 缓冲电路主要用于小容量器件,而放电阻止型RCD 缓冲电路用语中或大容量器件，晶闸管在实际应用中一般只承受换相过压,没有关断电压问题,关断时也没有较大的

C

VD R D?VD D?VD R C C R du/dt,因此一般采用RC 吸收缓冲电路即可，图2-6为GTO 常见的三种缓冲电路.为了使缓冲效果更加显著,电路中的二极管尽量选用快速二极管,同时接线要尽量短以减少布线电感.

图72-6a 缓冲电路不仅能抑制开通过程du/dt 与di/dt 值,同时还使刚开通时加在GTO 上的du/dt 初始值小．电路中由于有二极管ＶＤ阻挡，使得电容Ｃ的放电不能经过ＧＴＯ，以免ＧＴＯ刚开通时di/dt 值过大．

图7-1b 缓冲电路抑制du/dt 与di/dt 效果更明显，但电容放电要经过ＧＴＯ（放电电流受Ｒ值的限制）．

图7-1c 所示的缓冲电路通常是ＧＴＯ容量在５０Ａ以下时才采用．

a) b) c)

图2-6

阻容吸收元件参数可按表7-1所提供的经验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压的1.1至1.5倍。

表7-2 晶闸管阻容电路经验数据

电阻功率2m P fCU =*10

式中f ——频率，取500Hz ；

m U ——晶闸管工作峰值电压，单位为V ；

C ——与电阻串联的电容量，单位为μF ；

P ——电阻选取的功率，单位为W 。

所以根据其提供的资料可取电容0.2μF ，电阻取40Ω。

晶闸管额定电

流It(AV)/A

1000 500 200 100 50 20 10 电容C/μF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1 电阻R/Ω

2 5 10 20 40 80 100

八总结

经过几周的工程实训，我对电力电子技术这门课程及相关知识有了更深刻的理解和体会，同时也很好的把理论知识运用于实践之中，在实训之中我真正的学到了很多东西，受益颇多。

我做的课题是《直流电动机用硅整流器的设计》，首先对该课题进行简单的介绍：将交流电能转换为直流电能是电力电子技术应用的重要领域。采用晶闸管作为主要的功率开关器件，容量大，控制简单，技术成熟。

在做该设计之前，我认真看了老师给我提出的课题，看了其中的具体要求，通过在图书馆查阅相关资料，上网找资料，向老师询问疑点等方式，有效的解决了我不懂之处。

在本设计中，难点重点在于如何对整流电路进行设计，通过给定的有关参数的计算对晶闸管进行选型，计算变压器的正、副偏电压，电流及其容量。其次，就是这些公式的编写，在平时，Microsoft Word文档中一般很少用，在编写之前,我特意问了老师,装了一个3.0的公式,终于解决了我面前的又一个问题。

该课题分九个环节进行阐述，其内容包括：1、主电路的设计；2、主电路元件的选择；3、整流变压器额定参数的计算；4、平波电抗器的设计；