1、引言.31 課程設(shè)計要求與目的.32設(shè)計內(nèi)容33 設(shè)計方案73.5.1 U2的計算8(1)晶閘管的額定電壓9(2)晶閘管的額定電流9(1)交流側(cè)過電壓保護10(2)阻容保護104直流電動機135PWM控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)145.3 光耦隔離開關(guān)166 結(jié)論.18參考文獻資料.19引言 在勵磁電流不變的前提下，直流電動機的轉(zhuǎn)速與直流電機電樞繞組的感應(yīng)電動勢成正比。利用電壓負反饋電流補償來代替轉(zhuǎn)速負反饋，可以節(jié)省測速裝置，降低調(diào)速系統(tǒng)成本。采用主電路串入取樣電阻Rs，形成電流正反饋，只能補償電樞內(nèi)阻產(chǎn)生的壓降，而不能補償電樞自感產(chǎn)生的壓降。利用電橋法檢測電樞電動勢來代替轉(zhuǎn)速負反饋，這種法可沒有

2、考慮電樞自感電動勢的影響。在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速過程中，電樞電流變化率很大，產(chǎn)生的自感電動勢也大，因此電流補償?shù)恼`差也很大。針對電流補償?shù)娜秉c可以做以下改進，在主電路中增加一個串聯(lián)電感，來提取由電樞自感電動勢產(chǎn)生的壓降，這樣就可以保證在電流變化率很大時，電流補償能精確地補償電樞壓降。1 課程設(shè)計要求與目的技術(shù)要求：已知直流電動機額定功率10KW，額定電壓=220V、額定電流 =55A轉(zhuǎn)速=1000r/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，要求電流波仍會連續(xù)。通過課程設(shè)計，一方面使我們對本課程所學(xué)內(nèi)容加深理解，另一方面熟悉工程設(shè)計的過程、規(guī)范和方法，能正確查閱

3、技術(shù)資料、技術(shù)手冊和標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)我們的工程設(shè)計能力。電力電子是一門專業(yè)基礎(chǔ)性質(zhì)很強且與生產(chǎn)應(yīng)用實際緊密聯(lián)系的課程，學(xué)習(xí)本課程，培養(yǎng)我們對物理概念與基本分析方法的學(xué)習(xí)能力，做到理論結(jié)合實際，盡量做到器件、電路、應(yīng)用三者結(jié)合。在學(xué)習(xí)方法上也形成了對電路的相位與波形的分析習(xí)慣，抓住電力電子器件在電路中道通與截止的變化過程，從波形分析中進一步理解電路的工作狀況，培養(yǎng)了讀圖與分析能力，掌握器件計算、測量、調(diào)整及電路分析等方面的實踐能力。2設(shè)計內(nèi)容主電路選擇與參數(shù)計算主電路選擇原則圖2-110KW直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)圖2-2 10KW直流電動機不可逆調(diào)速電路（一）圖2-310KW直流電動機不可逆調(diào)速電路

4、（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(yīng)在勵磁繞組通電后方可閉合，同時設(shè)有弱磁保護環(huán)節(jié)?？刂齐娐吩撾娐凡捎棉D(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(shè)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

5、、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(luò)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

6、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。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。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2-4 KC04內(nèi)部電路KC04采用雙列直插1

7、6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2-5 KC04有關(guān)引腳波形參數(shù)計算包括整流變壓器的參數(shù)計算、整流晶閘管的型號選擇、保護電路的說明，參數(shù)計算與元件選擇，平波電抗器電感量計算。3設(shè)計方案直流電動機型號：71 、額定功率=10KW、額定電壓=220V、額定電流 =55A 、轉(zhuǎn)速=10

8、00r/min 、極數(shù)2P=4、電樞電阻、電樞電感=7mH、勵磁電壓=220V、S<=15%、勵磁電流=1.6A。電動機供電方案據(jù)題意采用晶閘管可控整流裝置供電。本設(shè)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(shè)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(dǎo)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(yīng)是滿足調(diào)速指標(biāo)要求的前提下，選擇最簡單的反饋方案。反饋方式的選擇負載要求D10，S15，則系統(tǒng)應(yīng)滿足的轉(zhuǎn)速降電動系數(shù)：該直流電動機固有轉(zhuǎn)速

9、降故采用電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)電壓放大倍數(shù)直流調(diào)速系統(tǒng)框架圖系統(tǒng)框架圖如圖所示：圖3-1 直流調(diào)速系統(tǒng)框架圖主電路計算 U2的計算其中：則E：安全裕量，取電壓比：一次電流I1和二次電流I2的計算已知全波整流電路中變壓器容量的計算，晶閘管元件的選擇圖3-2 晶閘管元件的的選擇(1)晶閘管的額定電壓，取。(2)晶閘管的額定電流取整流二極管同上晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算晶閘管的過壓保護晶閘管設(shè)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(shè)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

10、圖3-3 阻容三角抑制過電壓圖3-4 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3-5 過電壓保護原理圖(1)交流側(cè)過電壓保護(2)阻容保護，選、耐壓700V ，取壓敏電阻的選擇直流側(cè)過電壓保護選用的壓敏電阻作直流側(cè)過電壓保護。晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護由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表3-1 晶閘管過電壓保護參數(shù)依據(jù)上面表格可以初步確定、過電流保護晶閘管設(shè)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

11、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(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)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(dāng)于整流橋負載短路。另外，如整流變壓器中心點接地，當(dāng)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

12、快速熔短器的額定電流。圖3-6 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(yīng)當(dāng)采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如下：圖3-7 過電流保護原理圖交流側(cè)快速熔斷器的選擇由于,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。元件端快速熔斷器的選擇由于,為了減少元件的多樣性便于設(shè)計和安裝，本設(shè)計將元件端快速熔斷器的規(guī)格定為額定電壓為300V，額定電流為85A熔斷器。平波電抗器平波電抗器電阻計算按電流連續(xù)要求的電感量：式中， ;對于三相橋式全控電路平波電抗器電感量計算方法一、L =rl =0.5x7m

13、h=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。4直流電動機直流電動機的結(jié)構(gòu)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。 圖4-1 直流電動機的分類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磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機。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)。作為并勵發(fā)電機來說

14、，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，這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。 復(fù)勵直流電機，復(fù)勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)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(fù)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(fù)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

15、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。可以均勻而經(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。 直流電動機的工作原理圖4-2 直流電動機工作原理大致應(yīng)用了“通電導(dǎo)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(dāng)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

16、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。5PWM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(yīng)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(yīng)運而生。系統(tǒng)設(shè)計原理

17、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(dǎo)體數(shù)。由式可以看出，式中Ua、

18、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5-1 兩種斬波器的輸出電壓特性5.2元器件的選擇比較基于IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動電路設(shè)計的比較IGBT驅(qū)動電路能驅(qū)動大型的功率設(shè)備，但價格高。MOSFET能驅(qū)動較大的功率設(shè)備，價格比IGBT低很多。本課程

19、設(shè)計是驅(qū)動小功率直流電動機，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動電路設(shè)計。但電動機功率僅為100W，所以本課程設(shè)計采用MOSFET管來進行控制。功率場效應(yīng)管(MOSFET)與雙極型功率相比具有如下特點：場效應(yīng)管(MOSFET)是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動大電流時無需推動級，電路較簡單；輸入阻抗高，可達108以上；工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗小；有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且場效應(yīng)管(MOSFET)的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；功率場效應(yīng)管(MOSFET)可以多個并

20、聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。5.3光耦隔離開關(guān)光耦隔離開關(guān)是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電光電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)體光電子器件。光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。5.4驅(qū)動電路部分與電源部分圖5-2驅(qū)動電路驅(qū)動部分主要由用的光電耦合器和MOSFET組成，由單片機的P26口提供的信號，P26當(dāng)為高電平時，發(fā)光管導(dǎo)通，光電耦合器輸出低電平，MOSFET關(guān)閉，回路關(guān)閉。當(dāng)P26口為低電平時，發(fā)光管關(guān)閉，光電耦合器輸出為高電平，MOSFET打開，回

21、路導(dǎo)通。圖5-3電源電路電源部分采用的是三端穩(wěn)壓器7805，輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電，經(jīng)7805穩(wěn)壓，由電容濾波，輸出+5V電壓，為單片機提供工作電源。實驗數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系序號1234轉(zhuǎn)速（VPM）11931073906717電壓（V）169表5-1 轉(zhuǎn)速和電壓關(guān)系5.5用示波器檢測電路使用按鍵，示波器檢測MOSFET功率管1腳，發(fā)現(xiàn)其占空比能改變。檢測P2.6，光耦隔離開關(guān)發(fā)射端A腳，接受端C腳，波形正常。然后檢測MOSFET功率管1腳的波形，發(fā)現(xiàn)其低電平為1v左右,高電平為13v左右。最后猜想可能是1V的電平也可能使MOSFET功率管導(dǎo)通，于是減小MOSFET功率管3

22、腳的電壓，把其改為5V。用示波器測量1腳電壓，顯示方波的低電平為0.2v左右,高電平5v左右。最后按下按鍵能控制電機轉(zhuǎn)速。原因分析：MOSFET功率管3腳的輸入電壓過高時,在前面電路的影響下其低電平電壓會偏高，從而導(dǎo)通IRF740MOSFET功率管。解決方法：降低MOSFET功率管3腳的輸入電壓，可降至5V。結(jié)論電力電子是一門專業(yè)基礎(chǔ)性質(zhì)很強且與生產(chǎn)應(yīng)用實際緊密聯(lián)系的課程，學(xué)習(xí)本課程時，要著重物理概念與基本分析方法的學(xué)習(xí)，理論結(jié)合實際，盡量做到器件、電路、應(yīng)用三者結(jié)合。在學(xué)習(xí)方法上要特別注意電路的相位與波形的分析，抓住電力電子器件在電路中道通與截止的變化過程，從波形分析中進一步理解電路的工作狀況，培養(yǎng)讀圖與分析能力，掌握器件計算、測量、調(diào)整及電路分析等方面的實踐能力。一些時間，但這比空想要有效的多。做事情一定要細心，更要耐心，遇到問題要慢慢去檢查，然后仔細分析后再解決；除此之外，還要有合作精神，注重團隊合作，和合作者一起做，相互鼓勵，互相彌補不足之處，很多難點的突破都來自于與同學(xué)的交流，交流使自己獲得更多信息，開拓了思路，這樣很多事情就成了。本次設(shè)計把理論應(yīng)用到了實踐中，同時通過設(shè)計，也加深了自己對理論知識的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了許