中南大学工程训练报告

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

工程训练报告

题 目： 开环直流调速系统的设计与实现

学 院： 信息科学与工程学院

班 级： 电气工程及其自动化

姓 名：

学 号：

指导老师：

1 前 言

此次工程训练的要求，是设计直流开环调速系统并实现之。直流电动机开环调速系统具有良好的启动，制动性能，适宜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广泛的应用。与交流电机相比，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。

我们这次工程训练最终要给出所设计的直流调速系统的电路原理图和pcb图,因此我们借助的工具是protel 99 SE。我们小组设计的直流调速系统，采用晶闸管整流，整流电路采用三相桥式全控整流，其六脉波整流方式能够使波形更加平稳。电路的设计以此调速系统的安全可靠为目标，除了完成必要的调速功能，对于系统的开关时刻所产生的过电压和过电流，均采取措施来抑制以保证电路的安全稳定性。过电压保护采用RC过电压抑制电路，过电流保护采用快速熔断器。在实际情况下，脉动电流会增加电机的发热，同时产生脉动转矩，对电动机不利。所以，我还设置了一个平坡电抗器才抑制电流脉动。

这个系统虽然提供了很多防止开断过电流过电压的控制方法，但是在实际运用的过程中仍然有很多不足。同时也没有指出具体的控制电路的设计方法。文内各种不足和错误，殷切期望老师批评指正。

2 目 录

前言 ..................................................... 1

1 直流开环调速系统原理和设计思路 ......................... 3

1.1 直流开环调速系统原理 .............................. 3

1.2 设计思路 .......................................... 4

2 主电路和控制电路的设计 ................................. 8

2.1 整流电路 .......................................... 8

2.2 整流变压器 ....................................... 10

2.3驱动触发电路...................................... 10

2.4 保护电路 ......................................... 11

3 电路参数计算 .......................................... 12

3.1晶闸管的选取...................................... 13

3.2 变压器的参数及容量 ............................... 13

3.3 滤波电容的选择 ................................... 14

3.4 续流二极管的选择 ................................. 14

3.5 平波电抗器的计算 ................................. 14

4 总结 .................................................. 15

5 文献...................................................15

附录一 电路原理图........................................16

附录二 PCB...............................................16

3 1 直流开环调速系统原理和设计思路

1.1 直流开环调速系统原理

直流开环调速系统的简化电气原理示意图如图1-1所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。

图1-1 直流开环调速系统电气原理示意图

主电路的设计如图1-2中红线框内所示:

图1-2 主电路

4 1.2 设计思路

晶闸管整流电路分为两大部分——主电路和控制电路。主电路包括：电网，整流变压器，过电压保护，过电流保护，缓冲电路，三相桥式全控整流电路以及负载电动机。具体说来，主电路采用三相桥式全控整流的形式，将三相交流电转换为直流电。保护电路有过电流保护和过电压保护电路。使用快速熔断器作为过电流保护,如图1-3所示，以及采用电流互感器整定电路作为过流保护，如图1-4所示。过电压保护分为外部过电压保护和内部过电压保护,外部过电压保护主要是防止雷击造成的过电压,采用如图所示1-5所示,内部过电压主要是防止电路开启或闭合时造成的过电压对晶闸管的破坏,我们采用RC阻容电路作为过内部电压保护电路，如图1-6所示。

图1-3 过流保护

图1-4过流保护

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图1-5 外部过电压保护电路

图1-6内部过电压保护电路

此外,本系统直流电机采用的是他励,因此为了保证电机的稳定运行和可靠调速,我们设计了励磁回路的稳压电路,如图1-7所示。

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图1-7 励磁回路稳压电路

对于控制回路，主要的部分是晶闸管触发电路。向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应该保证每一个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就关系到触发电路的定向问题。

为了保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率是始终一致的。接下来的问题是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多反面的因素确定，主要包括相控电路的主电路、触发电路的结构。最终，应该由，整流变压器和同步变压器的接法确定。触发信号的产生和控制则有选定的DSP芯片来控制。触发电路如图1-8所示

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图1-8触发电路

控制电路除了触发电路及其控制电路外，还有手动开关控制部分，故障控制和指示部分。分别如下图1-9、1-10所示：

图1-9 手动开关控制部分

图1-10 故障警示部分

8 为了保证故障能够及时被发现和保护动作，对故障警示部分加了稳压电路保障。如下图1-11所示：

图1-11 故障警示部分的稳压电路

2 主电路和控制电路的设计

2.1 整流电路

采用三相全控桥整流，其产生的六脉波整流使得波形更加平稳，有利于电动机的可靠运行。其中阴极连在其的3个晶闸管VT1，VT3，VT5为共阴极组，阳极连在一起的VT2，VT4，VT6称为共阳极组。晶闸管按从1到6的顺序经过控制电路发出的脉冲依次导通。图2-1为三相全控桥整流电路。

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图2-1 三相全控桥整流电路

三相桥式整流电路带阻感负载运行时，当触发角小于60度时，其波形与带电阻负载相同，波形如图：

图2-2 触发角为0度时的波形图 图2-3 触发角为30时的波形图

当触发角大于60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负

10 载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。图2-4给出了α=90度时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。

图2-4 触发角为90时的波形图

2.2 整流变压器

为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，应采用△/Y接法。图2-5为整流变压器电路。

图2-5 整流变压器电路

2.3触发电路

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的 ，是电力电子装置的重要环节。性能好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性有重要的意义。它的基本任务，是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，

转换为加在电子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

11 于晶闸管来说，只需要提供开通信号即可。其触发电路，需要满足：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，触发脉冲应有足够的强度，且不应超过晶闸管门极的电压电流功率定额，具有抗干扰性能，温度稳定性及与主电路的电气隔离。

图2-6触发电路

2.4 保护电路

电力电子装置受所用器件性能的影响，承受过电压、过电流的能力比较差(例如电动机、变压器等，通常可在几倍的额定电流下工作几秒钟或几分钟，而在同样条件下电力电子器件只要0.1秒或更短的时间就已损坏)。为了提高电力电子装置的可靠性，除了设计时合理选择电力电子器件的电流、电压容量外，还需采取与一般电工设备不同的一些保护措施，以防止电力电子器件的过电流、过电压损坏。

过载电流流过电力电子器件时会使器件温度迅速上升，如不及时切断或限制过电流，很快就会使器件因温度过高而损坏。过载电流越大，器件能承受过电流的时间越短。这里采用快速熔断器，与电力电子器件直接串联,如图2-7所示。快速熔断器必须在晶闸管损坏以前熔断，才能起保护作用。普通熔断器因熔断时间较长，不能用于电力电子器件的过电流保护。快速熔断器用一定形状的银质或铝质熔丝，周围充以石英砂，在过电流流过时，其熔断时间通常在20毫秒以内。