课程设计说明书题目直流电机开环调速系统设计（院）系电气信息学院专业自动化班级 0802 学号 200801020232 学生姓名叶琴指导老师姓名赵葵银刘星平完成日期 2011年 6月13日至 2011年6月24日湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：直流电机开环调速系统设计（晶闸管整流）专业班级：自动化0802学生姓名：叶琴学号：200801020232 指导老师：刘星平赵葵银审批：李晓秀任务书下达日期2011 年6月13 日设计完成日期2011 年6月24 日目录第1章概述 (1)第2章总体方案确定 (2)2.1 总体方案设计 (2)2.2 系统原理框图 (3)第3章主电路设计 (4)3.1 主电路设计思路 (4)3.2 主电路图 (5)3.3 各单元电路设计 (5)3.4 主电路元件计算及选型 (7)第4章控制电路设计 (8)4.1 控制电路设计思路 (8)4.2 控制电路图 (8)4.3 各单元电路设计 (9)第5章硬件调试 (11)第6章总结 (12)参考文献 (13)第1章概述电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的，一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件，对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。
晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器SCR，以前被简称为可控硅。
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。
整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机、电镀、电解电源等。
三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的一种整流电路，电路有6个晶闸管，分为共阳极组和共阴极组，习惯上晶闸管是从1到6的顺序导通，每个时刻均需两个晶闸管同时导通，六个晶闸管的脉冲相位依次差60度，整流输出电压一周期脉动六次，每次脉动的波形一样，故称为六脉波整流电路。
直流电机控制系统开环调速系统电路分为主电路和控制电路两大部分，主电路包括整流电路及保护电路，控制电路包括触发电路、驱动电路及检测与故障保护电路等。
利用触发电路调节晶闸管整流电路中触发延迟角α的大小来调整直流电机两端的直流电压大小，进而改变电机的转速。
第2章总体方案确定2.1 总体方案设计直流电机调速系统由两大部分组成，主电路和控制电路，主电路主要环节：整流电路及保护电路，控制电路主要环节：触发电路、驱动电路、检测与故障保护电路。
直流电动机可以有三种调速方法，电枢电路串电阻调速、弱磁调速和降低电枢电压调速。
该课程设计要求是单向无极调速，即单方向转速是连续可调的，故只能采用减压调速的方法进行设计。
直流电动机的工作电压不能大于额定电压，因此只能向小与额定电压的方向改变，降压调速需要有专用的可调直流电源，所以采用三相桥式全控整流电路将电网电压转换为大小可变的直流电压，供给电动机工作。
晶闸管串联一般存在电压分配不均的问题，可以用RC并联支路作动态均压，电力电子电路中需要采用合适的过电压、过电流保护电路，采用RC电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护，交流变换为直流之后难免存在电压小幅度波动问题，设计利用大电容滤波稳压。
控制电路利用集成触发器作触发电路，只需要3片KJ004和1片KJ041芯片即可形成六路双脉冲。
驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离，这里采用光隔离，一般采用光耦合器。
2.2 系统原理框图如图2.1所示：图2.1 系统框图第3章主电路设计3.1 主电路设计思路主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电及短路保护。
采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。
触发电路采用集成触发电路，脉冲送给六个晶闸管。
电网送电给主电路之前应进行一系列保护措施，三相输入端串快速熔断器FUSE防止过载电流突变或短路造成的危害，利用RC电路或压敏电阻进行外因过电压和内因过电压保护。
目前整流电路的应用十分广泛，最为广泛的是三相桥式全控整流电路，电路利用六个晶闸管和足够大电感将三相交流电转换为直流电供给发动机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压来确定触发角的大小，进而改变直流侧电压和电流大小。
整流电路在接入电网时变压器一次侧电压是380v，一般大于负载的额定电压，采用降压变压器，为得到零线，变压器二次侧必须接成y形，而一次侧采用三角形连接以避免三次谐波流入电网对电源产生干扰。
3.2 主电路图图3.1 主电路原理图3.3 各单元电路设计3.3.1 过压保护电路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。
由分闸、合闸等开关操作一起的过电压和由雷击引起的过电压叫做外因过电压。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压和关断过电压，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立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当恢复了阻断能力时，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之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生或电压叫做换相过电压。
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由线路电感在器件两端感应出的过电压叫做关断过电压。
具体的图形如图3.2所示：图3.2 RC过电压抑制电路3.3.2 过电流保护电路过电流分过载和短路两种情况，采用快速熔断器是电力电子装置中最有效，应用最广的一种过电流保护措施。
此设计利用快熔进行电路全保护，如图3.3所示：图3.3 过电流保护措施3.3.3 滤波电路电容滤波电路利用电容充、放电作用，使输出电压趋于平滑，滤波电路好坏取决于电容充放电常数，电容C愈大，电阻R愈大，充放电时间愈长，那么电压趋于一恒定值，其电路图如图3.4所示：图3.4 滤波电路图3.4 主电路元件计算及选型选取直流电动机型号为Z4-100-1，Pn=4KW,Un=400V,In=12A,Nn=2630r/min,电枢回路总电阻R=2.82Ω，给定输入输出电压：AC 220V（+-15%波动）,DC 0-230V可调3.4.1 变压器的设计Ud=2.34U2cosα，假设α=0，其中Ud=400V，U2是变压器二次侧相电压，则U2min=400/2.34=171V,U2存在15%的波动，U2=171/0.85=200V，二次电流I2=(1.414/1.732)Id=0.816Id，其中Id=In=12A，I2=0.816*12=10A于是S2=3U2I2=3*200*10=6KVA三相桥式整流电路有S1=S2，一次电流I1=U2I2/U1=200*10/380=5.2A3.4.2 晶闸管的设计晶闸管电流的有效值Ivt=（1/1.732）Id=1/1.732*12=7A,晶闸管的额定电流Ivt（av）=Ivt/1.57=4.5A,考虑安全裕量1.5-2倍，选取额定电流值为9A的晶闸管。
由于负载电流连续，晶闸管承受的最大反向电压为根号6倍的U2即2.45*200=490V，考虑安全裕量2-3倍，晶闸管的额定电压为980V。
3.4.3 滤波电容的设计该系统负载不大，取C=2200uf，耐压1.5倍的晶闸管的额定电压即1470V。
第4章控制电路设计4.1 控制电路设计思路控制电路包括：触发电路，驱动电路，保护电路。
触发电路采用集成触发器，是整个控制电路的核心，它的作用是产生晶闸管的触发脉冲，同时通过控制触发角的大小来调节电动机两端的电压电流大小，进而达到调速的效果。
驱动电路主要作用是放大触发脉冲来驱动晶闸管的导通，进行主电路和控制电路的电气隔离。
4.2 控制电路图图4.1 控制电路原理图4.3 各单元电路设计4.3.1 触发电路集成触发电路可靠性高、技术性能好、体积小、功耗低、调试方便，诸多优点已经使晶闸管触发电路逐步取代分立式电路，分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节，只需要用三个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。
触发电路图如图4.1所示，KJ004集成块1引脚输出正脉冲，15引脚输出负脉冲，相位相差180度，正好形成三相桥式整流电路的同一相上下的上下两个桥臂，Uco叫做控制电压，调节触发角α大小，Up叫做偏移电压，目的是为了确定控制电压等于0时脉冲的初始相位，Usa、Usb、Usc叫做变压器同步电压，KJ041集成块引脚1-6为六路单脉冲输入，引脚10-15为六路双脉冲输出，接至整流电路的六个晶闸管控制端，驱动主电路工作。
触发电路是调速系统的核心内容，脉冲的好坏直接影响调速的连续性，要实现开环无极调速，即转速单方向连续可调，触发电路一定要正确。
4.3.2 驱动电路电力电子系统是由主电路和控制电路组成的，主电路的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路和检测电路的连接处，一般要进行电气隔离，而通过其他手段如光、磁等来传递信号。
此次设计利用驱动电路提供了主电路与控制电路之间的电气隔离，利用光耦合器进行光隔离。
电路图如图4.2所示：图4.2 光耦合器4.3.3 电压电流检测单元课程设计的课题为直流电机控制系统开环调速系统，无反馈环节的设计，只有给定的输入电压电流信号，没有反馈的。
调节给定输入信号可使触发器的脉冲控制角及整流电压改变，n=（U-Ia*R）/Ce*Φ，相应改变电动机转速。
第5章硬件调试电机是电阻性负载，采用三相桥式全控整流电路将电网的交流电转换为直流电供给电机，实验室操作面板上有触发电路模块，按钮打到双窄脉冲，提供给六个晶闸管，示波器两端接在U 相和脉冲观察孔，调节α角的大小和初始相位角，电压表并联在负载两端，测量直流电压大小，负载是直流电机，试验台上有电机，电枢绕组一端接vt5阴极，一端接vt2阳极，励磁绕组一端接电枢部分，一端接励磁电源，同步电源分别接到u、v、w各相，根据公式Ud=2.34U2cosα（α<=60），Ud=2.34U2[1+cos(π/3+α)],将控制电压旋钮旋转到底，调节示波器使双窄脉冲与U相电压夹角为120到150度之间某值，旋转偏移电压旋钮使电压表示数为0，调节控制电压电位器旋钮，使α角从140到0一次减小，电动机旋转速度逐步加快，记录数据如表5.1所示：表5.1 数据表第6章总结本次电力电子课程设计，综合运用所学的电力电子技术和电机及电力拖动课程的相关知识，培养应用所学知识，发现、提出、分析、解决问题的能力。