晶闸管相控调速系统

晶闸管相控调速系统

1.设计任务及要求分析

由设计任务可知，本次课程设计要求实现晶闸管相控整流直流电动机调速。其输入为单相交流电源，电压为220V，频率为50HZ。通过整流装置后，直流输出电压为0～100V可调，额定电流为50A的指标供给直流电动机。对于单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相整流电路、单相全波可控整流电路以及单相桥式全控整流电路等，本次课设采用单相桥式全控整流。因此，本系统主要分为整流电路，触发电路和保护电路。下面将分别具体设计。

2.转速、电流双闭环直流调速系统概述

2.1 转速双闭环直流调速系统的组成

开环直流调速系统通过调节控制电压U c就可改变电动机的转速。当负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，采用开环系统就能实现一定范围内的无级调速。但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U im ＊决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压U cm限制了电力电子电换器的最大输出电压U dm。转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图如图1所示：

图1转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，U n＊—转速给定电压，U n—转速反馈电压，U i＊—电流给定电压，U i—电流反馈电压。

2.2 双闭环直流调速系统的静特性

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节气的饱和输出U im＊，这时电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

双闭环直流调速系统的静特性如图2示：

图2 双闭环直流调速系统的静特性

3.系统主电路及其元件参数计算

3.1 晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理

晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图如图3所示：

图3 晶闸管相控整流直流电动机调速系统原理框图

系统采用转速、电流双闭环的控制结构。两个调节器分别调节转速和电流，两者之间实行串行连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路。从闭环反馈的结构上看，电流调节环是内环，按典型I 型系统设计；速度调节环为外环，按典型Ⅱ型系统设计。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI 调节器，这样组成的双闭环系统，在给定突加（含启动）的过程中表现为一个恒值电流调节系统，在稳态中又表现为无静差调速系统，可获得良好的动态及静态品质。

3.2 整流电路及器件参数计算

3.2.1单相桥式全控整流电路原理分析

单相桥式全控整流电路中，晶闸管1VT 和4VT 组成一对桥臂，2VT 和3VT 组成另外一对桥臂。在变压器副边电压的正半周时，若四个晶闸管均不导通，负载电流d i 为零，d u 也为零，1VT 和4VT 串联承受变压器副边电压，设1VT 和4VT 的漏电

抗相等，则各承受副边电压的一半。若在触发角α处给1VT 和4VT 加触发脉冲，1VT 和4VT 导通，当副边电压过零时，1VT 和4VT 关断。在变压器副边电压的负半周时，仍在触发角α处给2VT 和3VT 加触发脉冲，2VT 和3VT 导通，当副边电压过零时，

2VT 和3VT 关断。此后又是1VT 和4VT 导通，如此循环的工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为20.707U 和21.414U 。

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。副边电压大于E 时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度

δ停止导电，δ称为停止导电角。当αδ<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。触发脉冲有足够的宽度，保证当t ωδ=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为δ。δ称为停止导通角。其中

2

arcsin

2E

U δ= （1） 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形如图4所示

图4 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形

b) i d O E

u d

w t I

d O

w t

a

q

d

VT1

VT2

VT3

VT4

u1

u2

电流d i 波形在一个周期内有部分时间为0，为电流断续。当αδ<触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。触发脉冲有足够的宽度，保证当t ωδ=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为δ。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。为保证电流连续所需的电感量L 可由式（2）求出，串联一个平波电抗器后的电压

d u 和电流d i 的波形如图5所示。

322min min

22 2.8710d d U U

L I I πω-=

=? （2）

图5 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器电流连续的临界情况

3.2.2器件参数计算

单相全控整流电路带反电动势负载时

2221

22

2sin ()cos 0.9cos d U U td t U U πα

α

ωωααππ

+=

=

=? （3）

所以，对于变压器T ：

20.9cos d

U U α

=

（4）

当0α= 时，100d dm U U V ==，所以

2100

111.10.9cos 0.91d U U V α===? （5）

因此

t

w w O

u

d 0

E i

d t

p

d a q = p

21222111.10.50522050111.150 5.6d U K U I I A

S U I KVA

?===???

==???==?=?? （6） 对于晶闸管VT ，承受的最大正向电压max p VT 和最大反向电压max n VT 分别为

max 2max 20.7070.707111.178.61.414 1.414111.1157.1

p n VT U V VT U V

==?=???==?=?? （7）

流过晶闸管的平均电流

50

35.422

d dVT I I A =

== （8） 对于平波电抗器L ，其大小为：

3322min min 22111.1

2.8710 2.8710127500.05

d d U U L mH I I πω--=

=?=??=? （9）

其中，min d I 取额定电流电流的5%。

4.相控触发电路的设计

为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。对于晶闸管的触发实现主要有同步信号为锯齿波的触发电路和由集成触发器组成的触发电路两种。下面分别进行介绍别进行方案比较选择。

4.1 同步信号为锯齿波的触发电路

再由模拟电子电路构成的整流装置触发电路中，以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。图6所示为同步信号为锯齿波的触发电路。此电路输出可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲。电路包括三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。

脉冲形成环节由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压uco 加在V4基极上，电路的触发脉冲由脉冲变压器TP 二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。

锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定，锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。

双窄脉冲形成环节的内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60°的脉冲的电路。V5、V6构成一个“或”门，当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60°的第二个脉冲是由滞后60°相位的后一相触发单元产生（通过V6）。

图6 同步信号为锯齿波的触发电路

4.2 集成触发器构成的触发电路

集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。目前国内常用的由KJ 系列和KC 系列，2个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成4路双脉冲，再由4个晶体管进行脉冲放大即可。 其电路连接图如图7

所示。

图7 集成触发器构成的触发电路

集成触发器KJ004各引脚说明如下表1所示

表1 KJ004引脚说明

功 能

输

出

空

锯齿波形成

-Vee (1kΩ) 地

同步输入 综合比较 微分 阻容 封锁 调制

+Vc c

引脚号

1、15

2、6、10

3、4 5

7

8

9

11、12 13、14 16

KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。本课设只需4路脉冲，所以用它其中的4脉冲输出就可以了。该触发电路设计中，通过KJ004集成触发器控制晶闸管VT1 、VT2、VT3和VT4的导通与截止，使VT1和VT4同时导通，VT2和VT3同时导通，同时两路导通相差180°。KJ004 器件恰好输出两路相差180°的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。本次课程设计采用KJ 系列构成单相桥整流电路的触发电路。

4.3 两种实现方案的特点

模拟触发电路，即同步信号为锯齿波的触发电路的优点是结构简单、可靠；缺点是易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高，可达3°~4°，精度低。数字触发电路，即集成触发器构成的触发电路的脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7°~1.5°。其可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。因此，综合考虑，本次课程设计采用集成触发器构成的触发电路。

5.保护电路的设计

相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。

5.1直流侧过电压保护

当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻抑制过电压或用单相VTS 。此次设计中采用压敏电阻，压敏电阻的额定电压U 1mA 的选取可按下式计算

()101.8~2.2()mA d U U V ≥，U d0为晶闸管控制角α=00时直流输出电压。保护措施如图8所示。

()()101.8~2.2 1.8~2.2100180~220()mA d U U V ≥≥?= （10） 通常作为中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（3~5）KA 。

图8 直流侧过电压保护

5.2关断缓冲电路

关断缓冲电路如图9所示：

图9 关断缓冲电路

关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R、C值根据工程手册选取，此设计晶闸

μ,R可取20Ω。

管额定电流为15A，故C可取0.3F

5.3过电流保护

电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。在该电路的过电流保护中均采用熔断器，给每个晶闸管串连一个熔断器。虽然这样所用熔断器较多，但由于流过晶闸管的电流有效值相对于负载电流有效值和电源二次侧电流有效值来说较小，等价条件下产生热量最少，同时熔断器价格很便宜，故这样设计过电流保护电路比较经济。电路原理图如下图10所示：

图10 过电流保护

5.4电流上升率di/dt 的抑制

晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密很大，然后以0.1mm/μs 的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt 过大，会导致PN 结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。

5.5电压上升率du/dt 的抑制

加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt 也应有所限制,如果du/dt 过大。由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。该电路中采用进线电抗器，在输入交流侧串联电感来抑制电压变化率。

6.系统主电路的MATLAB 仿真

结合上各个部分的分析和计算，下面将运用MATLAB 的simulink 模型对系统的主电路进行仿真。在仿真过程中，对于触发电路的实现采用双脉冲产生器来实现，关键在于控制好脉冲产生的延迟触发时间，及延迟触发角α。工频交流电的频率为50Hz ，而触发角α的单位为度，因此要进行单位转换。每一度的时间为

501

5.6105650360

t s us -=

=?=? （11）

所以，当延迟触发角为α时的延迟时间为

05650360

t t us αα

αα==

=? （12）

所以对于1VT 和4VT 构成的桥臂，延迟56t us αα=后触发，对于2VT 和3VT 构成的桥臂，要多延迟半个周波触发，及

'(0.0156)2

T

t t us ααα=

+=+ （13） 当30α= 和60α= 时，30t 、'30t 和60t 、'

60

t 分别为 530'30305

60''

303030 5.610 1.670.0111.6760 5.610 3.34

0.0113.34

t ms t t ms t ms t t ms

--?=??=?=+=???=??=??=+=??

（14）

下面将分别对30α= 和60α= 的时候进行仿真。 系统的MATLAB 的simulink 模型如图11所示。

图11 系统的MATLAB 的simulink 模型

当30α= 是系统的仿真波形如图12所示。

图12 当30α=

时系统的仿真波形

当60α= 是系统的仿真波形如图13所示。

图13 当60α=

时系统的仿真波形

仿真图由上到下分别为变压器副边电压2u ，整流后的电压d u ，带反电动势

负载的负载电流d I ，1VT 和4VT 构成的桥臂的触发脉冲信号以及2VT 和3VT 构成的桥臂的触发脉冲信号。由仿真波形图可知，通过改变延迟触发角 的大小即可改变单相全桥整流电路的输出电压的大小，从而实现电压1100V 可调，电流大小随着电压的变化而变化，其而定电压为50A 。由于平波电抗器的存在，电流的波形实现了连续。

7.心得体会

电力电子装置及系统作为我们的专业课，其重要性可见一斑。电力电子装置及系统的课程设计算是告一段落，虽然忙碌了一阵子，但是却感觉自己受益良多。在此，总结一下自己本次课程设计的几点体会。

不打无准备之仗。无论做什么事情，都要做好应战的准备，要肯下功夫，这样，在面临问题的时候不会慌了手脚，不知所措。本次课程设计也是如此，平时要学好基础知识，要为自己吸收新的知识打好基础，在课设遇到问题时，才能运用已学的知识和自己的积累去查阅资料，找到解决的办法。因此，课设过程中，一本良好的指导书和网络有用的资料都能给自己很大的帮组和提示。如果平时学的不扎实，也不利用空余时间补充自己头脑，那么，当真正遇到问题的时候，便束手无策了。

要有战胜的困难的决心。每个人在课程设计的过程中都会遇到这样那样的问题，当我们遇到问题时，一定要有克服困难的决心。刚开始拿到课设题目时，本以为还比较轻松，可没想到等到自己真的开始去分析时才发现很多东西是表面上看不出来的，而且有的东西是平时学习中忽略的盲点，比如说对于单相桥式全控整流电路，晶闸管的触发虽然知道实现它的原理，但在平时的学习中却没有具体去思考该如何实现，以至于在simulink仿真时关于晶闸管的触发环节实现思考了很久并查阅了大量资料。因此，当自己坚定信心，不言放弃和加强与同学交流后，所有的困难也迎刃而解了。

通过本次电力电子装置及系统课设，夯实了自己的理论知识，提高了自己对理论知识的运用。总的来说，电力电子装置及系统是比较难学的，实用性很强，也是我们专业的特色学科。因此，学好电力电子装置及系统对我们来说非常重要。然而，仅仅学好理论知识是不够的，学以致用才是根本。本次课程设计不仅巩固了自己的理论知识，而且锻炼了自己对所学知识的实际运用能力，是一次不择不扣的练兵。

当然在本次课设中也遇到了许多问题，感谢帮助过我的老师和同学，通过自己的努力，使自己成功完成了本次电力系统分析的课程设计。

参考文献

[1] 杨荫福、段善旭、朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006

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[3] 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2008

[4] 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，1999

[5] Robert H.Bishop.Modern Contorl Systems Analysis and Design-Using MATLAB and Simulation[M].影印版. 北京：清华大学出版社，2008