《电力电子技术》课程设计---三相可逆变流装置.docx

摘要电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。 本文主要介绍可逆变流装置设计。以三相全控桥式反并联可逆线路为主体，加上触发电路及保护电路，实现带直流电动机负载并实现电机四象限运行。在altium designer上进行画图，线路设计，完成设计任务。关键词：三相全控桥式反并联可逆线路 四象限运行 altium designer目录摘要11设计方案及原理介绍31.1桥式全控整流电路31.2桥式电路的分析计算52 主电路设计及原理说明62.1 主电路原理图62.2 电动机的四象限运行73参数计算及元件选择83.1变压器参数计算83.2晶闸管参数计算及选择83.3 晶闸管电路对电网及功率因数的影响93.3.1 晶闸管电路对电网的影响93.3.2 晶闸管电路功率因数析94触发电路设计94.1 kj004的工作原理104.2集成触发电路设计图115晶闸管的过电压与过电流保护电路设计125.1过电压保护125.2过电流保护136系统原理与环流分析14心得体会15参考文献16附录17可逆变流装置的设计1设计方案及原理介绍1.1桥式全控整流电路图1-1 桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管(vt1、vt3、vt5)称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管(vt4、vt6、vt2)称为共阳极组。晶闸管按图1-1所示顺序编号，则按次编号，晶闸管的导通顺序为vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6。三相桥式全控整流电路带阻感负载时，当，波形连续，电路工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压波形、晶闸管承受电压波形等都一样，区别仅是电流不同。阻感负载时由于电感作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流波形近似为一条水平线。如图1-2和图1-3所示。图1-2三相桥式全控整流电路带阻感负载当的情况 图1-3三相桥式全控整流电路带阻感负载当的情况当时，阻感负载的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感的作用，波形会出现负的部分。图1-4给出了时的波形。若电感值足够大，中正负面积将基本相等，平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为。 图1-4三相桥式全控整流电路带阻感负载当的情况1.2桥式电路的分析计算以线电压过零点为时间坐标的零点，于是可得到当整流输出电压连续时(即带阻感负载时，或带电阻负载时)的平均值为 带电阻负载且时，整流电压平均值为整流电流平均值为。当整流变压器为星形接法，带阻感负载时，变压器二次电流波形如图a1所示，为正负半周各宽、前沿相差的矩形波，其有效值为2 主电路设计及原理说明2.1 主电路原理图主电路采用三相全控桥式反并联可逆线路，原理图如图2-1所示。图2-1三相全控桥式反并联可逆线路电动机正向运行时是由一组变流器供电的；反向运行时，则由两组变流器供电。根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为几种不同的控制方案，如配合控制有环流（即=工作制）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。不论采用哪一种反并联供电电路，都可使电动机在四个象限内运行，如果在任何时间内，两组变流器只有一组投入工作，则可根据电动机所需的运转状态来决定哪一组变流器工作及其相应的工作状态：整流或逆变。2.2 电动机的四象限运行如图2-2所示绘出了对应电动机四象限运行时两组变流器（简称正组桥、反组桥）的工作情况。第1象限：正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，, (下表中有表示整流)。第2象限：正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，（）, (下表中有表示逆变)。第3象限：反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，,。第4象限：反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，（）, 。图2-2电动机四象限运行电动机在第1象限正转，电动机从正组桥取得电能。如果需要反转，先应使电动机迅速制动，就必须改变电枢电流的方向，但对正组桥来说，电流不能反向，需要切换到反组桥工作，并要求反组桥在逆变状态下工作，保证与同极性相接，使得电动机的制动电流限制在容许范围内。此时电动机进入第2象限做正转发电运行，电磁转矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经反组桥逆变为交流电能回馈电网。改变反组桥的逆变角，就可改变电动机制动转矩。为了保持电动机在制动过程中有足够的转矩，一般应随着电动机转速的下降，不断地调节，使之由小变大直至，如继续增大，即，反组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第3象限的电动运行。以上是电动机由正转到反转的全过程。同样，电动机从反转到正转，其过程则由第3象限经第4象限最终运行在第1象限上。3参数计算及元件选择3.1变压器参数计算由于我们的电路主要实现可逆变流，因而两组变流器只有一组投入工作，所以其计算与三相桥式全控相同。3.2晶闸管参数计算及选择晶闸管承受的最大正、反向电压为： 考虑裕值，晶闸管额定电压： 晶闸管电流有效值： 考虑裕值，晶闸管额定电流： 3.3 晶闸管电路对电网及功率因数的影响3.3.1 晶闸管电路对电网的影响引起谐振，造成热损坏、振动、闪烁等事故；对通信线路产生杂音；对变压器铁心产生噪音，损耗增加；影响电压和电流的相位差，测量精确度下降；导致计算机误动作等。3.3.2 晶闸管电路功率因数析三相桥式全控电路三相电流 电流基波和各次谐波分别为 因此基波因数为 电流基波与电压的相位差为，故位移因数为 功率因数即为4触发电路设计为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角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，本设计利用kj004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。本系统中选择模拟集成触发电路kj004，kj004可控硅移相触发电路，作可控硅的双路脉冲移相触发。kj004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。kj004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如4-1所示。图4-1 kj004原理图4.1 kj004的工作原理如图电路原理图所示，点划框内为kj004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。v1v4等组成同步环节，同步电压us经限流电阻r20加到v1、v2基极。在us的正半周，v1导通，电流途径为(+15vr3vd1v1地)；在us负半周，v2、v3导通，电流途径为(+15vr3vd2v3r5r21(15v)。因此，在正、负半周期间。v4基本上处于截止状态。只有在同步电压|us|0.7v时，v1v3截止，v4从电源十15v经r3、r4取得基极电流才能导通。电容c1接在v5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在v4导通时，c1经v4、vd3迅速放电。当v4截止时，电流经(+15vr6c1r22rp1(15v)对c1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过r22、rp1的充电电流和电容c1的大小。根据v4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。v6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uc5、偏移电压ub、移相控制电压uc分别经r24、r23、r26在v6基极上叠加。当ube6+0.7v时，v6导通。设uc5、ub为定值，改变uc，则改变了v6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。v7等组成了脉冲形成环节。v7经电阻r25获得基极电流而导通，电容c2由电源+15v经电阻r7、vd5、v7基射结充电。当 v6由截止转为导通时，c2所充电压通过 v6成为 v7基极反向偏压，使v7截止。此后c2经 （+15vr25v6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4v时，v7又恢复导通。这样，在v7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数r25和c2决定。v8、v12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，v7集电极输出两个相位差为180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周v1导通，v8截止，v12导通，v12把来自v7的正脉冲箝位在零电位。同时，v7正脉冲又通过二极管vd7，经v9v11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，v8导通，v12截止，v7正脉冲经 v13v15放大后输出负相脉冲。说明：1) kj004中稳压管vs6vs9可提高v8、v9、v12、v13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管vd1、vd2、vd6vd8为隔离二极管。2) 采用kj004元件组装的六脉冲触发电路，二极管vd1vd12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管v1v6进行脉冲功率放大。3) 由于 v8、v12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差 的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成d，yn11及同步变压器也接成d，yn11情况下，集成触发电路的同步电压usa、usb、usc分别与同步变压器的usa、usb、usc相接 rp1rp3为锯齿波斜率电位器，rp4rp6为同步相位4.2集成触发电路设计图三相桥式全控触发电路由3个kj004集成块和1个kj041集成块（kj041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到vt1，vt2，vt3，vt4，vt5，vt6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图4-2所示：图4-2 集成触发电路5晶闸管的过电压与过电流保护电路设计 在电力电子电路中，除了电力电子期间参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护和过电流保护也是必要的。5.1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。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：1）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存在的分布电容静电感应耦合过来。2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。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，关断过电压。1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压2）关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。本设计采用rc过电压抑制电路连接方式，具体如图5-1所示。图5-1 rc过电压抑制电路5.2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。过电流分过载和短路两种情况。如图5-2所示给出了各种过电流保护措施，其中快速熔断器、直流快速熔断器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。图5-2 过电流保护电路6系统原理与环流分析本系统采用三相全控桥式反并联线路设计，包括触发电路，晶闸管的过电压保护和过电流保护以及主电路。本系统无论何时只有一组投入工作，所以相当于三相全控桥式电路，原理前面已分析，此处不再叙述。本系统主电路为三相全控桥的无环流接线，因此系统没有环流。心得体会电力电子技术是一门实践性很强的学科，需要我们不断的在实践中学习积累经验。经过半年的学习，我们有了一定的理论知识积累，但是我们的实践能力很欠缺。本次课设给了我这样一次机会，通过本次课设，我对三相桥式全控整流电路的原理又有了进一步认识。明白了三相桥式整流电路反并联构成可逆变流器，它既可以工作在整流状态又可以工作在逆变状态。当晶闸管的控制角在时工作在整流状态，当在时工作在逆变状态。控制角的产生就靠触发电路，因而需要进行触发电路的设计。触发电路可以采用多种形式的电路，此次设计我采用了集成触发器kj004，因为它具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低和调试方便的优点。一个系统的正常运行除了主电路和触发电路外还需要保护电路。保护电路又包括过电压保护和过电流保护，分别对其进行设计，一个完整的系统就设计完毕了。本次课程设计过程中需要查询大量资料，运用altium designer等设计仿真软件，期间出