电力电子技术课程设计.doc

辽宁工程技术大学课程设计1 三相全控桥式主电路设计1.1 整流变压器设计1.1.1 整流变压器设计原理在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压往往与电网电压不一致，这就需要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器把晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中，一般都需要设置整流变压器(仅当晶闸管交流侧电压和电网电压一致时可以省去)。1.1.2 变压器参数设定和选择变压器的一次侧线电压为380V，整流电路使用的变压器是-Y型连接。如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： 式中、变压器一次和二次绕组的匝数；K变压器的匝数比。 即由上式可得变压器的匝数比为1.7。由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路形式有关。三相桥式半控整流电路计算如下：大电感负载时变压器二次电流的有效值为I2=0.816Id=40.8A若电动机额定工作时线路电流最大，由上式可得，二次侧电流有效值为234A，则变压器二次侧容量为S1=3U2I2=27KV.A变压器一次侧容量为S1=3U1I1=27KV.AS=( S1+ S1)/2=27KV.A1.2 平波电抗器参数计算即选择在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中，含有各种谐波成份。当控制角增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。一、若要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算：式中 交流测电源相电压有效至。要求连续的最小负载电流平均值。与整流主电路形式有关的计算系数，见附表2-1中的序号2。对于不同控制角，所需的电感量为本设计中的参数为：，临界值。将以上所述参数代入式(2.8)可计算出本设计所需的临界电感参数值，即：二、整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算：式中 变压器次级相电压有效值。 晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)。变压器的短路比。100以下的变压器取； 与整流主电路形式有关的系数，查附表2-1的序号3。本设计，。将以上所需参数代入式(2.9)中可计算出漏电感的值，即综上所述，根据直流电动机的电枢电感为，可得使输出电流连续的临界电感量电抗器要选的值应比大，故选的电感作为平波电抗器。1.3 整流电路1.3.1 整流器件的定额计算和选择本设计采用晶闸管三相全控桥整流电路，根据设计要求可得Idmax=75A IT(AV)=IT/1.57=27.61AIN=(23)IT(AV)=55.2282.83(A)经分析知，Um=2.45U2=539V则， UN=(23)Um=10781617(V)综上所述，选定额IN=60A，UN=1500V系列的晶闸管，通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。此设计电路需要六个晶闸管，三相桥式晶闸管主电路图如图1-1所示。图1-1 三相桥式晶闸管主电路图1.3.2 晶闸管对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。1.3.3 系统功率因数讨论三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，由于设计时接了平波电抗器，所以负载电感足以使电流连续，则电路的工作情况与感性负载时相似，即可以根据感性负载来讨论功率因数。设交流电抗为零，假设直流电感 为足够大，电动机工作在额定状态，。此时，电流为正负半周各的方波，三相电流波形相同，且依次相差，其有效值与直流电流的关系为(1)同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有(2)由式(2)可得电流基波和各次谐波有效值分别为(3)由此可得以下结论：电流中仅含(为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。由式(1)和式(3)可得基波因数为电流基波与电压的相位差仍为，故位移因数仍为功率因数即为可以看出越大，功率因数越小2 触发电路设计2.1 芯片KJ004和KJ041介绍KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。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。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。电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。图2-1 KJ041电路 2.2工作原理 可以使不同的移相控制电压获得KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,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.工作原理介绍电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。的同步电压为任意值。 2.3 触发电路的定相触发电路的定相触发电路应保证每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。措施：其一，同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。 其二，触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。Owtwt1wt2uaubucU2-ua 图2-2 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。下图为同步变压器和整流变压器的接法及矢量图。 图 2-3 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60度时，同步电压选取结果如表2-1所示。表2-1 三相桥各晶闸管的同步电压晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压Usb-UsaUsc-UsbUsa-Usc 3 晶闸管保护电路设计3.1 晶闸管过电压保护电路设计正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为，超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压。这两种过电压都是经常发生和不可避免的。因此，在变流过程中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。抑制暂态过电压的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护3种。3.1.1 交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。通常是在变压器次级(元件侧)并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。其电路图如图3-1所示。图3-1 阻容过电压保护电路(一)、RC参数的计算公式为电容的耐压电阻的功率为式中 变压器每相平均计算容量。 变压器二次相电压有效值。 励磁电流百分数 当几百伏安时=10 当1000伏安时=35。 变压器的短路比，当变压器容量为101000时，=510。 ，当正常工作时电流电压的有效值。(二)、RC参数计算变压器每相平均计算容量为(1) 电容器的计算取=10。电容器的耐压值为取500。故选择参数为10，500的电容。(2) 电阻值计算考虑到所取电容已大于计算值，故电阻可适当取小些。取=8。正常工作时，RC支路始终有交流电流过，过电压总是短暂的，所以可按长期发热来确定电阻的功率。RC支路电流可由式(2.13)确定，即电阻的功率为故选用8，40的电阻。3.1.2 直流侧的过电压保护也可以采用阻容电路进行保护，其计算参数同交流侧过电压保护。3.1.3 晶闸管换相过电压的保护由于晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的，所以晶闸管的缓冲电路就简化为了晶闸管的换相过电压保护，即采用RC吸收电路即可。其电路图如图3-2所示。图3-2 晶闸管换相过电压保护电路图电容C的选择为取C=0.1，电阻一般取40。3.2 晶闸管过电流保护电路设计变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面：(1) 外部短路：如直流输出端发生短路。(2) 内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。(3) 可逆系统中产生换流失败和环流过大。(4) 生产机械发生过载或堵转等。晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。因此必须设置过流保护，其目的在于一旦变流电路出现过电流，就把它限制在元件允许的范围内，在晶闸管被损坏前就迅速切断过电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其它元件。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：交流断路器；进线电抗器；灵敏过电流继电器；断路器；电流反馈控制电路；直流快速开关；快速熔断器。可按实际需要选择其中一种或数种。本设计采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器保护方法，其参数的选择为：因工作时电压为380，取。流过快速熔断器的电流的有效值为快速熔断器的额定电流为选取。3.2 电流上升率、电压上升率的限制3.2.1、电流上升率的限制晶闸管在导通的初瞬，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。此过程需几微秒到几十微秒。若导通时电流上升率太大，会引起门极附近过热，导致PN结击穿使元件损坏。因此必须把限制在最大允许范围内。产生过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护的电容放电造成过大；晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对阻容保护电容进行充电造成过大。通常，限制的措施主要有：1、在晶闸管阳极回路串入电感。2、采用整流式阻容吸收装置。本设计采用的是第一种方法。的计算公式为：(2.14)式中 交流电压的峰值晶闸管通态电流临界上升率。此设计的，根据所选晶闸管的型号，可以根据相应的工程手册查到晶闸管通态电流临界上升率，将以上参数代入式(2.14)，得取稍微大一些，即取。3.2.2 电压上升率的限制处于阻断状态下晶闸管的结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管误导通。从而引起较大稍微浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。因此对也必须予以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。产生过大的原因及其限制措施如下：1、交流侧产生的对于带有整流变压器和交流侧阻容保护