王婷电力电子技术课程设计1a2.doc

设计内容与设计要求输入交流电源：三相380V f=50Hz直流输出电压：300500V范围内，直流输出电流额定值300A直流输出电流连续的最小值为30A一设计内容整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路所用元器件的明细表二设计要求1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4 绘制总电路图；写出设计报告； 主要设计条件说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计总体思路，基本原理和框图；5. 相关计算及器件选型;6. 电路设计；7. 总结与体会；8. 附录；9. 参考文献；10. 课程设计的原理图。进度安排十六周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十六周星期一十五周星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。十七周星期一上午星期二下午：电路设计，打印出图纸。 星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。参考文献 电力电子技术 王兆安 机械工业出版社电力电子技术问答 颜世钢 机械工业出版社电力电子电路设计 钟炎平 华中科技大学出版社22目 录第一章 概述.5第二章 整体方案的确定.62.1方案设计.62.2系统原理框图.7第三章 主电路的设计.8 3.1其带阻感负载时工作情况进行分析.8 3.2 主电路图.123.3 主电路元件计算及选型.12 3.31 晶闸管的设计.13 3.32 变压器的设计.13 3.33 平波电抗器的计算.14 3.4保护电路.14 3.41过电压的产生及保护.14 3.42过电流保护.15 第四章 控制电路设计.164.1控制电路的设计.16 4.11 触发电路.16 4.12 驱动电路.18第五章 心得体会.19第2章 概述目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到95%。电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。而电能的传输中，直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。关键词:可控整流 晶闸管 触发电路 保护电路 驱动电路第3章 方案整体方案的确定2.1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 系统原理框图三相电网380v过流保护变压器过压保护过流保护晶闸管整流电动机驱动电路触发电路 系统框图第4章 主电路的设计在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如下图，将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从至的顺序导通，为此将按图示的顺序编号，即共阴极组中与三相电源相接的3个晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为按此编号，晶闸管的导通顺序为。 3.1其带阻感负载时工作情况进行分析：先假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角时的情况。此时，对于共极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。（1）时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析的波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压波形为线电压在正半周期的包络线。 图1 三相桥式全控整流电路带阻感时的波形图当，下面给出其波，与相比，一周期中波形仍由段线电压构成，每一段导通晶闸管等仍符合表的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了，组成的每一段线电压因此推迟，平均值降低。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图2 三相桥式全控整流电路带阻感时的波形 3）时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。，若电感L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角移相范围为。三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电，当时，波形连续，由于电感L的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流的波形可以近似为一条水平线。由波形可见，在晶闸管导通段，波形由负载电流波形决定，和波形不同。当时，阻感负载时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L的作用，波形会出现负的部分。如图3时所示，若电感L足够大，中正负面积基本相等，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。 三相桥式全控整流带阻感 的波形图 三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对电动机进行控制。整流电路在接入电网时由于变压器一次侧电压为380V，大于电动机的额定电压，所以选用降压变压器，为得到零线，变压器二次侧必须接成星型，而一次侧接成三角形，这样可以避免三次谐波电流流入电网，减少对电源的干扰。3.2 主电路图 主电路原理图3.3 主电路元件计算及选型已知数据：输入交流电源：三相380V f=50Hz直流输出电压：0500V范围内，直流输出电流额定值300A直流输出电流连续的最小值为30A3.31 晶闸管的设计晶闸管额定电流、额定电压的选择：因为已知电流输出额定电流为300A,管晶闸管电流的有效值Ivt=（1/1.732）Id=1/1.732*300A,晶闸管的额定电流Ivt（av）=Ivt/1.57=173A考虑安全裕量1.5-2倍，选取额定电流值为346A的晶闸管。因为已知电流输出额定电压为0500V，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。综上所述，选用的晶闸管的型号为KG4-10.3.32 变压器的设计Ud=2.34U2cos，假设=0，其中Ud=500V，U2是变压器二次侧相电压，则U2min=500/2.34=213V,U2存在波动，取U2=220V，二次电流I2=(1.414/1.732)Id=0.816Id，其中Id=In=300A,I2=0.816*12=245A于是S2=3U2I2=3*220*245=180KW三相桥式整流电路有S1=S2，一次电流I1=U2I2/U1=220*245/380=142A.所以取变压器的容量为180KW.。其变比为220V/220V。3.33 平波电抗器的计算 1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=0.695*220/30=5.1mH.3.4保护电路3.41 过电压的产生及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：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的存在的分布电容静电感应耦合过来。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。换相过电压：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恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，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这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。关断过电压：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线路电感在器件两端感应出的过电压。3.42过电流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛的一种过电流保护措施。此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流的响应最快。 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。4.11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。下图所示是触发电路图。 触发电路原理图4.12 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。 驱动电路原理图 第五章 心得体会通过两周的电力电子实习，我的动手和实践操作能力进一步提高了，同时也认识到了电力电子的一些以前没有接触的问题。从中我熟练了从发现问题再到分析问题最后解决问题的方法，加深和提高了我对电力电子这门课程的理解和运用能力。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，同时根据任务书布置的设计任务和要求，来选择不同型号的直流电动机，电动机参数不同计算得到的电路元件参数相应会不同。电力电子技术主要用于电力变换，电力变换分为四大类，其中整流（交流变直流）应用比较广泛，此次涉及的核心内容是晶闸管的整流和触发脉冲的产生，触发电路产生脉冲送给晶闸管，晶闸管开始工作，将电网的交流电变成适合电动机工作的稳定直流电，调整触发电路的脉冲，晶闸管触发角相应改变，直流侧电压随之改变，从而电动机可以实现单向无极调速，达到设计的目的。课程设计已经完成，但