电力电子技术课程设计.doc

武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书目录 摘要11 设计任务及要求21.1设计任务21.2 设计要求指标22 三相桥式半控整流电路主电路设计32.1主电路设计42.2 触发电路设计62.3整流变压器的设计72.4 平波电抗器的参数及选择102.5晶闸管电路参数分析122.5.1 晶闸管电压定额的确定122.5.2 晶闸管电流定额的确定132.6晶闸管过电压、过电流保护电路的设计132.6.1 晶闸管过电压保护电路的设计132.6.2晶闸管过电流保护电路的设计15结束语16参考文献17附录18电路设计图18摘要整流电路是电力电子技术中出现最为重要，也是应用得最为广泛的电路，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控，半控，全控三种；按交流输入相数分为单相电路和多相电路等。实际上，为了对每个导电回路进行控制，只需一个晶闸管就可以了，另一个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。对三相桥式半控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义，这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环。三相桥式整流电路里，在任何瞬间，只要控制晶闸管的导通，相串联的另一个器件是一个不可控二极管，所以称为半控整流电路。关键词：整流电路 三相 桥式 半控三相桥式半控整流电路1 设计任务及要求1.1 设计任务设计一三相桥式半控整流电路，直流电动机负载，电机技术数据如下：允许过载倍数；电枢回路总电阻：1.2 设计要求指标1.方案设计2.完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择3.触发电路、保护电路的设计4.绘制主电路及触发电路（采用分立元件）电气原理图5.撰写设计说明书2 三相桥式半控整流电路主电路设计根据设计要求可以画出系统总体框图如图2-1所示。图2-1 系统总体框图晶闸管可控整流装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到的控制电路为三相桥式半控。整流电路直流电压的平衡方程为： (式2.1)式中，为电路总的阻抗，它包括变压器等效电阻、电枢电阻以及重叠角引起的阻抗。由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联一平波电抗器来保证电流连续。当电流连续时，电动机转速与电流的关系如下式所示。 (式2.2)由于三相半控桥式整流电路中， (式2.3)所以 (式2.4)式中，为晶闸管正向压降，一般为1V左右； 为电动机在额定磁通下的电动机转速比； 为电路总的阻抗；根据题目所给的数据我们可以求得： (式2.5)2.1主电路设计三相桥式半控整流电路由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此，这种电路兼有可控和不可控的特性。共阳极组3个整流二极管总是在自然换相点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相；而共阴极组3个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一个。输出整流电压Ud的波形是三组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角理，可获得02.34U2(变压器二次侧电压)的直流电压。图2-2中VT1、VT3和VT5为触发脉冲相位互差120o的晶闸管，VD2、VD4和VD6为整流二极管，由这6个管子组成三相桥式半控整流电路。它们的导通顺序依次为：VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6。假定负载电感L足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值，因此不论控制角为何值，负载电流如总是单向流动，而且变化很小。一个周期中参与导通的管子及输出整流电压的情况如下:表2-1导通的晶闸管及整流输出电压时段共阴极组导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组导通的晶闸管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流输出电压Udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb以下分析带电阻负载的情况：晶闸管触发角时，对于共阴极组所接的3个晶闸管，阳极所接交流电压最高的1个导通；同理，对于共阳极组阴极所接交流电压最低的1个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中总是各有1个管子处于导通状态，负载电压为某个线电压。图2-2中各个管子均在自然换相点处换相，从输入电压与负载线电压的对照来看，自然换相点既是各线电压的交点，又是各相电压的交点。从线电压波形可以看出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，而共阳极组中对应的是最小的相电压，所以输出电压对应为2个相电压相减，是线电压中最大的1个，因此，输出直流电压波形为线电压在正半周的包络线。只要共阴极组中有晶闸管导通，共阳极组中就会有二极管续流。当时，波形均连续，对于电阻负载，波形与波形形状一样也是连续的，时，波形每中有一段为零，但波形不会出现负值。带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是。 图2-2 三相半控整流电路原理图根据上述分析，可求出输出负载电压平均值为：时 (式2.1.1)角的移相范围为。输出电流的平均值为 (式2.1.2)时， (式2.1.3)角的移相范围为。输出电流的平均值为 (式2.1.4)2.2 触发电路设计触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。晶闸管可控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的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。我们将实现对相控电路相位控制的电路总称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。这里设计的触发电路采用锯齿波同步触发电路，这种电路输出为双窄脉冲（也可输出单窄脉冲），它适用于对触发电路要求较高的晶闸管整流电路，比如全控桥式整流电路。锯齿波同步触发电路如图2-3所示。锯齿波电路脉冲形成过程如下：脉冲形成环节由晶体管组成，起脉冲放大作用。控制电压加在基极上，电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在集电极电路上。当控制电压时，管截止。电源通过供给一个足够大的基极电流，使饱和导通，所以的集电极电压接近于。处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的经、发射结到，对电容充电，充满后电容两端电压接近，极性如图2-3所示。当控制电压时，管导通，A点电位由迅速降低至1.0V左右，由于电容两端电压不能突变，所以的基极电压迅速降至约，由于发射结反偏置，立即截止。它的集电极电压由迅速上升到+3.1V（三个PN结正向压降之和），于是导通，输出触发脉冲。同时，电容经电源放电和反向充电，使基极电位又逐渐上升，直到，又重新导通。这时又立即降到，使截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由导通时刻确定，或截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数有关。图2-3 晶闸管锯齿波同步触发电路晶闸管锯齿波同步触发电路波形如图2-4所示。图2-4 晶闸管锯齿波同步触发电路波形2.3整流变压器的设计由所学电力电子技术实验所知，很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流电电压与电网电压往往不能一致，同时，为了减小电网与整流装置的相互干扰，限止高次携波电流流入电网，还要使整流器主电路与电网隔离，所以需要配置合适的整流变压器。整流变压器额定参数的计算，主要根据主电路的形式，负载的大小，输出直流电压和负载电流，求出整流变压器的二次绕组相电压、二次绕组电流和容量，然后求出一次侧电流和容量。理论中的整流电路中的整流器件均为假定的理想元件，如果要求高精度的整流装置，则要比较精确地计算二次相电压，此时必须考虑元件的管压降、电网电压的波动、变压器的漏抗电压以及最小控制角等方面的因素。考虑了以上因素后，变压器二次计算公式为 （式2.3.1）式中： -整流电路输出的最大电压； -电流通过的整流元件数；-晶闸管的正向导通压降；-理想情况下a=0时整流电压与变压器二次侧电压之比，见表2-2；-电网电压波动系数，一般取0.9；-最小控制角；-线路接线方式系数，见表2-2；-变压器短路电压之比（标么值），100KVA以下取0.05，100KVA以上取0.050.1，容量越大，也越大； -变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比表2-2 几种常用形式整流电路的变压器电压计算系数整流电路的形式AC单相全波0.90.707单相桥式0.90.707三相半波1.170.866三相桥式2.340.5在本次设计参数计算中，为了便于计算方便，我们按理想变压器来计算的值，即。根据整流电路的不同形式与负载性质，可计算变压器一次与二次电流的有效值。如不计变压器励磁电流，则根据磁势平衡原理可知变压器一次侧、二次侧电流的关系为 （式2.3.2） （式2.3.3）式中：、-变压器一次侧和二次侧绕组的匝数；-变压器的匝数比， 。 对于普通电力变压器，一次、二次绕组流过的是有效值相等的正弦电流，但是对于整流变压器，通常一次、二次绕组流过的是非正弦电流。下面一三相桥式整流电路为例进行分析。大电感负载时，变压器二次侧电流的波形图如图2-5所示，这种波形为正负对称的矩形波，可分解成基波与各次谐波。由于没有直流分量，因此它们都可以通过变压器的磁耦合反映到一次绕组中去。所以，和电流波形相似，其有效值为： （式2.3.4）其中 （式2.3.5）二次侧电压以理想情况计算为 （式2.3.6）所以，变压器二次侧容量为 （式2.3.7）变压器一次测电流为 （式2.3.8）变压器一次侧容量为 （式2.3.8）可见，当变压器二次侧电流无直流分量时，二次侧容量等于一次侧容量。对于三相半控桥式整流电路来说，图2-5 三相半控整流桥的变压器的一次绕组和二次绕组的电流波形图2.4 平波电抗器的参数及选择负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。导通角越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势。因此，当电流断续时，随着的增大，转速（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当小于时甚至值为负时，晶闸管仍可导通。因此，带反电动机电动势负载时，要在直流输出侧串联一个大电感，平稳负载电流的脉动，保证整流电流连续1.维持输出电流连续时，电抗器电感值的计算 （式2.4.1）考虑不同电路时临界电感的计算系数表2-3 平波电抗器计算系数电路名称临界电感计算系数最大脉动时值最大脉动输出最低频率整流变压器漏感计算系数单相全控桥2.87901.21003.18三相半波1.46900.881506.75三相全控桥0.693900.463003.9带平衡电抗器双反星0.348900.46300112.限制输出电流脉动时电抗器电感值的计算直流电机的电感值按下式计算 （式2.4.2）式中直流电机的额定电压、额定转速和额定电流电机磁极对数计算系数，一般无补偿电机，快速无补偿电机变压器的漏感用下式计算 （式2.4.3）在本设计中我们只要求维持输出电压连续，所以 （式2.4.4）电抗器要选的值应比大，故选的电感作为平波电抗器。2.5晶闸管电路参数分析2.5.1 晶闸管电压定额的确定通常取晶闸管的（断态重复峰值电压）和（反复重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍，即： （式2.5.1） （式2.5.2）2.5.2 晶闸管电流定额的确定晶闸管允许通过的额定电流有效值大于实际流过晶闸管电流最大有效值，即： （式2.5.3）其中，为通态平均电流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： （式2.5.4）由此可以的出： （式2.5.5） （式2.5.6）2.6晶闸管过电压、过电流保护电路的设计在电力电子电路中，电力电子器件由于承受电压、电流过大，或变化过快，就会使电力电子器件烧坏，从而使整个电路不能正常工作，因此设计过电压、过电流保护电路来保证电力电子器件的正常工作是非常有必要的。下面就过电压保护电路、过电流保护电路的设计分别予以讨论分析。2.6.1 晶闸管过电压保护电路的设计晶闸管电路中可能发生的过电压可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。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。包括换相过电压和关断过电压。图2-6中示出了各种过电压保护措施及其配置位置，各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。图2-6 过电压抑制措施及配置位置F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器 RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧 RC抑制电路 RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。晶闸管内因过电压保护电路如图2-7所示。图2-7 晶闸管过电压保护电路这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和di/dt抑制电路串联使用，从而更好的保护晶闸管，如图2-8所示。图2-8 晶闸管过电压、di/dt抑制保护电路如图2-8所示，V开通时刻缓冲电容先通过向V放电，使电流先上一个台阶，以后因为有抑制电路的，的上升速度减慢。、是在V关断时刻为中的磁场能量提供放电回路设置的。在V关断时，负载电流通过向分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。 2.6.2晶闸管过电流保护电路的设计晶闸管电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图2-9给出了各种过电流保护措施及其配置位置。图2-9 过电流保护措施及配置位置其中采用快速熔断器、直流快速断路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。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。从图2-10可以看出，晶闸管的过电流保护采用快速熔断器进行保护，因为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。如图2-9 所示。快速熔断器与晶闸管直接串联。图2-10 晶闸管过电流保护电路 结束语电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程，且具有很强的实践性，因此在教学中占据着十分重要的地位，所以这次的电力电子技术课程设计就显得十分重要与需要。这是一次锻炼自己设计电路的一次很好的机会，会使大家很好的锻炼动手和动脑的能力。一开始看到题目的时候，以为很简单，觉得无非是课本上的知识，按照课本上的电路图来设计计算就可以了，可真正开始进行设计时便遇见了困难。翻遍了课本，也