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机械毕业设计
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电解净水机脉冲电源的设计,机械毕业设计
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1 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 脉冲电源与电解净水机的联系 . 1 1.2 脉冲电源发展动态 . 2 1.3 电解净水机脉冲电源的主要技术指标 . 3 第 2 章 系统设计综述 . 5 2.1 概述 . 5 2.2 脉冲电源的总体设计 . 5 2.3 系统各部分设计方案的确定 . 6 2.3.1 整流变压器的选择 . 6 2.3.2 三相整流电路的选择 . 6 2.3.3 中间滤波电路的选择 . 7 2.3.4 斩波电路的选择 . 7 2.3.5 斩波开关功率元件的选择 . 9 2.4 脉冲电压设计的总体要求 . 9 第 3 章 直流基压电路的设计 . 11 3.1 整流 电路的设计 . 11 3.1.1 直流基压电路原理图及工作原理 . 11 3.1.2 三相不可控整流电路的工作原理 . 12 3.1.3 三 相整流桥的保护 . 14 3.2 平波滤波器的设计 . 14 3.3 直流基压电路的计算 . 16 3.3.1 整流二极管的计算 . 16 3.3.2 整流变压器的计算 . 16 3.3.3 整流电路保护电路的计算 . 17 第 4 章 高压脉冲电路的设计 . 19 4.1 概述 . 19 4.2 直流稳压电源的设计 . 19 4.2.1 三相可控整流电路的工作原理 . 20 4.2.2 可控整流电路在阻性负载情况下输出与输入的关系 . 21 4.3 中间滤波器的设计 . 23 4.4 脉冲电压的产生 . 24 4.5 霍尔传感器 . 31 4.6 高压脉冲电路器件的选择与计算 . 33 4.6.1 斩波电路器件 . 33 nts 2 4.6.2 整流晶闸管 . 34 4.6.3 整流变压器 . 34 4.6.4 整流电路保护电路 . 35 第 5 章 控制电路的设计 . 37 5.1 概述 . 37 5.2 硬件设计要求和软件设计要求 . 37 5.3 控制 电路原理图 . 37 5.4 整流电路电压闭环控制 . 38 5.5 数字触发电路的设计 . 41 5.5.1 触发方式 . 41 5.5.2 同步信号检测电路 . 42 5.5.3 晶闸管触发电路 . 45 5.6 IGBT 驱动电路的设计 . 45 5.6.1 IGBT 对驱动电路的要求 . 45 5.6.2 IGBT 驱动电路 . 46 5.7 软件设计 . 48 5.7.1 管脚分配 . 48 5.7.2程序流程图 . 48 第 6 章 直流脉冲电源的仿真简介 . 51 6.1 概述 . 51 6.2 SIMULINK 仿真环境 . 51 6.3 仿真试验 . 51 结论 . 54 参考文献 . 55 外文原文 . 56 译文 . 64 致 谢 . 69 附录 A . 70 附录 B . 73 nts 1 第 1 章 绪论 电解净水机脉冲电源实际上是一种变流设备，它把电网的交流电压变成恒直流或者脉冲低 压、大电流以供电解使用。电解电源从起初的直流发动机发展到二极管整流器，再到现今被人们广泛用的晶闸管整流器，在技术上和品质上有了很大提高，但还存在着很多缺点： 1) 设备过于笨重复杂； 2) 效率低、功耗大； 3) 提供的直流电源品质不高，纹波大。 这些固有缺点的存在，影响了电解净水机的工作效率，使得高品质、高效率、小体积的新型电源取代传统电源成为一种趋势。下面将介绍脉冲电源的相关内容。 1.1 脉冲电源与电解净水机的联系 由于采用电化学方法处理工业废水具有投资省、占地少、处理效果好及机械化程度高等优点，因而 备受欢迎。苏联很早就开始研究电解净水机，但直到 1986 1970 年开始应用于实际。最初的电解净水机采用直流电源进行电化学反应，其总电压通用由实验方法获得的电凝聚槽电压与电极通用上电流密度的关系来确定的。电解槽的总电压通常小于安全电压 36 伏，但要满足废水处理达到一定的处理效果，总电流强度就很大，大致在 1000 3000A之间。因此，前期的电解净水机研究的重点主要是如何提高其电流效率。但随之而来的是，废水处理单位的电流消耗极大，耗阳极的铁量也很大，且设备复杂、繁大，因而人们普遍认为电解法不合算。随着新技术的发展 和各种新器件的出现，以及对废水的处理的最佳工艺参数和电气参数的不间断研究发现，当把直流电源间歇式地提供给电解电极，提供电压的大小足够反应按所需的方向进行，每次供电的时间足够反应完成，断电的时间致使逆反应进行，这样平均电耗就可以大幅度的降低。由于脉冲电解通电时间小于电解处理的总反应时间，所以阳极铁耗量相对降低。据资料介绍，用直流电处理低浓度毛纺染色污水，平均电解电耗为 0.7 1KWH m3,铁耗为 50 100k/m3,而采用脉冲电解法，铁耗为 20g/m3，平均电解电耗为 0.4kwh/m3,两者均降低50%左右 .特别是对高色度的有机废水 ,其节能效果更加显著。 最近，研究人员在提出一种新型电解电源，其原理是由一个高压脉冲电源和一个直流小电源相叠加而形成的，波形图如下所示，该电源中，高压脉nts 2 冲用于电解强化反应，使反应按所需方向进行，使之不至于发生逆反应，这样可以使脉冲宽度进一步变窄，而使处理效果不变，因而可更加节电，节能。 1 0 0 0 V2 0 0 VUtt o nT图 1 脉 冲 电 源 波 形 图 1.2 脉冲电源发展动态 电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括 :脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水 处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。不同的应用场合，对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。按照输出特性的不同，可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型和组合型三类。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其是大功率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着 GTO等自关断器件的出现，产生了斩波型脉冲电源。 GTO斩波 型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后，输出周期和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类电源的最突出缺点是输出与输入不隔离，对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器，由于电源功率太大，使得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制，使得脉冲电源输出的频率很低。随后出现的开关器件 IGBT由于它本身的优点，使得研制斩波逆变型脉冲电源成为可能。 IGBT的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小，同时可以提高脉冲输出的频率。就目前国内外发展来看，脉冲电源的主要发展方向 是逆变型的大功率脉冲电源，一些新的器件的出现，会提高脉冲电源系统的性能但不会改变电源系统的逆变主电路拓扑。例如应用于热处理的脉冲电源，国外的成熟产品中有 300kW以下的一系列逆变型脉冲电源。但国内相关成熟产品只能达到 50kW.因此，研制 1OOkW以上的逆变型脉冲电源nts 3 具有很高的实用价值。 传统的产生脉冲电源的方法十分简单，其原理是将单相 220V或 380V直接变换并产生宽度可调的高压脉冲电源，其电路及波形见图 2。在传统脉冲电源的基础上叠加一小整流电源。从电解角度来说， t越小，其电耗也越小，同样铁耗也越小。但由电 路可知， t越小，晶闸管的导通角越大，其脉冲电压峰值就越小，当峰值电压过小，而不能使电化学反应向所需的方向进行时，电解处理效果就变差。因而要使其达到一定的处理效果，则必须增大电流强度。这样以来，就会使电耗、铁耗增加。因此上述这种简单的脉冲电源，其脉宽调节由一定限制。如何使脉宽进一步减小，使电解法更加节电，节能呢？关键的问题使改进脉冲电源。由于 IGBT有很好的开关性能，用 IGBT对直流电源进行变换而产生脉冲电源，其斩波产生的脉冲电源上升沿和下降沿很陡，脉冲幅度温度。因此，将其应用于电解净水机，可进行一步大幅度调 节脉宽，且其脉冲幅值不变，并且能使反应按所需的方向进行，从而达到一定的处理效果，使电解净水机的电耗，铁耗尽可能减少， 它们适应不同领域的要求。 U( a ) ( b )Ut图 2 简 单 的 脉 冲 电 源 装 置( a ) 一 种 简 单 的 脉 冲 电 源 产 生 电 路( b ) 脉 冲 电 压 波 形1.3 电解净水机脉冲电源的主要技术指标 输入参数 电压 : 三相交流 380V 频率 : 50Hz 输出参数 脉冲电压峰值 : 1000V 频率 : 1000Hz 脉冲占空比 : 10% 60%连续可调 ; 要求 输出电流峰值 : 50A 频 率误差 : 0.5% 脉宽误差 : 1% nts 4 脉冲电压幅值 : 0.3% nts 5 第 2 章 系统设计综述 根据系统的运行环境选择合理的方案、设计有效可靠的电路和先进的系统控制算法是系统总体设计的主要任务，本文简要介绍电解净水机脉冲电源系统的组成和工作源理。 2.1 概述 与系统直流电源相比，脉冲电源就是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密度等参数均可根据电镀需要设定的直流电源，其特点可概括为 : (1)频率 f、占空比 (D)可调； (2)波形特殊 (例如方波等 )。 脉冲电源从波形分析看，一般有以下几种 :单脉冲电源、双脉冲电源以及多波形脉冲电源。在实际使用中，方波脉冲电源使用较为普通，多用于无特殊要求的镀金、镍场合，多波形脉冲电源多应用于合金类表面硬质氧化场合，例如铝的硬质氧化，而双脉冲电源为新近发展的新颖脉冲电源，是对于要求高的场合较为理想的电源，如精密仪器、电子元件陶瓷基片表面处理场合。 用大功率晶体管区实现是比较困难的，而且成本很高。从我国各方面情况来考虑，无疑，可控硅作为脉冲电源的功率元件是最佳选择。在以往 ,应用可控硅作为功率元件去获 得大功率脉冲 ,主要有两种方法 :第一种是单电源法；第二种是双电源法。单电源法形成的脉冲电源占空比不可调；双电源法虽然电源的设备复杂 ,成本高 ,但可以取得良好的工业效果。 电解净水机脉冲电源采用双电源法设计 ,即由一个低压直流电源和一个高压脉冲电源相叠加。设计的关键是分别设计出能满足技术指标的低压直流电源与高压脉冲电源 ,并且选用适当的元件将这两个电源连接起来（串联或并联）。这样就可以获得即有基压直流 ,又有脉冲电压的复合电源。 2.2 脉冲电源的总体设计 2.2.1 设计思路 对于低压直流电源，先要通过整流变压器将三 相交流电降压，再用三相整流电路将三相交流电变为两相直流电，再通过滤波电路将直流电的脉动部分滤去，最后得到连续的直流电压。 对于高压脉冲电源，它的直流部分与低压直流电源很相似，不同的是三nts 6 相整流电路的选择。另外，最本质的差别的是多了直流斩波电路。合适的开关元件能形成脉冲电压。同时，通过控制开关元件的导通与关断时间来控制输出脉冲的脉宽与周期，这样就得到了脉宽与频率可调的期望脉冲电源；通过整流电路的触发驱动电路改变触发角，以实现对输出脉冲电压幅值的控制。 通过开关元件将低压直流电源和高压脉冲电源串联连接，便可得到脉宽、周期、幅值均可调，且既有直流电又有脉冲电的复合电源。 2.2.2 系统方框图 根据设计题目的具体要求 ,以及对相关方面资料的参考 ,电解净水用脉冲电源系统的总体设计框图如下所示 : 由此可见 ,脉冲电源主要由三部分构成： 整 流单 片 机 图 2 - 1 系 统 方 框 图电压检测负 载 斩 波 滤 波2.3 系统各部分设计方案的确定 2.3.1 整流变压器的选择 输入电压三相交流 380V，并且变压器副边给两路电源供电，为保证供电质量，应采用三相三绕组变压器。为了避免三次谐波电动势的不良影响、三次谐波电流对电源的干扰，一组 整流变压器选用 D/Y联结，另一组整流变压器选用 D/D联结。 2.3.2 三相整流电路的选择 三相桥式全控整流电路的特点如下 (1)每个时刻均需 2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中 1个晶闸管是共阴极组的 (VTI, VT3, VT5), 1个是共阳极组的 (VT4, VT6, VT2 )且不能为同 1相的晶闸管。 (2)三相交流电源以正相序 abc 输入时对触发脉冲的要求 :6个晶闸管的触发脉冲按 VTl-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差 60，其它相序的情况可依此推。共阴极组 VT1, VT3, VT5的脉冲依次差 120，共阳极组 VT4, nts 7 VT6, VT2也依次差 120，同一相的上下两个桥臂，即 VT1与 VT4, VT3与 VT6, VT5与 VT2脉冲相差 180。 (3)输出整流电压 Ud一周期脉动 6次，每次脉动的波形都一样。 (4)在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，须保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲，一般有两种方法 :一种是使脉冲宽度大于 60 (一般取 80到 100 )，称为宽脉冲触发。另一种方法是在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发 脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差 60，脉冲宽度一般为 20到 30，称为双窄脉冲触发。 (5)三相桥式全控整流电路是通过控制触发脉冲延迟角 a的大小来控制输出整流电压 Ud，带电阻负载时 a角的移相范围是 120，带阻感负载时。 a角的移相范围是 90。 由于我们要研制的直流脉冲电源输出电压 1000VDC,输出电流 50A,输出功率 50KW，且要求输出脉冲电压连续可调，电压稳定，为在大的占空比输出进行电解净水时，保证较小的电耗与铁耗，以及考虑以上优点，经过认真分析，对于脉冲电源确定选用三 相全控方式产生直流脉冲电源所需的直流电源是很合理的。 对于直流电源，为简化电路，便于软件编程，选用三相不可控整流电路。 2.3.3 中间滤波电路的选择 整流电路虽然可以把交流单转换为直流电，但是所得到的输出电压中含有较大的脉冲成分。当直流用于电子设备的电源时，会引起谐波干扰。为此，整流电路中需加接滤波电容器，以保留整流后输出电压的直流成分，滤去脉动成分，使输出电压接近于理想的直流电压。 电容滤波电路一般用于要求输出电压较高、负载电流较小且变化小的场合，电路简单，输出电压脉冲较小。本设计要求输出电压的脉动为 0.3%，幅值为 1000V，所以选用电容滤波电路，输出电压接近整流电压峰值。 在低压直流电路与高压脉冲电路中，滤波电路采用平波滤波器。 2.3.4 斩波电路的选择 能将直流电变成另一固定电压或大小可调的直流电压的变换电路称为直流变换电路。它的基本原理是利用电力电子开关器件周期性地开通与关断来改变输出电压的大小 ,因此也称为开关型 DC/DC变换电路或称斩波电路。直流变换电路多以全控型电力电子器件 (如 GTO、 GTR、 VDMOS和 IGBT等 )作为开nts 8 关器件 ,控制输出电压的大小。其开关频率高 ,变换效率也高。近年来 ,功率器 件以及各种控制技术的发展极大地促进了直流变换技术的发展。各类新型变换电路不断出现 ,为进一步提高直流变换电路的动态性能 ,降低开关损耗 ,减小电磁干扰开辟了有效的新途径。 2.3.4.1 降压斩波电路 降压变换电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路 ,又叫 Buck型变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。降压型变换电路的基本形式如图 2 2所示。图中开关 S可以是各种全控型电力器件。D为续流二极管 ,其开关速度应和 S同等级 ,常用快恢复二极管。 L、 C为滤波电感和电容 ,组成低通滤波器 ,R为负载。为了简 化分析 ,作如下假设 :S、 D是无损耗的理想开关 ,输入直流电源 Ud是恒压源 ,其内阻为零 ,L、 C中的损耗可忽略 ,R为理想负载。 Ud+-SVd+-uvL+uc-C R uo+-2.3.4.2 升压斩波电路 输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路 ,又叫Boost电路。它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升压型变换电路的基本形式如图 2 3所示。图中 S为全控型电力器件组成的开关 ,D是快恢复二极管。 -Ud+ +u c C R+uoSL VD2.3.4.3 升降压斩波电路 升降压变换电路 (又称 Buck-boost电路 )的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压 ,输出电压与输入电压极性相反 ,其电路原理图如图 2 4所示。它主要用于要求输出与输入电压反向 ,其值可大于或小于输入电压的图 2 2 将压斩波电路原理图 图 2 3升压斩波电路 nts 9 直流稳压电源。在升降压变换电路中 ,随着开关 S的通断 ,能量首先储存在电感 L中 ,然后再由电感向负载释放。 -Ud+LS+uc C R+uo以上三种斩波电路，开关器件导通时，负载端得到一恒定电压；开关器件截止时，负载端由于电感释放储能输出一 衰减电压，并不是期望的零电压。显然，这三种斩波电路不能产生直流脉冲电压。所以只能选用开关元件作为斩波器件串联在直流电路中产生脉冲电压。 2.3.5 斩波开关功率元件的选择 门极可关断晶闸管 (GTO)、电力晶体管 (GTR)、电力场效应管 (MOSFET)、以及绝缘栅双极性晶体管 (IGBT)均是全控性器件。 GTR和 GTO是双极性电路驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力 MOSFET是单极性电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定好，所需驱动功率 小，而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为 Bi-MOS器件。绝缘栅双极性晶体管综合了 GTR和 MOSFET的特点，将 MOSFET. GTR的优点集于一身，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好，且驱动电路简单、驱动功率小等特点，同时具有稳态压降小、耐压高及承受电流大等优点，因而具有良好的特性。 故选用 IGBT作为开关功率元件。 2.4 脉冲电压设计的总体要求 由于电源工作在脉冲方式 ,大功率的应用增加了系统的高频干扰源 ,为了增加控制系统的抗干扰能力 ,各个系统模块必须采取的措施包括 : 1) 所有的控制信号与主回路之间的连接都要通过双绞线传输，减少干扰信号通过线间传导对系统造成的影响； 图 2 4 升降压斩波电路原理图 nts 10 2) 采取数字滤波技术 ,增强控制模块的抗干扰能力； 3) 对可控整流模块和逆变模块中的功率器件 ,设计合适的吸收电路抑制高频振荡 ,减少干扰源。 nts 11 第 3 章 直流基压电路的设计 本章将主要介绍电解净水机脉冲电源直流基压电路部分的设计 ,包括整流电路与平波滤波器 ,以及一些关键参数的计算与设计。内容包括整流变压器 ,三相整流电路 ,平波滤波器，及整流电路的保护。由第二章我们知道，三相整流电路选用三相不可控整流电路 ,平波滤波器则选用 LC滤波。 3.1 整流电路的设计 3.1.1 直流基压电路原理图及工作原理 图 3-1所示为前端三相输入整流桥和滤波器 ,考虑理想情况 ,Li无穷大 ,Id为一平滑直流。 Ci图 3 - 1 三 相 整 流 桥 及 L C 滤 波 电 路id LiD1 D3 D5D4 D6 D2三相不可控整流电路将经过整流变压器降压的三相交流电变为直流电 ,但是直流电存在脉动。脉动的直流电对电解净水机来说是不稳定的 ,无法满足设计的要求。 LC滤波电路能够消除三相不可控整流电路输出电压的脉动成分 ,可获得直流连续的稳定电压 ,还可以防止高频噪声的干扰，以供电解净水机使用。 电源 主电路原理拓扑在上面已经介绍过了，这简单介绍以下水路的结构，由于电源的功率容量很大，开关管等各部分的损耗也就相应的增加。为了保护开关器件、变压器等不至于因过热而损坏，我们采用了自来水冷却的办法。把功率器件，如：整流二极管 IGBT，都安装在水腔上面。平波电抗器和变压器中也有水管，通冷水带走电流产生的热量。由于变压器副边要求输出电流很大，损耗也很可观。所以输出母排上也给安上了水管。整个水路和电路走线布局紧密配合，结构很巧妙。 nts 12 3.1.2 三相不可控整流电路的工作原理 电容滤波的三相桥式不可控整流电路如图 3 2 所 示。假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的。所以以电阻 R 作为放电。按照线电压提供给每对二极管最高电压时导通的规律，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最高的一相。该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通则由电容向电阻放电，直流侧输出电压按指数规律下降。 图 3 3 给出了此电路的理想工作波形。设二极管在距线电压过零点 s角处开始导通，并以二极管 VD6 和 VD1 开始导通的时刻为时间零点，则线电压为 2 6 2 s i n ( )u l U t （ 3-1） L1L2L3CiidVD1 VD3 VD5VD4 VD6 VD2在 Wt=0 时，二极管 VD6 和 VD1 开始同时导通，直流侧电压等于 Uuv。下一次同时导通的一对二极管是 VD1 和 VD2，直流侧电压等于 Uvw。这两段导通过程之间的交替，由于负载的大小，存在着 id 断续和连续的两种情况：一种，当 Wt=0 时，线电压 Uuv，经二极管 VD1、 VD6 一方面向负载及提供 电流，另一方面向电容器 C 充电，直流侧电压 ud 等于 Uab， Uab 达到最大值后又按照正弦规律下降，当 Uab ud， VD1、 VD6 受反向电压作用而关断，电容C 经 R 放电，提供负载所需电流，同时 ud 按指数规律下降。当 Uuw 大于 ud时 ,vD1、 vD2 受正向电压导通。直流侧电压变为 Uuw，工作过程类似前段，以后过程以此类推。由于电容措 C 反复进行充放电，负载电压中纹波成分较小，平滑性好且平均值增大。这种情况下交流侧向直流侧的充电电流 id 是断续的。另一种情况是 VD1 一直导通，交替时由 VD6 导通换相至 VD2 导通，id 是连续的， 直流侧电压为线电压的包络线。介于 id 连续与断续的临界情况是， VD6 和 VD1 同时寻通的阶段与 VD1 和 VD2；同时导通的阶段在 t 十 2 /3 处恰好衔接起来 ,id 恰好连续。 图 3-2 三相不可控整流滤波电路 nts 13 可以根据下列公式，确定临界条件。在 VD6 和 VD1 导通期间，以下方程成立 202( 0 ) 6 s i n1( 0 )dtd t luUu i d t uC(3-2) 式中， ud（ 0）为 VD6、 VD1 开始导通时刻直流侧电压值。 26 c o s ( )ci C U t (3-3) 而负载电流为 226 s i n ( )LRuUitRR (3-4) 22 66 c o s ( ) s i n ( )d C R Ui i i C U t tR (3-5) 23t (3-6) 3RC (3-7) 在 t 十 2 /3 处， VD6,VD1 与 VD1、 VD2 换相， id=0 将其代入式 (3-5)得 3RC (3-8) 这就是临界条件。 RC= 3 和 RC 3 分别是电流 id 断续和连续的条件。对于一个确定的装置来讲，通常只有 R 是可变的。它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，直流侧从交流侧获得的充电电流在轻载时是断续的，在重载时是连续的，分界点就是 R 3 /（ C）。 图 3-3 为三相不可控整流滤波电路的输出波形图。 nts 14 3.1.3 三相整流桥的保护 整流二极管耐压能力是很有限的 ,即使超过元件的反向击穿电压数值不多，时间不长 (0.5-1微秒 ),都有可能使元件反向击穿 ,造成损坏 .另外 ,过电压超过整流二极管的正向转折电压后 ,就会出现误导通 ,这种误导通如果次数频繁 ,导通后通过的电流较 大 ,也可能使元件损坏。因此必须采取措施消除过电压。 对于交流侧那些持续时间长，能量较大的尖峰过电压采用 Y型连接的压敏电阻来吸收；对于交流侧那些持续时间短，能量较小的尖峰过电压采用 Y型连接的阻容来吸收；对于直流侧的过电压采用并联一个压敏电阻。 整流二极管虽能承受一定的过电流，但在短路活过载时，如果有超过元件所能承受的过电流，而切断的时间稍慢，就会造成整流二极管元件的损坏，过电流的保护也很重要。所以采用元件与快速熔断器串联来吸收过电压。 3.2 平波滤波器的设计 3.2.1 平波滤波器的结构 平波滤波器中平波电 抗器的作用主要有两个：一是使整流电压趋于平滑 ,限制流过电力二极管的电流尖峰 ；二是使输入功率因数提高。我们有两种方案来安置滤波电感。其一是把电感放在直流侧，如图 3-2所示。另外一种方案是把电感放在交流侧，如图 3-4所示。这两种形式，都能够使直流侧电压足够平滑。 图 3-3 三相不可控整流桥波形图 nts 15 Ci图 3 - 3 平 波 滤 波 器 的 另 一 种 结 构idV D 1 V D 3 V D 5V D 4 V D 6 V D 2但是在相同的电感量下，对与图的结构，对电网引起的谐波电流含量较图 3-1小得多。所以在对谐波要求比较苛刻得时候，应该选图 3 3所示结构。图 3-1与之相比，最大得优势就是只使用一只电感，无 论在结构复杂程度，还是成本上都要低得多。而且理论上这种结构可以达到得最高输入功率因数为 0.995。这对于一般系统得要求，已经使绰绰有余了。所以，在这里我们用了图 3 1的结构。 3.2.2 平波滤波器的计算 参考有关资料得到这样一个经验公式： Po*Li=15 （ 3-9）例如 Po=30kW，对应的 Li=0.5mH。对交流波纹电压进行衰减，取 1/10，所 以滤波电容的值可按如下公式计算： Ci= 1036 Li（ 3-10） 式中 =2 f，当 Li=0.5mH时， Ci=5635 F。考虑到电解电容的等效串联电阻和电感的影响，实际应用当中的电容值应该乘上 1.1 1.2倍的系数。所以，实际上电容 Ci=7050 f。 本设计中，滤波电容 Ci参数 Udm=UL+U1=200+0.3 =200.6 耐压 Uc=1.1 1.3Udm=1.1Udm=221V，取 Uc=250V 由公式 (3-9) 得 输出功率 Po=10KW,Li=1.5mH 由公式 (3-10)得 电容 Ci=2050 f，取 Ci 2200 所以滤波电容为 2200 f/250V， CJ10。 平波电抗器 Li参数 电感 Ii 1.5mH 通过电流 I=50A nts 16 所以平波电抗器为 LG2。 电阻为 RYGAE。 3.3 直流基压电路的计算 3.3.1 整流二极管的计算 表 3 1 三相不可控整流电路主要参数 电路形式 输 出 直 流 电压 输 出 直 流 电流 二 极 管 承 受最 大 反 向 电压 通 过 每 只 二极 管 平 均 电流 三相半波 1.17U2 1.17U2/RL 2.45U2 Io/3 三相桥式 2.34U2 2.34U2/RL 2.45U2 Io/3 双向星形 1.17U2 1.17U2/RL 2.45U2 Io/6 (新编电气工程师使用手册（下册） 中国水利水电出版社 ) UDM=2.45U2=209V ID(AV)=Io/3=50/3=17A 故 VD 取快恢复二极管 PFR 104 3.3.2 整流变压器的计算 U1=380V,Ud=200V 1 U2电压的计算 U2=(1 1.2)Ud/(A B) (3-11) A 理想情况下， 0时整流电压 Ud0与二次电压 U2之比，即 AUd0/U2； B 延迟角为是输出电压 Ud与 Ud0之比，即 B Ud/Ud0； 电网波动系数，通常取 0.9； 1 1.2 考虑各种因素的 安全系数。 取 A 2.34, B=1, 0.9 U2=1.2 200/(2.34 1 0.9)=113.96V 电压比 K U1/U2=380/113.96=3.34 2 二次相电流与一次相电流 I2,I1的计算 I1= KI1Id/K (3-12) I2=KI2Id (3-13) KI1=0.816 KI2=0.816 nts 17 I1=1.05KI1Id/K=1.05 0.816 50/6.67=6.42A I2=0.816 50=40.8A 3 变压器的容量计算 S1=m1U1I1 (3-14) S2=m2U2I2 (3-15) S=(S1+S2)/2 (3-16)式中 m1、 m2 一次侧、二次侧绕组的相数 取 m1=m2=3 S1=3 380 6.42=7.32 KVA S2=3 113.96 40.8=13.95 KVA S=(13.95+7.32)/2=10.63 KVA 3.3.3 整流电路保护电路的计算 3.3.3.1 交流侧的过电压保护 1 Y型联结阻容保护 对于单相电路 226I SC em U(3-17) 电容 C的耐压 1.5Um 222 .3 U U shRS Iem(3-18) 电阻功率 2P ( 3 4 )RRIR (3-19) -62 1 0I c fc U c 式中 S 变压器容量（ VA）； U2 变压器二次相电压有效值（ V） ； IR 通过电阻的电流（ A） Iem 变压器励磁电流百分数， 10 100KV A 的变压器，对应的Iem=10 4； Ush 变压气的短路比， 10 1000KV A的变压器，对应的 Ush=5 10； Um 阻容两端正常工作时交流电压峰值（ V） 。 对于三相电路，如同示， R和 C的数值可按下表进行换算。 nts 18 表 3-2 变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值 变压器接法 单相 三相、二次 Y联结 三相、二次 D联结 阻容装置接法 与变压器二次测并联 Y联结 D联结 Y联结 D联结 电容 C C C/3 3C C 电阻 R R 3R R/3 C1 (6 10 10630/3)/(113.96)2=16.4( F),取 C1=18 F C1耐压 1.5 2 113.96=241.71V 故选电容器 CJ10 R1 2.3 2(113.96) 310630 510=5.6 Ic=2 50 113.96 18 10-6=0.65A PR (3 4)Ic2R=3（ 0.65） 2 5.6=7W 故选金属氧化膜电阻 RY17 2 压敏电阻的选择 U1MA=1.3 2 U (3-20) 式中 U 压敏电阻两端正常工作电压有效值。 U1MA 1.3 2 113.96=209.48V 电流通量取 3KA 故选 MY31-220/3 3.3.3.2 直流侧过电压保护 U1MA (1.8 2 ) (3-21) 式中 UDC 正常工作时加在压敏电阻两端的直流电压（ V）。 U1MA 2 200 400 电流 通量取 3000A 故选 MY31-440/3 3.3.3.3 过电流保护 (快速容短期的选择 ) IT =Id/ 3 =50/ 3 =28.87A 故选 RL1-60，熔体电流 60Ants 19 第 4 章 高压脉冲电路的设计 4.1 概述 高压脉冲电路由两部分组成，直流基压电源与脉冲电压产生电路。直流基压电源主要是三相整流电路，它可以把经过变压器的三相交流电变成直流电；脉冲电压产生电路即斩波电路，将直流电变为脉动的电压。整流元 件应设计合适的过电压与过电流保护电路，整流元件也应该如此。系统原理图如图 4 1所示： 整流电压形成部分，拟采用电压闭环系统，主电路采用模块装置，减少了设计工作量，提高了系统的可靠性，只要设计合适的控制参数，就能提供稳定的整流电压，控制电路采用比例积分 (PI)调节器，使得系统技术指标更优。 脉冲形成部分，选用单片机进行脉冲宽度数字调制，脉宽与输出电压幅值分别可调，主电路选用智能化器件 IGBT，选用多种保护策略，以提高器件的安全程度。 整流电路研究的内容主要是根据负载的要求 (输出直流平均电压 Ud，电流 Id)选择整流电路，确定整流变压器的定额 (原副边电压有效值 U1, U2，电流有效值 I1、 I2及容量 S1, S2):确定整流电路中的电力电子器件定额，评价整流电路的技术经济指标。工作电流小、检测精度高等优点，已成为当今电力电子设备中常用的检测元件。 4.2 直流稳压电源的设计 目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图 4-2所示： 整流 滤波 斩波 负载 斩波控制 整流控制 图 4 1系统原理图 nts 20 负载L3L2L1V D 2V D 6V D 4V D 5V D 3V D 1Tabc4.2.1 三相可控整流电路的工作原 理 三相全控桥式整流电路：三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联起来组成的 ,如图 4-2 所示。为了便于表达晶闸管的导通顺序 ,把共阴极组的晶闸管依次编号为 T1、 T3、 T5,而把共阳极组的晶闸管依次编号为 T4、 T6、 T2。为节省篇幅 ,本节只介绍全控桥电路带大电感负载的情况。 1.工作原理 由三相半波电路的分析可知 ,共阴极组的自然换流点 (=0 )在 t1、 t3、 t5 时刻 ,分别
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