单相负载的晶闸管限电保护电路课程设计作业.doc

单相负载的晶闸管限电保护电路 课 程 设 计 系 别： 电气工程系专业年级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 刘艺柱 成 绩： 2011年 1 月3 日、 目 录一、总体设计思路 3。二、系统原理方框图及主电路设计 .52.1、方案的选择5。2.2、原理说明5。2.3系统原理方框图624主电路设计.6三、晶闸管的保护电路 321晶闸管过电压保护过电流保 。.12四、参考文献14一、总体设计思路用双向晶闸管做主控开关的单相电源限电保安设备可以对负载用电量进行限制，并且当出现过流飞负载短路及过压现象时，能迅速切断电源。负载用电量达到限制整定值时，电路对负载欠电压供电，以示对用电负荷提出警告，并保持一定照明电压，不至引起因停电所造成的其它事故。 该电路原理如图2-8所示。VT、V6、C8、R3、R2等组成无触点开关。VT的通断受继电器KA3控制，继电器KA2控制R2两端压降。双管干簧继电器KAl作电流检测元件，VD10、V5为电压检测元件。VD1一VD4、C1、C2、KA3组成过流保安动作电路。压电陶瓷片B、氖灯HL、C3组成KA3动作的声光报警电路。C4一C7、VD5一VD8、V1、V2、V3、V4、KA2、RP1、RP2等组成时序控制电路，用于对负载欠电压延时供电。R6、C9为过电压吸收电路。SB为复位开关。2.8 单相负载的晶闸管限电保安电路 负载电压及用电负荷正常时，整个电路处于静态。当用电负荷达到或超过限电整定值时，双管干簧继电器因线圈KA1通过交流电而周期性吸合，KAl接点交替通断给C7充电。当C7电压超过V4击穿电压与V2、V3正偏置电压之和时，V2、V3导通，KA2吸合，其常闭接点KA2断开，使R2串入VT的触发回路，从而使VT的导通角变小，负载供电电压下降。此时，KA1应停止动作，但C7中贮存一定电荷，所以KA2能保持吸合一段时间，即对负载欠电压供电时间。随着C7逐渐放电，V2、V3终将转为截止。此时，KA2释放，电路恢复耳常供电。如这时用电负荷仍未下降，电路将重新进入欠电压供电状态。为避免像白炽灯、电动机这类负载启动瞬间的大电流引起KA2误动作，可调节RP1，以适当增加KA2的延时吸合时间，KA2吸合后的延时释放时间可通过RP2调节。当负载端电压达到或超过保安整定值时，V5击穿，C7开始充电，以下工作过程同上述相仿，不同之处在于省去了延时时间。 当负载电流大于50A时，KA1发生周期性吸合，通过接点KA1给KA3提供电源，KA3吸合并通过其接点自锁，同时切断VT的触发电路，电压过零时VT关断。此外，报警电路B 、 HL同时发出声光信号，电路为断电保安状态。欲使电路重薪恢复供电，只需按一下SB引起KA3断电释放即可。 电路中的电流检测元件KA1是在一个长6cm，直径2cm的绝缘骨架上，用能通过40A安全电流的铜线绕3匝。干簧管选用JAG-2型。 调整时，将RP1、RP2置零值，在负载端接入50A用电器，将KA1中干簧管KA1从线圈较外部往中段推移，至KA3吸合为止，然后在负载端接入与限电整定值相同电流的用电器，将KAl从线圈较外部往中段推移，至KA2刚好吸合。KA1、KA12应反复调整达到较准确的电流值时将其固定即可。过压保安值取决于V5，可用两个至数个稳压管串联，当稳定电压之和在330350V时，电路的过压保安整定值在240250V之间。欠压供电值可在负载通过限电整定值电流时，调整R2确定。调节RPl延迟时间一般在35s，或根据需要选择，调节RP2，延迟时间即可根据需要选择。由于电路直接与市电联接，故调整和使用时，要注意人身安全。二、系统原理方框图及主电路设计2.1、方案的选择。 单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析各种单相相控整流电路在带电阻性负载、电感性负载和反电动势负载时的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。 2.2、原理说明 当负载由电阻和电感组成时称为阻感性负载。例如各种电机的励磁绕组,整流输出端接有平波电抗器的负载等等。单相桥式整流电路带阻感性负载的电路如图2.1所示。由于电感储能,而且储能不能突变因此电感中的电流不能突变,即电感具有阻碍电流变化的作用。当流过电感中的电流变化时,在电感两端将产生感应电动势,引起电压降UL。 图2.1 2.3系统原理方框图系统原理方框图如2.2所示： 图2.2系统原理方框图整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用单相桥式全控整流电路接电阻性负载。24主电路设计241主电路原理图及其工作波形 图2.3主电路原理图图2.4 主电路工作波形图 电路如图2.3和图2.4所示。为便于讨论，假设电路已工作于稳态。(1) 工作原理 在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2中换流至VT3、VT4中在时，电压过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。242整流电路参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算=（2.1）当=0时，取得最大值100V即= 0.9 =100V从而得出=111V，=90o时，=0。角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为= =111V （2.2）3）整流电流的平均值和有效值分别为 （2.3） （2.4）4)在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器二次电流是正、负对称的方波，电流的平均值和有效值相等，其波形系数为1。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为： （2.5） （2.6）5)晶闸管在导通时管压降=0,故其波形为与横轴重合的直线段；VT1和VT2加正向电压但触发脉冲没到时，VT3、VT4已导通，把整个电压加到VT1或VT2上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于;VT1和VT2反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整 个电压加到VT1或VT2上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为。243元器件选取由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。1).晶闸管的主要参数如下：额定电压UTn通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UTn （23）UTM （2.7） UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 额定电流IT(AV) IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。 在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITM ITn ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系： （2.8） （2.9）波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。 （2.10）额定状态下， 晶闸管的电流波形系数 （2.11）=（2.12）当=0时，取得最大值100V即= 0.9 =100V从而得出=111V，=90o时，=0。角的移相范围为90o。晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取400V.晶闸管的选择原则：、所选晶闸管电流有效值ITn 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。、 选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即ITn 0.707IT(AV) （1.52）ITM （2.13） 因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A.在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.、 若散热条件不符合规定要求时，则元件的额定电流应降低使用。 通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.41.2V。 维持电流IH 。指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。 门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。2)、变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2VA。244性能指标分析：整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的用整流输出电压的平均值表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数。1)整流输出电压平均值= （2.14）2)纹波系数纹波系数用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即三、晶闸管的保护电路321晶闸管过电压保护过电流保护第一种是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。第二种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。我们这次的课程设计采用的是第二种保护电路。（1） 晶闸管变流装置的过电流保护晶闸管变流装置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，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。图4.3过电流保护采用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。在选择快熔时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。3）快熔的值应小于被保护器件的允许值、4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为晶闸管的额定电流为10A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为15A。（2）晶闸管变流装置的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，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，过电压保护有避雷器保护，利用非线性过电压保护元件保护，利用储能元件保护，利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。在此我们采用储能元件保护即阻容保护。图4.4晶闸管的过电压保护单相阻容保护的计算公式如下： （4.1） （4.2）S:变压器每相平均计算容量（VA）U：变压器副边相电压有效值 （V）i%:变压器激磁电流百分值U%：变压器的短