电力电子课设 单相可控变流器设计.doc

附件1：学 号： 0121011360116课 程 设 计题 目单相可控变流器设计学 院自动化学院专 业自动化班 级 自动化1001班姓 名张帆指导教师李向明2013年1月3日武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 张帆 专业班级：自动化1001班 指导教师： 李向明 工作单位： 自动化学院 题目： 单相可控变流器的设计初始条件：单相全控桥式可控整流电路或单相半控桥式可控整流电路，电阻-电感性（大电感）负载， R1.5，额定负载电流Id40A，最大电流Idmax40A。要求完成的主要任务：1.单相可控主电路设计于参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额）。讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.系统原理分析5. 提供系统总电路图。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2012.12.242012.12.25 收集资料2012.12.262012.12.28 系统设计2012.12.292012.12.30 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 摘要 本次课程设计按照任务说明书的要求，完成了单相可控变流器设计。选择单相全控桥式整流（阻感性负载）作为设计方案，整个系统由交流电源、控制电路、驱动电路、负载电路以及保护电路组成，基本能够满足题目要求。经过对整个电路的MATLAB建模仿真，验证了方案的正确性。最后，给出了系统的总电路图。经过一周左右的课程设计，锻炼了动手动脑的综合能力。 目录1设计背景12系统方案选择13单元电路设计33.1单相可控主电路设计参数计算33.1.1工作原理分析33.1.2整流电路参数计算43.1.3整流变压器参数计算53.2晶闸管电路对电网的影响及其功率因数63.2.1晶闸管主要参数63.2.2晶闸管选取原则83.2.3晶闸管对电网的影响93.2.4系统功率因数计算93.3 触发电路设计103.3.1触发电路的选择103.3.2触发电路设计123.4过电压保护与过电流保护电路设计133.4.1过电压保护设计133.4.2过电流保护设计143.4.3电流上升率di/dt的抑制153.4.4电压上升率dv/dt的抑制154系统总电路图165 MATLAB仿真165.1 MATLAB建模165.2参数设计175.3仿真结果186收获与体会207参考文献21 单相可控变流器的设计1设计背景 电力变流器是由一个或多个电力电子装置连同变流变压器、滤波器、主要开关及其他辅助设备组成的变流设备，它应能独立运行并完成规定功能。常见的电力变流器有：整流器，用于交流到直流的变流；逆变器，用于直流到交流的变流；交流变流器，用于交流变流；直流变流器，用于直流变流。此次课设设计的为变流器中的整流器。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。整流电路通常由触发电路、主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路可以从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可以分为不可控，半控，全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。2系统方案选择单相桥式整流电路可分为单相全控桥式整流电路和单相半控桥式整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。2.1方案一：单相半控桥式整流电路 如图1是单相半控桥式整流电路，它的优点是：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，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。 图1 单相半控桥式整流电路 2.2方案二：单相全控桥式整流电路 如图2为单相全控式整流电路，它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。 图2 单相全控桥式整流电路 2.3方案选择单相半控桥式整流电路因其性能较差，实际中很少采用。在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。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。 2.4总体框图该系统电路主要由六部分构成，分别为交流电源、保护电路、整流电路、控制电路、驱动电路和负载电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。由以上分析得出系统总体框图如图3： 图3 总体框图3单元电路设计3.1单相可控主电路设计参数计算3.1.1工作原理分析 单相全控桥式整流电路设计如图1： 图4 单相全控桥式整流电路及其工作波形图4中：(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)输出电流；(f)晶闸管,上的电流；(g)晶闸管 ,上的电流；(h)变压器副边电流；(i)晶闸管,上的电压。单相全控桥式整流电路工作原理：在电源电压正半周期间，、承受正向电压，若在时触发，、导通，电流经、负载、和T二次侧形成回路，但由于电感的存在,过零变负时，电感上的感应电动势使、继续导通，直到、被触发导通时，、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、承受正向电压，在时触发，、导通，、受反相电压截止，负载电流从、中换流至、中；在时，电压过零，、因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期、导通时，、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。3.1.2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= = =由题意可知，=1.540=60V当=0时，取得最大值60V，即= 0.9*=60V，从而得出=67V，=90o时，=0。角的移相范围为90o。2）整流输出电压的有效值为=67V 3）整流电流的平均值和有效值分别为=40A =44.7A 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：= = 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；和加正向电压但触发脉冲没到时，、已导通，把整个电压加到或上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于；和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或上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为,即 。 3.1.3整流变压器参数计算在电力系统中变压器的地位是非常重要的，不仅需要变压器的数量多，而且要求性能好，技术经济指标先进，还要保证运行安全可靠。一二侧电压之比近似等于其匝数比。因此在原绕组不变的情况下改变副绕组的匝数，就可以达到输出电压的目的。若将副绕组与负载相接，副边就会有电流流过，这样就把电能传输给了负载。从而实现了传输电能，改变电压的要求，就是变压器工作的基本原理。在单相全控桥式整流电路中：二次相电压:平时我们在计算是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算： 式中 负载的额定电压； 整流元件的正向导通压降，一般取1V； 电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数； A 理想情况下=0时与的比值，查表可知； 电网电压波动系数，一般取0.9； 最少移相角，在自动控制系统中总希望值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取（3035），不可逆直流调速系统取（1015）； C 线路接线方式系数，查表单相桥式C取0.5V； 变压器阻抗电压比，100KVA以下，取=0.05V， 100KVA以上，取=0.050.1V； 二次侧允许的最大电流与额定电流之比。一次与二次额定电流及容量计算：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： K= 式中、变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 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、容量计算与线路型式有关。单相桥式可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 此时，为0。可以计算出，选择整流变压器的变比为：变压器二次侧容量为=67V40A=2.68KVA 3.2晶闸管电路对电网的影响及其功率因数3.2.1晶闸管主要参数额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用晶闸管时，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 ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 额定电流 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,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。 :额定电流有效值，根据管子的换算出， 、三者之间的关系： 考虑到晶闸管电流的安全裕量为，流过每个晶闸管的电流有效值为，晶闸管的额定电流为 ，。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，用表示：额定状态下， 晶闸管的电流波形系数为： 晶闸管承受最大反向电压，所以晶闸管的额定电压为。3.2.2晶闸管选取原则一、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。二、选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即0.707（1.52） 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。三、 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。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。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。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。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。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。3.2.3晶闸管对电网的影响在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件，导通时认为其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降。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。为防止谐波危害，晶闸管装置可以采取措施抑制谐波，其办法大致有：（1）增加电流相数：一个改变变流装置的电流波形的方法是增加交流装置的脉动数，谐波次数越高，其幅值就越小，增加供电的相数就能显著减小谐波的次数。（2）安装谐波滤波器：常采用的排除大中型变流装置谐波的有效方法是在交流装置输入端对这些谐波分量进行滤波。（3）减小相位角。3.2.4系统功率因数计算单相全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为： =1,3,5,因此可得基波电流有效值为： 的有效值，可得基波因数为：又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，所以位移因素为： 所以，功率因数为：3.3 触发电路设计3.3.1触发电路的选择1）触发信号可以是交流，直流或脉冲形式。由于晶闸管触发导通后，门极即失去控制作用，为减少门极损耗，一般触发信号采用脉冲形式。2）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。触发电路的任务是提供控制晶闸管的门极触发信号。由于晶闸管门极参数的分散性以及其触发电压、电流随温度变化的特性，为使各合格元件在各种条件下均能可靠触发，触发电流、电压必须大于门极触发电流和触发电压，即脉冲信号触发功率必须保证在各种工作条件下都能使晶闸管可靠导通，触发脉冲信号应有一定的宽度，脉冲前沿要陡，保证触发的晶闸管可靠导通。如果触发脉冲过窄，在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流，则晶闸管会重新关断。对于三相全控桥式整流电路，要求触发脉冲信号是间隔60的双窄脉冲或大于60小于120的宽脉冲或脉冲列。为使并联晶闸管元件能同时导通，则触发电路应能产生强触发脉冲。在大电流晶闸管并联电路中，要求并联元件能同时导通，各元件的都应在允许范围之内。由于元件特性的分散性，先导通元件的就会超过允许值而损坏，故应采取图3所示的强触发脉冲。强触发电流幅值为触发电流值的5倍左右，前沿陡度应不小于0.5/s，最好大于1/s；强触发宽度对应时间应大于50s，脉冲持续时间应大于550s。4) 触发脉冲的同步及移相范围。为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。同时，为了使电路在给定的范围内工作，应保证触发脉冲能在相应范围内进行移相。为保证逆变工作安全可靠，对最小的逆变角min也应加以限制，一般min=3035。5) 隔离输出方式及抗干扰能力。触发电路通常采用单独的低压电源供电，因此应采用某种方法将其与主电路电源隔离。常用的是在触发电路与主电路之间连接脉冲变压器。此类脉冲变压器需作专门设计。触发电路正确可靠的运行是对晶闸管设备的安全运行极为重要的环节。引起触发电路误动作的主要原因之一是从主电路或安装在触发电路附近的继电器和接触器引起的干扰。主电路的干扰常通过触发电路的输出级而进入触发电路，常用的抗干扰措施为：脉冲变压器采用静电屏蔽，串联二极管、并联电容等。由于全控桥式整流电路负载中含有电阻和电感，电感是大电感，因此电流是连续的。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。我们选取电力电子实验箱专用锯齿波触发电路TCA785（如图5）产生触发脉冲。TCA785内部主要有过零检测电路、同步寄存器、基准电压、锯齿波产生电路、放电监控比较器、移相比较器、定时控制与脉宽控制电路、逻辑运算电路等部分组成。 图5 锯齿波触发电路TCA785原理图3.3.2触发电路设计 我们设计的脉冲触发电路如图6 ，接下来就以该电路分析触发电路的触发脉冲的形成以及触发电路的定相。 图6 锯齿波触发电路TCA785工作电路图1、 锯齿波触发电路脉冲形成过程： TCA785内部的同步寄存器和逻辑运算电路都由基准电压提供，基准电压的稳定性对整个电路的性能有很大的影响。该电路中，基准电压的典型值为3.1V，通过8脚可以测基准电压是否正常。 锯齿波电路主要有内部的恒流源、放电晶体管和外加的9脚和10脚组成，恒流源的输出电流由9脚的Rg决定，该电流对电容C10充电。定时控制电路输出脉冲到放电晶体管的基极，该输出脉冲为低电平时，放电晶体管导通，C10通过放电晶体管放电。由于定时控制电路输出脉冲的频率为同步信号频率的两倍，所以同步信号每经过半个周期，C10两端就产生一个锯齿波电压。锯齿波电压加到移相比较器的反相端，与加到同相端的移相控制电压 Vy 比较。当锯齿波电压高于控制电压时，移相比较器输出信号立即翻转，该信号经倒向后，加到逻辑运算电路。 锯齿波电压也加到放电监控比较器的同相端。由于该比较器反相端所加的基准电压很低(一般为几十毫伏)，所以，只有锯齿波电压起始处，锯齿波电压才小于基准电压，此时放电监控比较器输出一个极窄的低电平脉冲，为由D触发器构成的同步寄存器提供开启电压。二、锯齿波触发电路的定相： TCA785通过一个高阻抗的电阻从线路电压（V5）引入一个同步信号。在通过一个零电压检测器后，传送到同步寄存器。这个同步寄存器能控制锯齿波的产生，他的电容C10通过一个固定的电流（由R9确定）充电。如果锯齿波电压V10超过了控制电压V11（触发角度），信号就作为逻辑信号处理。根据控制电压的大小，触发角度 可以在0180的相位之间移动。 每一个半波，正向脉冲,在Q1和Q2输出端有30 s迟延。通过电容C12，这个迟延可延长到180。如果管脚12接地，脉冲迟延则在和180之间。 图7 锯齿波触发电路TCA785脉冲波形3.4过电压保护与过电流保护电路设计 在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计 采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。3.4.1过电压保护设计过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。 为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡, 过电压保护电路如图7。 图7 过电压保护电路3.4.2过电流保护设计晶闸管承受过电流的能力很低，若过电流数值较大且时间较长，则晶闸管会因热容量小而产生热击穿损坏。为了使晶闸管不受损坏，必须设置过流保护，使晶交流侧自动开关或直流侧接触器跳闸。其动作时间约为100200ms，因此只能保护因机械过负载而引起的过电流，或在短路电流不大时，对晶闸管起保护作用。 1）直流快速开关 对于大容量高功率经常容易短路的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。它的断弧时间仅有2530ms，装在直流侧可有效的用于直流侧的过载保护与短路保护。它经特殊的设计，可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管。但此开关昂贵复杂，使用不多。2） 快速熔断器 闸管在被损坏之前就迅速切断电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其他元件。晶闸管过流保护措施有以下几种。 交流短路器 交流短路器的作用是当过电流超过其整定值时动作，切断变压器一次侧交流电路，使变压器退出运行。短路器动作时间较长，约为100200ms。晶闸管不能在这样长的时间里承受过电流，故它只能作为变流装置的后备保护。 3） 进线电抗器 进线电抗器串接在变流装置的交流进线侧，以限制过电流。其缺点是有负载时会产生较大的压降，增加了线路损耗。 4） 过电流继电器 过电流继电器可安装在直流侧或交流侧，在发生过电流时动作，使熔断器是最简单有效的且应用普遍的过流保护器件。针对晶闸管的特点，专门设计了快速熔断器，简称快熔。其熔断时间小于20ms，能很快的熔断，达到保护晶闸管的目的。 快熔的选择：快熔的额定电压URN不小于线路正常工作电压的均方根值；快熔的额定电流IRN应按它所保护的原件实际流过的电流的均方根值来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流IT来选择，一般小于被保护晶闸管的额定有效值1.57IT。如图8： 图8 过电流保护电路3.4.3电流上升率di/dt的抑制晶闸管初开通时电流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，然后以0.1mm/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图9所示: 图9 串联电感回路抑制电路3.4.4电压上升率dv/dt的抑制加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图10所示： 图10 并联电容回路抑制电路4系统总电路图经以上分析最终，该系统电路主要由六部分构成，分别为交流电源、保护电路、整流电路、控制电路、驱动电路和负载电路构成。如图11。 图11 系统总体电路5 MATLAB仿真5.1 MATLAB建模 确定方案后，对该变流电路进行了MATLAB仿真，首先对其电路进行建模，如图11为建模电路。 图11 系统电路的MATLAB建模5.2参数设计（1） 主控电路参数设计 图12 晶闸管设置 图13 阻感负载设置（2） 交流电源参数设计 图13 交流电源设置（3） 脉冲参数设计 图13 脉冲参数设置5.3仿真结果阻感负载分别在触发角为30、60、90度时的波形如图14到16。 图14 30时波形 图15 60时波形 图16 90时波形6收获与体会通过本次单相桥式全控整流电路的设计, 使我加深了对整流电路的理解, 让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。 整流电路的设计方法多种多样, 且根据负载的不同, 又可以设计出很多不同的电路。其中单相全控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型、接反电动势型。它们各自有自己的优点。 对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。 整流电路中，开关器件的选择和触发