大功率直流电源设计.doc

中 南 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科毕业论文（设计）论文题目 大功率直流电源设计 学生姓名 学 院 中南大学成教学院 专业班级 电气工程自动化09 完成时间 2011年06月 指导老师 目录摘 要：I第一章 绪论11.1 研究意义11.2 国内外研究现状11.3 论文内容及安排1第二章 总体设计和电源基本参数32.1 主电路设计32.2 控制电路72.3 保护电路设计92.4 数据采集系统152.5 直流滤波稳压电路252.6 QF11断路器整定27第三章 主要部件选择293.1 整流变压器的选择293.2 三相整流桥323.3断路器QF11的选择353.4交流接触器再KM11的选择38第四章 应用及实现394.1调试与应用394.2行业应用40第五章 结论及展望42参考文献43致谢44I摘 要：大功率直流电源在工业生产中是一种常用的设备。而采用二极管进行桥式整流得到直流电压，如需连续可调则在整流变压器的前端增加调压器，通过调压器来改变并输出连续可调的直流电压。在本设计中由于输出电压固定，而采用了通过改变整流变压器输出的串并联，达到输出固定直流电压值的目的。具有可靠性高，简单，调试容易等特点。关键词: 二极管 桥式 不可控整流 大功率直流电源 Abstract:High-power DC power supply in industrial production is a common device. The use of diode bridge rectifier are the DC voltage is continuously adjustable for the front of the rectifier transformer to increase voltage regulator, through the regulator to change and continuously adjustable output DC voltage. In this design, the output voltage is fixed, while the use of the rectifier transformer output by changing the series and parallel, to a fixed DC voltage output purposes. High reliability, simple, easy to debug and so on.Key words: Diode bridge rectifier High Power DC Power SupplyI第一章 绪论1.1 研究意义 大功率直流电源设备在电动汽车、机车牵引等电力拖动的实验设备中，是一种必不可少的工业设备。本文中所设计的直流电源，即是直接向牵引系统供给直流电源，从而模拟牵引设备在实际情况中各种工况下牵引设备的工作情况。目前，大功率直流电源多采用晶闸管技术，输出直流电源连续可调，可以满足各种被试品的电源需求。但是存在成本高、调试周期长的缺点。本文提出的二极管全控桥式整流具有投入少，运行稳定，调试周期快的特点，是为某型设备量身定做的直流电源设备。1.2 国内外研究现状1、大功率整流器件目前,国内外大功率整流电源输出直流电压的控制方式有两种,即大功率二极管整流机组的调压和大功率晶闸管整流机组的调压方式1。目前国外大功率整流电源中,采用6英寸硅片的大功率整流二极管或晶闸管, 如 ABB、 FUJI等公司, 国内在南车时代电气于收购了行业排名全球第六位的加拿大丹尼克斯半导体公司后，也掌握了6英寸全压接、GTO/IGCT及IGBT应用的核心技术。并且建成了6英寸及以下尺寸兼容的高压大电流器件生产线，解决了我国特大功率电力电子装置“心脏”依赖进口、发展受制于人的问题，使中国的大功率半导体研发制造水平大大推进了一步。2、整流机组的调压目前，国内外大功率整流电源输出直流电压的控制方式有三种，即大功率二极管整流机组的调压和大功率晶闸管整流机组的调压方式。另外一种为通过串并联整流变压器的固定值输出方式。1.3 论文内容及安排1、确定项目需求：（1）、进行设计方案的比较，并选定设计方案（2）、完成单元电路的设计和主要元器件说明；（3）、完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择；（4）、驱动电路的设计,保护电路的设计；2、确定系统技术要求：（1）、电网供电电压为3相AC 工频 380V； （2）、直流输出电压为固定1500V；（3）、直流输出功率400kVA。第二章 总体设计和电源基本参数2.1 主电路设计1、 方案的选择本项目主要是为某型电机及其控制器提供直流电源。该控制器额定输入DC 1500 V，最高输入DC1800 V。要求输入DC 1500V时，最大功率输出400kW。为此对比各整流电路的优缺点如表2.1所示。表2.1 各种整流电路优缺点比较单相双半波单 相桥 式三 相半 波三 相桥 式双反星形代平衡电抗器六 相半 波双三相桥式带平衡电抗器变压器 利用率差（0.75）较好(0.9)差(0.74)好(0.95)一般(0.79)差(0.65)好(0.97)直流侧脉动情况一般(m=2)一般(m=2)一般(m=3)较小(m=6)较小(m=6)较小(m=6)小(m=12)元件利用率（导通时间）好(180)好(180)较好(120)较好(120)较好(120)差(60)较好(120)直流磁化无无有无无无无波形畸变一般(0.9)一般(0.9)严重（0.827）较小（0955）较小（0955）较小（0955）小（0985）结合客户需求电压单一，无需调压的实际需求情况。那么采用三相不可控桥式整流电路，比桥式可控整流电路更简单、更经济。由于专门为某型产品实验需要，因此也没有采用调压器进行调压，而是通过固定直流电压值输出三相桥式整流的方式。为尽可能的兼容到公司的其它产品的调试，通过将整流变压器的2组副边绕组的串、并联的方式，得到两组固定直流电压值。2、 桥式整流电路设计整个主电路图如图2.1所示。3AC380V工业配电，经智能式万能断路器QF11和接触器KM11后，经整流变压器升压，再经三相桥和滤波电路后向被试品进行直流供电。为节省支出，在直流侧没有安装直流接触器。45图2.1主电路原理图3、 电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，图2.2给出了其电路模型，图2.3为其理想状态下的工作波形。图2.2整流电路模型（1）基本原理该电路中，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大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图2.3设二极管在距线电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点，图2.4图2.5则线电压为uab= U2sin()而相电压为 ua= U2sin(/6)在t = 0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的，如图2.3所示，另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在t2/3处恰好衔接了起来，id恰好连续。由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在t2/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有以上讨论过程中，忽略了电路中诸如变压器漏抗、线路电感等的作用。另外，实际应用中为了抑制电流冲击，常在直流侧串入较小的电感，成为感容滤波的电路，如图2.4a所示。此时输出电压和输入电流的波形如图2.4b所示，由波形可见，ud波形更平直，而电流i2的上升段平缓了许多。这对于电路的工作是有利的。当L与C的取值变化时，电路的工作情况会有很大的不同，这里不再详细介绍。可得 这就是临界条件。RC 和RC分别是电流id 断续和连续的条件。图2.4了RC等于和小于时的电流波形。对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，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=（C）。RC 时，交流侧电流和电压波形如图1所示，其中和的求取可仿照单相电路的方法。和确定之后，即可推导出交流侧线电流 ia 的表达式，在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。由于推导过程十分繁琐，这里不再详述。以上分析的是理想的情况，未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。当考虑上述电感时，电路的工作情况发生变化,其电路图和交流侧电流波形如图2.5a其中图2.5路原理图，图2.5b分别为轻载和重载时的交流侧电流波形。将电流波形与不考虑电感时的波形比较可知，有电感时电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重,电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。（2）.主要数量关系a.输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为 。随着负载加重，输出电压平均值减小，至RC = 进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U22.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。b.电流平均值 输出电流平均值IR为：IR=Ud/R 与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此： Id=IR在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3c.二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为。2.2 控制电路1、 控制电路根据与需求方进行讨论，提出用远程按钮手动开关控制的简单方式，设计控制电路原理图如2.6所示：图2.6控制电路图由电源进线端的C相和零线引入控制电AC220V，并装设小型交流断路器QF01（2P/AC230V/6A）作为控制电源的总开关。设置冷却风机FJ1为装设在输入输出柜内的启动电阻R1、R2、R3进行散热。在紧急停机按钮分开、所有门的关闭后的合闸过程如下：在控制台上按下动合开关“主电路合”（SB17）后，断路器QF11的吸合线圈X得电，断路器QF11合闸，断路器同时进行分闸储能，断路器常开辅助触头QF11.1闭合，串入此回路的主电路合指示灯亮，。按下变压器输入合（SB15），控制电经过动分开关“主电路分”（SB16）给延时启动接触器KT11的线圈供电，KT11吸合，KT11的辅助常开触头KT11.1闭合，经延时触头KT11.3后，启动电阻接触器线圈得电，KM14闭合，主电路中串入启动电阻，同时经过延时触头KT11.2后，主接触器线圈得电，KM11闭合，KM11上的辅助触头KM11.3常开点闭合，变压器输入合指示灯（SB15HL）亮，而串入分闸信号灯的常闭触头KM11.4弹开，分闸信号灯灭。至此，上电合闸操作完成。在紧急停机按钮分开、所有门的关闭后的断电分闸过程如下：在控制台上按下“变压器分”（SB16），KT11接触器线圈失电，辅助触头KT11.1分开，KM11线圈失电，KM11分开，分开的辅助常闭触头KM11.4闭合，分闸信号灯亮。按下主电路分（SB18），分闸线圈F得电，储能装置动作分开断路器，同时断路器的常开触头QF11.2闭合，分闸信号灯亮。至此，断电分闸操作完成。2、 控制台图2.7为制成的控制台，图2.7 控制台2.3 保护电路设计1、 控制电路上的安全保护如图2.6中所示，为在紧急状态下停机断电，在控制台上设置紧急停机按钮开关。同时将这个紧急停机按钮与接线柜、输入输出柜、整流柜三台屏柜的门上设置的门联锁串入整个控制电路的电源输入端。这样在紧急停机按钮按下，或者任何一个柜门打开后没有关闭的情况下，控制电路没有得电，则不能进行任何合闸上电操作，即使合上的接触器、断路器也会因为失去控制电，而保护分闸。从而达到保护目的，和防止误操作对人员和设备造成的伤害。电路如图2.8所示：图2.8 控制电路保护2、 软启动电路由于电源前级的变压器为Y形，在本案中选用的变压器为DY1形，为了减小KM11合闸瞬间，也就是在星接转角接的过程中，电压突然升高3倍，对变压器的冲击，串入电阻能很好地起到缓冲作用，限制了冲击电流加在整流变压器上的电压，减小启动电流。这个电阻其阻值很小，几欧到十几欧。电阻接通的时间很短，最长只有1s。同时在合闸完毕，将电压恢复到额定值，设置降压启动电路，如图2.9所示，图2.10为控制KM14的延时开关，图2.11为启动电阻R1、R2、R3。图2.9 软启动电路图2.10延时开关图2.11启动电阻3、 二极管的过压保护当元件承受的反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间很短，也会造成元件反向击穿而损坏。如果正向电压超过晶闸管的正向转折电压 也会引起晶闸管硬开通 它不仅使电路工作失常 且多次硬开通后会造成元件正向转折电压降低 甚至失去正向阻断能力而损坏因此 必须采取过电压保护措施以抑制晶闸管上可能出现的过电压。模块的过电压保护，一般采用阻容吸收和压敏电阻吸收 2 种方式并用的保护措施。（1）、阻容吸收回路晶闸管从导通到阻断时和开关电路一样，因线路电感，主要是变压器漏感LB释放能量会产生过电压。由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元件在关断过程电压及电流采样系统设计中 正向电压下降到零时 内部仍残存着载流子这些积蓄的载流子在反向电压作用下瞬时会出现较大的反向电流使积蓄载流子迅速消失这时反向电流消失极快即di/dt极大，因此即使和元件相串连的线路电感值很小，但其产生的感应电势di/dt值仍会很大，电势与电源电压串联后反向加在已恢复阻断的元件上，就有可能导致晶闸管反向击穿，这种由于晶闸管关断所引起的过电压，称之为关断过电压，其数值可达到工作电压峰值的5到6倍，所以必须采取抑制措施。阻容吸收回路中的电容器可将过电压的电磁能量转换成静电能量存贮，其电阻可防止电容与电感产生谐振，并限制晶闸管开通损耗与电流上升率。吸收回路能抑制晶闸管由导通到截止时所产生的过电压，有效地避免晶闸管被击穿。阻容吸收回路的安装位置要尽量靠近模块主端子 即引线要尽可能短 最好采用无感电阻 以取得较好的保护效果。如图2.12中，与二极管VT11、VT13、VT15、VT14、VT16、VT12并联的RC即为阻容吸收回路，是为选购的二极管模块上自带的。图2.12整流桥保护及滤波电路（2）、压敏电阻压敏电阻在正常情况下处于关断状态，其漏电流50uA,对电路的正常工作无影响，一旦压敏电阻两端出行瞬间高压，其阻值会急剧下降，流过其中的电流突然猛增，使其两端电压急速下降，使被保护的设备免受过电压冲击而损坏，当瞬间高压消除，压敏电阻又恢复高阻抗状态，电路恢复正常2。电阻虽然能吸收很大的浪涌电流，但却不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时应注意。操作过电压是电路工作状态突然变化时，电磁能量急剧转化，快速释放时产生的一种过电压。在本项目中，在隔离开关QF11闭合，KM11闭合后，电源电压级3 AC 380即经过整流变压器TM1加到整流桥上，在此瞬间所产生的过电压就有可能会损伤整流桥。为防止输入整流桥的三相交流电压的操作过电压，在整流桥前端并联一个三角形接法的压敏电阻；即图2.10中的R11、R12、R13。在图2.10中整流桥的后端，正负极之间并联了一个压敏电阻R14,。它的作用是稳压的作用。当输入电压的大小发生变化时，由于压敏电阻伏安特性的非线性，从而负载中流过的电流变化很小，所以输出电压的变化率小于输入电压的变化率，该电路起到了稳压的作用。4、 过流保护过流保护是通过在主回路中设置熔断器进行短路保护和过载保护，它是利用低熔点的金属丝（片）（也称为熔件）的熔化而切断电路的。其结构简单，造价低，且容易维护。本项目中在整流桥前端的三相中，和在整流桥后端直流正输出端分别布置安装了规格不同的熔断器。而设置在三相交流电路上的熔断器其作用除了过流保护外，还有在某个整流二极管发生故障的时候，当整流器件发生向击 故障时,快速熔断器快速分断故障支路的短路电流,保护整流器免受故障短路电流的危害,起到防止事故扩大的作用。熔断器按是否限流可分为限流式和非限流式，在本项目中，选择的是限流式熔断器。所谓限流式熔断器是熔断器的瓷管中充满石英砂，当短路电流使熔丝熔断而产生电弧，由于石英砂颗粒间狭沟的限制，使弧柱直径变小，加上石英砂的冷却作用，在电流未到稳定值以前就将电弧熄灭，起到限流的作用。熔断器的主要参数和特性有以下几点：（1）额定电压：是指熔断器分断后长期承受的电压，一般等于或大于设备或线路的额定电压。（2）额定电流：分熔断器和熔体的额定电流，是指长期通过的电流。一般为设备额定电流的1.53倍左右。（3）额定开断能力：是指在故障条件下可靠地开断过载或短路电流的能力。一般用开断电流或开断容量表示。（4）绝缘水平：一般用工频耐压和雷电冲击耐压来表示。（5）安秒特性：是指熔断器动作时间与通过熔断器电流的关系，它由制造厂提供。这对保证熔断器的选择性是十分必要的，否则将会发生越级跳闸等误动作的恶劣后果。熔断器是的选择要求如下：（1）熔断器选择的环境条件。环境条件是指环境温度、最大风速（对户外使用的熔断器有要求）、污秽情况（对户外使用的熔断器有要求）、海拔、地震烈度等，上述要求可参照户外开关设备的要求而定。（2）熔断器选择的技术条件。技术条件包括正常工作条件（电压、电流）和保护特性（最大开断电流、最小开断电流，熔断特性等）两部分。(1）按正常工作条件选择额定电压和电流。Un = UeIn = Inr = Ie式中：Un - 制造厂保证的最高工作电压，kV；Ue - 电路的工作电压，kV；In - 熔断器的额定电流，A；Inr - 熔件（体）的额定电流，A；Ie - 电网的持续工作电流，A。而Inr的选择包括下述两种方式：a.为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路电流以及电动机自起动的冲击电流时的误动作，保护35kV及以下电力变压器的中压熔断器，其熔体的额定电流可按下式选择。Inr = kI1max式中k - 可靠系数，不计电动机自起动时，取1.11.3，考虑电动机自起动时，取1.52.0；I1max - 电力变压器回路的最大工作电流。b.用于保护电力电容器的熔体，当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大或运行过程中产生涌流时，不应误熔断，其熔体的额定电流可按下式选择。Inr = kInc式中K - 可靠系数（对限流式中压熔断器，当一台电力电容时，k=1.52.0，当一组电力电容器时，k=1.31.8；Inc - 电力电容器回路的额定电流。(2）按保护特性来选择参数。a.熔断器的额定开断电流。对限流式熔断器Idn = I”式中Idn - 熔断器的额定断流量，kA；I” - 短路电流的次暂态电流。对无限流作用的熔断器Idn = Ish式中Idn - 熔断器的额定断流量，kA；Ish短路电流的冲击电流的有效值。b.保护电压互感器的熔断器，只需按额定电压和额定开断电流选择，不必选择额定电流。c.当中压熔断器的开断能力不能满足被保护回路要求时，可在熔断器回路中装设限流电阻以限制短路电流，但保护防雷用的电容器除外。d.熔体的额定电流应按中压熔断器的保护熔断特性进行选择，并满足保护的可靠性、选择性和灵敏度的要求。在选择时，应保证前后两级熔断器间，熔断器和电源侧及负荷侧继电保护间动作的选择性。在本段保护范围由发生短路故障时，应在最短时间内切断故障。当电网接有其他接地保护时，回路中最大接地电流和负荷电流之和不应超过最小熔断电流。此外，在选择熔断器时对熔件电流的选择应在满足下列条件：(1）保护中压线路的熔断器熔件电流应大于线路的计算电流（一般为1.11.3倍）。(2）保护电力变压器的熔断器熔件电流一般取一次侧额定电流的1.52.0倍（考虑过负荷，空载合闸电流等）。(3）保护电压互感器的熔断器熔件电流一般取0.5A。(4）所选择的熔件电流应保证电路中前后保护的动作时间的配合。在本项目中整流桥前端影响熔断器FU11、FU12、FU13选择的相关参数如下：Ue=1160VIe=428A根据Un = Ue，选定Un为1500VIn = Inr = Ie，又由Inr = kI1max，取k为1.3，则Inr=1.3*428A=556A，选定In=600A。对于三相整流桥后的正极上的熔断器FU14相关参数如下：Ue=1500VIe=570A根据Un = Ue，选定Un为2000VIn = Inr = Ie由又由Inr = kI1max，取k为1.3，则Inr=1.3*570A=741A，选定In=800A。2.4 数据采集系统1、 电流传感器现有直流大电流测量设备可以分为以分流器为代表的直接接触测量类，和以霍尔元件进行测量的霍尔元件电流传感器两类，下面就几种常见的传感器说明如下：一类是以测量被测电路中电阻数值已知的电阻器上电压降为基础的测量设备。包括分流器、隔离放大器式电流传感器两种。分流器原理如图2.13所示：图2.13 分流器原理示意图这类测量设备与被测电路有电的联系，采用由锰铜合金制成的低欧姆电阻四端电阻，在其两端焊接两个大的铜接头组成分流器，一般分流器都是经过校正的、可以相互替换的，其额定电压降应为60mV或75mV。使用时，其电路输入端接入被测电流，通过毫伏表测量分流器两端的压降，由于电阻已知，通过欧姆定律即可计算出流过的电流值。采用分流器测量电流的方法，具有电路结构简单、可靠，不受外磁场的影响。但是也具有损耗大，不可隔离的缺点，这种方式一般适用于6kA以下的电路中。另一种与分流器配合使用的电流传器，由于测量端与电路输入端进行了隔离，称为隔离放大器式电流传感器，其原理如图2.14：图2.14 隔离放大器式电流传感器传感器测量的原边电流经分流器输出毫伏电压信号，该信号在传感器内部经高精度的光电隔离元件送到副边放大电路后输出测量电压信号；亦可经电压电流转换电路输出测量电流信号IS。另一类是利用被测电流所产生的磁场为基础的霍尔元件式测量设备。包括磁平衡式霍尔电流传感器，直放式霍尔电流传感器，及直测式霍尔电流传感器。磁平衡式霍尔电流传感器工作原理如图2.15：图2.15 磁平衡式霍尔电流传感器工作原理如其工作原理是原边电流IP产生的磁通量，与霍尔电压经过放大产生的副边电流IS，通过副边线圈所产生的磁通量相平衡，副边电流IS精确地反映原边电流。磁平衡式电流传感器具有精度高，线性度好，温度漂移低，响应速度快，频带范围宽，抗外界干扰能力强，电流过载能力大的特点。直测式电流传感器如图2.16：图2.16 直测式电流传感器如原边电流IP产生的磁通量聚集在磁路中,并由霍尔元件检测霍尔电压信号,经过放大器放大,该信号精确地反映原边电流。2、 电压传感器电压传感器同电流传感器分为直接接触式和霍尔元件式及磁调制式电压传感器三种。直接接触式如高阻隔离式电压传感器，其原理如图2.17所示：图2.17 高阻隔离式电压传感器该系列电压传感器所测量的原边电压经原边电阻值电阻分压，其产生的低压信号到副边放大电路后输出测量电压信号Vs。介绍的最后一种直接接触电压传感器：隔离放大器式电压传感器，其原理如图2.18图2.18隔离放大器式电压传感器该系列电压传感器所测量的原边电压经过原边高阻值电阻分压，其产生的低压信号采用高精度的光电隔离元件传送到副边放大电路后输出测量电压信号；亦可经电压电流转换电路输出测量电流信号IS。另一种霍尔元件式的电压传感器有：磁平衡式霍尔电压传感器如图2.19图2.19 磁平衡式霍尔电压传感器原边电流VP通过原边电阻转换为原边电流IP,IP产生的磁通量与霍尔电压经过放大产生的副边电流IS通过副边线圈的磁通量相平衡.副边电流IS精确地反映原边电压。最后一种电压传感器，磁调制式电压传感器，如图2.20图2.20 磁调制式电压传感器磁调制式电压传感器未使用霍尔元件。它采用两组相同的磁路和副边线圈，其工作原理为由内部方波振荡电路产生的补偿电流对安匝数补偿，以达到磁场平衡。在这三种电压传感器中，霍尔元件是一种新型的高性能电气检测元件,由于它能够隔离主回路和电子控制回路,同时综合了互感器和分流器的优点,又克服了互感器只适合于工频测量的缺点.并且具有精度高、线性好、频带宽、过载能力强和不损坏被测电路等诸多优势,被广泛应用于电力、电子行业3本系统中所采用的传感器型号见表2.1：表2.1电压电流传感器型号列表表名输入电压UV12输入电流UA12变压器输出电压UV13变压器输出电流UA13直流输出电压UV14直流输出电流UA14交/直ACACACACDCDC最大值380V653A1160V428A1500V267A选用型号LEM AV100-1000LEM LF1005-SLEM AV100-2000NT508-SLEM AV100-2000LEM LF505-S变比1000V/50mA1000A/200mA2000V/50mA500A/100mA2000V/50mA500A/100mA图2.21 AV100系列外形图图2.22 LEM LF系列外形图图2.23 NT508-S外形图根据前面所述，霍尔式电压、电流传感器，需要外部提供12V至24V的直流电源，因此本项目中，选用了一个P1型号为4NIC-Q120的朝阳开关电源。各传感器电源接线图如2.24所示图2.24传感器电源接线在本系统中电压、电流的采样均是通过霍尔元件来实现,由于霍尔元件的输出均是电流量 ,而用于显示的表头，输入只能接受电压值,因此在霍尔元件的输出M端通过电阻、电容组成的滤波器 ,将电流量转变为电压量,进而输入到显示表进行处理。数据显示采用昌辉的SWP系列数字显示控制仪，如图2.3控制台所示，图片上部的显示表即为所选表头。由于表头输入的直流信号范围有限，所以必须根据安倍定律进行变换，将电流信号转换成电压信号：U = I*R， 也就是在表头输入端并联一个电阻，将电流值转换成在表头测量范围内的电压值，该电阻叫采样电阻。SWP系列数字显示控制仪具有以下特点：（1）.全电脑数字自动调校，拥有测量值零点迁移，冷端补偿值零点迁移，变送输出值零点迁移，测量值增益放大，冷端补偿增益放大，变送输出值增益放大的功能；AC 220V接地87654321161514131211109GNDTXDRXDRS -2321415TC热电偶输入1215V电压输入1115mA电压输入（2）.全开放内部参数设定，输入信号类型设定，测量值零点与量程范围设定，报警方式设定，输出方式设定；图2.25 SWP-C40系列端子接线图（3）.多种分度号输入选择，可以输入热电偶、热电阻，输入最大20mA信号电流，5V信号电流；（4）.方便的网络通讯功能，支持多机网络通讯，通讯协议可任意自由设定；（5）.清晰LED显示，灵活的供电方式。其接线图如图2.25所示：2.5 直流滤波稳压电路1、 直流滤波稳压电路概述其原理图示如图2.26：图2.26直流滤波稳压电路前文已经讲述压敏电阻R14除了具有抑制过压的作用外，还具有稳压的作用。在本项目中，为了保持电压的稳定，还加入了RC滤波，及假负载。由于网侧电感的存在, 电流不会突变。换相时, 整流过程分为2 种情况。 (为叙述方便假定整流过程是从D1、D6 管导通开始)(1) 网侧电流断续。即当电压从u、v相换至u、w相时,电流已经过零,D1、D6管已截止。换相后,D1、D2 管导通,u、w相电压对电容充电。(2) 网侧电流连续。即当电压从u、v相换至u、w相时,电流还未过零,这时D1、 D6管仍未截止而D2 管也已导通,v相电流逐渐下降,w相电流从零开始逐渐上升, 电流从D6 管换至D2管。直到v相电流过零,u相电流与w相电流相等, 换流过程结束,D6 管截止,D1、D2管保持导通。u、w相电压对电容充电。对电流断续时的情况, 文献45作了详细分析。当负载较小,只有在滤波电容较小的条件下,电流才会连续, 而这时整流电压脉动比较大,一般在实际应用中不会出现这种电路。但是当负载较大时,由于网侧阻抗的存在, 电流一般是连续的。随着网侧电感的变化,整流电压脉动和平均值都有较明显的变化。网侧电感越大,整流电压脉动越小,整流效果越好。但是由于电感压降增大,整流电压平均值相应减小, 整流效果是以牺牲输出电压幅值为代价的。而在直流输出侧上的C11，其作用是减少开关器件高频开关动作在输出直流电压中造成的纹波，同时当负载发生变化时，在整流电路的惯性延时期间，将输出直流电压的波动维持在限定范围内6。滤波电容变化时,整流电压脉动变化较明显,且随滤波电容的增大而减小, 而整流电压平均值基本不变。 增大滤波电容可明显改善整流电压波形, 且对电压平均值影响不大。滤波电容不是越大越好,因为当电容增大到一定值时,不但对改善电压波形作用不大,也不经济7，负载变化时, 整流电压平均值和电压脉动都随之改变。 随着负载的增大, 整流电压平均值也增大, 而电压脉动随之减小。2、 假负载。假负载是为变压器提供负载电流，使输出电流不小于二极管的擎住电流.3、 直流电压与负载电阻关系整流输出直流电压与负载电阻的关系为：空载时，整流输出直流电压的波形近似为直线；随着负载增大，输出直流电压的纹波越来越严重；并且随着负载增大，电压的平均值越来越小。4、 电阻的选择在本项目中，按照一般选择原则，选取电阻值为2k，选用电阻功率为2kW，考虑到单个电阻长时间工作，发热量很大，影响使用寿命，故采用4个电阻R15、R16、R17、R18进行两串两并的方法，以减小单个电阻的发热量。5、 电容的选择应选用大电容用来滤除交流成分，稳定直流电源输出，众所周知电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑，（1）、容量选择：大电容,负载越重，吸收电流的能力越强，这个大电容的容量就要越大。理论上说电源滤波用电容越大越好，一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。 （2）电压大于1500V；C的大小由公式RC（3-5）*T/2=（3-5）0.1s，本项目中前面选取的假负载为2k，所以可得出C0.00025F，即C的值应大于250。 根据实际电力电容产品的参数，最终选取电容参数为1900V，500F。6、 LC滤波在直流输出侧采用接入电抗器也是一种简单和常用的一种提高功率因数、抑制谐波的方法。目前采用电抗器改善整流器输入谐波及功率因数进行计算机仿真分析，得出了一些有价值的数据和图表810。文献11提出了采用整流器开关函数、基于频域的分析方法，对同时含有直流侧及交流侧滤波元件的情况得到了很好的求解公式，但公式十分复杂，难以实用。由于整流电路的直流侧货交流侧接入电抗器均可以起到改善整流器输入谐波及功率因数的作用，而在直流侧接入电抗器效果更为明显。文献12对直流侧采用LC滤波的三相桥式不可控整流电路网侧特性与滤波器参数的关系进行了分析。在一定程度近似的基础上获得了各项输入指标与滤波参数的计算公式，并通过仿真和实验进行了验证。2.6 QF11断路器整定QF11断路器经过整定后，才能保证断路器躲过线路正常电流，当发生故障电流时分断断路器以保护线路或负载，避免断路器误动作。同时实现整个系统中上下级断路器间的选择性配合 目前断路器一般选择智能式万能断路器，因此需调整断路器脱扣器上动作电流值、动作时间值 整定值的调整原则按照：1、 保证可靠保护： （1）低压断路器过流脱扣器额定电流的选择，断路器过流脱扣器的额定电流不小于线路的计算电流Id=653A。（2）瞬时过电流脱扣器动作电流的整定。断路器所保护的对象中，有某些电器设备，这些电器设备在启动过程中，会在短时间内产生数倍于其额定电流的高峰值电流，从而使断路器在短时间内承受较大的尖峰电流。瞬时过电流脱扣器的动作电流Iop_o，必须躲过线路的尖峰电流Ipk，即Iop_oKrelIpk，式中Krel为可靠系数。在选用断路器时，应注意使断路器的瞬时过电流脱扣器的整定电流躲过尖峰电流，以免引起低压断路器的误动作； （3）短延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。短延时过流脱扣器的动作电流Iop_s ，也应躲过线路的尖峰电流Ipk，即Iop_s KrelIpk，式中Krel为可靠系数,一般取1.2。短延时过流脱扣器的动作时间一般分0.2S、0.4S和0.6S三种，按前后保护装置的保护选择性来确定，应使前一级保护的动作时间比后一级保护的动作时间长一个时间级差； （4）长延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。长延时过流脱扣器主要是用来保护过负荷，因此其动作电流Iop_l 只需要躲过线路的最大负荷电流即计算电流I，即Iop_l Krel.I，式中Krel为可靠系数,取经验值1.2。长延时过流脱扣器的动作时间应躲过允许短时过负荷的持续时间，以免引起低压断路器的误动作。（5）过流脱扣器的动作电流与被保护线路的配合要求。为了不致线路因出现过负荷或短路引起绝缘线缆过热受损甚至失火，而其低压断路器不跳闸事故的发生，低压断路器过流脱扣器的动作电流Iop应符合公式的要求，IopKol.Ial，式中Ial绝缘线缆的允许载流量；Kol绝缘线缆的允许短时过负荷系数，对瞬时和短延时过流脱扣器，一般取4.5；对长延时过流脱扣器，做短路保护时取1.1，只做过负荷保护时取1。2、 保证选择性遵循以下原则（1）无论下一级是选择性断路器还是非选择性断路器，上一级断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流一般不得小于下一级断路器出线端的最大三相短路电流的1.1倍；（2）如果下一级是非选择性断路器，为防止在下一级断路器所保护回路发生短路电流时，因这一级瞬时动作灵敏度不够，而使上一级短延时过电流脱扣器首先动作，使其失去选择性。一般上一级断路器的短延时过电流脱扣器的整定电流不小于下一级瞬时过电流脱扣器的1.2倍；（3）如果下一级也是选择性断路器，为保证选择性，上一级断路器的短延时动作时间至少比下一级断路器的短延时动作时间长0.1S。（4）一般来说，要保证上下两级低压断路器之间选择性动作，上一级断路器宜选择带短延时的过流脱扣器，而且其动作电流要大于下一级过流脱扣器动作电流一级以上，至少上一级的动作电流Iop.1不小于下一级动作电流Iop.2的1.2倍，即Iop.11.2Iop.2。第三章 主要部件选择3.1 整流变压器的选择一般情况下，尽管整流电路输入电压为正弦波，但工作是其输入电流会发生畸变，成为非正弦波，从而产生谐波13,整流变压器的主要作用是向整流桥提供适当的交流电压，同时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，减小因整流系统造成的波形畸变对电网的污染。实践证明,整直后电压波形的平稳度、整流效率与整流变压器低压侧的相数成正比, 谐波电流的大小与整流变压器低压侧的相数成反比14。1、 整流变压器绕组联结组别的选择三相桥式整流变压器一、二次绕组的联结组别有四种组合方案。图3-1、图3-2、图3-3、图3-4。 图3.1 图3.2 图3.3 图3.4图3-1的联结组别为“Y,y”。该联结的特点是二次绕组中无偶次、三次及三的倍数次谐波，但存在基波和其他高次谐波，如5，7，11等次谐波。对一次绕组为Y联结的方案，该绕组的联结仅对基波及其他高次谐波电流形成自由通路，但对三次谐波及三的倍数次谐波电流却不能流通，这恰是该联结组的最大缺陷。该缺陷的存在，势必造成激磁绕组漏磁通的增加（附加损耗的增大）而影响到变压器结构件、外壳及框架的发热，并可导致变压器局部温升过高等现象，甚至对近距离弱电控制系统及电子元器件产生不良影响和干扰。尽管在“YN，y”结线组的绕组中（中性点接地）对三次谐波等其他高次谐波电流的通路有所改善，但在出现单相短路时，将产生稳态的工频过电压，这对变压器的绝缘系统及整流功率元件都将产生不利。（2）图3-2,3-3,3-4所示变压器绕组的连接组分别为“D，y”、“Y，d”、“D，d”。该三种变压器联结组除具有上述所涉及到的优点之外，其最大的特点就是D或d绕组的封闭联结为三次谐波及其他高次谐波电流分量提供了有效的通径，不存在因“Y，y”联结组时所带来的由三次谐波等高次谐波电流产生的激磁漏磁通和感应电动势的不良影响。在常见的中小型三相桥式整流变压器中，应用广泛的联结组即为“D，Y”、“Y，d”、“D，d”。2、 整流变压器的选用/Y方式由上可知整流变压器的原边采用D联结，这是因为D联结对抑制高次谐波有很大作用。这是因为：（1） 在D联结绕组中的三次谐波环流能够在变压器中三次谐波磁动势，它与低压绕组的三次谐波磁动势平衡抵消；（2） 原边绕组的三次谐波电动势在D联结回路中环流，三次谐波电流可在D联结的一次绕组内形成环流，使之不致注入公共的高压电网中去。而副边采用Y联结，高次谐波电流从二极管整流装置到变压器二次绕组内，由于绕组Y接线，高次谐波电流无回路可通，所以自然被抑制，但它的被抑制将导致变压器铁芯内出现对应的3的倍数高次谐波磁通，这些高次谐波磁通（三相磁通相位一致）将使变压器一次绕组各相内产生3的倍数高次谐波电动势，从而产生3的倍数高次谐波电流，因为这些高次谐波电流相位一致，只能在形绕组内环流，将能量消耗在电阻中，故一次绕组端子上不出现3的倍数谐波电流15。整流变压器结构的显著特点是多脉波供电和大范围调压。为了满足负载对直流电压平直度的要求和交流电网侧对谐波电流等的要求, 整流装置应采用多相供电和各相轮流导通的电路。整流变压器低压侧的脉波数要多, 一般为 6 脉波、 12 脉波、 24 脉波、 48脉波和 72 脉波甚至更多。因此, 整流变压器要采用一定的移相方式, 才能获得多脉波供电电路。而要实现大范围调压, 必须在整流变压器(即主变)前增设具有一定调压方式的串联调压变压器(即串变或调压)。在本设计中，根据用户要求，只需一个整流桥，故将整流变压器两个输出绕组进行串并联后接至一个整流桥。3、 整流变压器相关参数确定已知条件：直流电压Ud=1500V,直流电流Id=267A一次绕组相电压U1=220V（1） 三相整流变压器容量的确定变压器一、二次绕组的容量及变压器的等值容量S均为：（2） 二次绕组交流相电压U2（3） 二次绕组交流相电流I2（4）二次绕组相电压与直流电压的换算（5）一次绕组交流相电流I1式中：U1一次绕组相电压。值得提及的是（2）中所得出的相电压仅是理论上的视在计算值，在实际负载运行中由于电压降的存在，故该电压还应在视在计算值的基础上增加相桥臂上整流元件的压降，负载线路的损耗及连接压降，变压器本身的阻抗压降等。同时还要考虑到网侧电压的波动因素，为满足负载条件下额定直流电压的输出，可在变压器一次绕组中增加无激磁5%的调压分接。最终选择整流变压器参数如表3-1所示。4、 主变压器确定表3.1 ZSG-430/0.38变压器技术参数型号额定容量kVA额定输入电压V额定输入电流A串联输出电压V串联输出电流A并联输出电压V并联输出电流A短路阻抗%变压器连接组ZSG-430/0.3843038065358042811602145注：表中交流侧电压为线电压。5、 变压器的结构采用干式变压器结构为了确保供电安全，迫切需要即可深入负荷中心又无燃烧危险的变压器，而当今，随着社会进步，干式变压器得到了广泛的应用，根据国家标准干式变压器定义，所谓干式变压器，就是指铁心和绕组不浸入液体中的变压器。干式变压器具有如下特点：（1） 占地面积小，不必单独建设变压器室，可以和整流柜、输入输出柜共处一室。（2） 运行可靠、维护量小。（3） 具有耐热、防尘、耐潮的特点，对系统经济运行节电起到了一定作用。（4） 损耗小、噪声小。（5） 绝缘性好，局部放电量小，耐雷电冲击力强。（6） 机械强度高,抗温度变化，抗短路能力强。（7） 寿命期后，容易回收，对环境环境污染小最终的整流变压器外形图示如下：图3.5整流变压器3.2 三相整流桥三相整流桥分为三相全波整流桥（全桥）和三相半波整流桥（半桥）两种。选择整流桥要考虑整流电路和工作电压。对输出电压要求高的整流电路需要装电容器，对输出电压要求不高的整流电路的电容器可装可不装。全桥是将连接好的桥式整流电路的6个整流二极管（和一个电容器）封装在一起，组成一个桥式、全波整流电路1. 整流桥概述图3.6三相全波整流桥的电路图如图3.6所示，三相桥式整流电路由6个二极管接成三相桥，其中三个二极管共阴极连接，另三个二极管共阳极连接。电路中必须有一个共阳极组中的二极管导通和一个共阴极组中的二极管导通才能形成电流通路。并由于两个导通的二极管属于不同的两相，所以负载电压由电源线电压组成。二极管的导通顺序为VT11VT12VT13VT14VT15VT16。桥式电路也存在着“自然换相点”，为线电压的交点。图3.7是三相全波整流电压波形图和三相交流电压波形图的对比。 在输出波形图中，N相平直虚线是整流滤波后的平均输出电压值。虚线以下和各正弦波的交点以上（细虚线以上）的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。 图3.7三相全波整流电压波形图和三相交流电压波形图2. 二极管的选型二极管在三相桥式整流过程中承受的峰值电压，是交流侧相电压的倍，同时还要考虑一定的裕量。，选用整流二极管时，主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。（1）最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件。项目中最大直流电流500A。 （2）最高反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流(IR)剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。项目中最大反相电压为2000V。 （3）最大反向电流IR：它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。 （4）击穿电压VR：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压值。 （5）最高工作频率fm：它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定，若工作频率超过fm，则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。（6）反向恢复时间tre：指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。 （7）零偏压电容CO：指二极管两端电压为零时，扩散电容及结电容的容量之和。值得注意的是，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管其参数的离散性也很大。综合以上各项选用原则，本项目中的二极管采用南车时代电气生产的ZP91000-65，及其配套阻容吸收回路ZS145-20和配套散热器。其外形如图3.8所示：图3.8 ZP91000-65外形图主要参数见表3.2：表3.2 ZP91000-65主要参数该型二极管主要应用在牵引传动、电机驱动和工业变流器领域，采用平板压装，双面冷却，具有大功率大容量、低损耗的特点。3. 整流桥的散热整流桥由于功率大，发热量也大，