電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄 摘要11 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求21.1設(shè)計(jì)任務(wù)21.2 設(shè)計(jì)要求指標(biāo)22 三相橋式半控整流電路主電路設(shè)計(jì)32.1主電路設(shè)計(jì)42.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)62.3整流變壓器的設(shè)計(jì)72.4 平波電抗器的參數(shù)及選擇102.5晶閘管電路參數(shù)分析122.5.1 晶閘管電壓定額的確定122.5.2 晶閘管電流定額的確定132.6晶閘管過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)132.6.1 晶閘管過(guò)電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)132.6.2晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)15結(jié)束語(yǔ)16參考文獻(xiàn)17附錄18電路設(shè)計(jì)圖18摘要整流電路是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。不僅應(yīng)用于一般工業(yè)領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領(lǐng)域。整流電路可從各種角度進(jìn)行分類，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控，半控，全控三種；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路等。實(shí)際上，為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，只需一個(gè)晶閘管就可以了，另一個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。對(duì)三相橋式半控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析與研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，這不僅是電力電子電路理論學(xué)習(xí)的重要一環(huán)。三相橋式整流電路里，在任何瞬間，只要控制晶閘管的導(dǎo)通，相串聯(lián)的另一個(gè)器件是一個(gè)不可控二極管，所以稱為半控整流電路。關(guān)鍵詞：整流電路 三相 橋式 半控三相橋式半控整流電路1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一三相橋式半控整流電路，直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下：允許過(guò)載倍數(shù)；電樞回路總電阻：1.2 設(shè)計(jì)要求指標(biāo)1.方案設(shè)計(jì)2.完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇3.觸發(fā)電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.繪制主電路及觸發(fā)電路（采用分立元件）電氣原理圖5.撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2 三相橋式半控整流電路主電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以畫(huà)出系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖晶閘管可控整流裝置帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣上稱為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。這里用到的控制電路為三相橋式半控。整流電路直流電壓的平衡方程為： (式2.1)式中，為電路總的阻抗，它包括變壓器等效電阻、電樞電阻以及重疊角引起的阻抗。由于電流斷續(xù)對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載是很不利的，因此需要串聯(lián)一平波電抗器來(lái)保證電流連續(xù)。當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電流的關(guān)系如下式所示。 (式2.2)由于三相半控橋式整流電路中， (式2.3)所以 (式2.4)式中，為晶閘管正向壓降，一般為1V左右； 為電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比； 為電路總的阻抗；根據(jù)題目所給的數(shù)據(jù)我們可以求得： (式2.5)2.1主電路設(shè)計(jì)三相橋式半控整流電路由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽(yáng)極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成，因此，這種電路兼有可控和不可控的特性。共陽(yáng)極組3個(gè)整流二極管總是在自然換相點(diǎn)換流，使電流換到比陰極電位更低的一相；而共陰極組3個(gè)晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽(yáng)極電位高的一個(gè)。輸出整流電壓Ud的波形是三組整流電壓波形之和，改變共陰極組晶閘管的控制角理，可獲得02.34U2(變壓器二次側(cè)電壓)的直流電壓。圖2-2中VT1、VT3和VT5為觸發(fā)脈沖相位互差120o的晶閘管，VD2、VD4和VD6為整流二極管，由這6個(gè)管子組成三相橋式半控整流電路。它們的導(dǎo)通順序依次為：VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6。假定負(fù)載電感L足夠大，可以認(rèn)為負(fù)載電流在整個(gè)穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程中保持恒值，因此不論控制角為何值，負(fù)載電流如總是單向流動(dòng)，而且變化很小。一個(gè)周期中參與導(dǎo)通的管子及輸出整流電壓的情況如下:表2-1導(dǎo)通的晶閘管及整流輸出電壓時(shí)段共陰極組導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組導(dǎo)通的晶閘管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流輸出電壓Udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb以下分析帶電阻負(fù)載的情況：晶閘管觸發(fā)角時(shí)，對(duì)于共陰極組所接的3個(gè)晶閘管，陽(yáng)極所接交流電壓最高的1個(gè)導(dǎo)通；同理，對(duì)于共陽(yáng)極組陰極所接交流電壓最低的1個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中總是各有1個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載電壓為某個(gè)線電壓。圖2-2中各個(gè)管子均在自然換相點(diǎn)處換相，從輸入電壓與負(fù)載線電壓的對(duì)照來(lái)看，自然換相點(diǎn)既是各線電壓的交點(diǎn)，又是各相電壓的交點(diǎn)。從線電壓波形可以看出由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的是最大的相電壓，而共陽(yáng)極組中對(duì)應(yīng)的是最小的相電壓，所以輸出電壓對(duì)應(yīng)為2個(gè)相電壓相減，是線電壓中最大的1個(gè)，因此，輸出直流電壓波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。只要共陰極組中有晶閘管導(dǎo)通，共陽(yáng)極組中就會(huì)有二極管續(xù)流。當(dāng)時(shí)，波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，波形與波形形狀一樣也是連續(xù)的，時(shí)，波形每中有一段為零，但波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路角的移相范圍是。 圖2-2 三相半控整流電路原理圖根據(jù)上述分析，可求出輸出負(fù)載電壓平均值為：時(shí) (式2.1.1)角的移相范圍為。輸出電流的平均值為 (式2.1.2)時(shí)， (式2.1.3)角的移相范圍為。輸出電流的平均值為 (式2.1.4)2.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管開(kāi)關(guān)可靠導(dǎo)通（門(mén)極電流應(yīng)大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，不超過(guò)門(mén)極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。晶閘管可控整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。我們將實(shí)現(xiàn)對(duì)相控電路相位控制的電路總稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多?？煽啃愿?，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。這里設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路采用鋸齒波同步觸發(fā)電路，這種電路輸出為雙窄脈沖（也可輸出單窄脈沖），它適用于對(duì)觸發(fā)電路要求較高的晶閘管整流電路，比如全控橋式整流電路。鋸齒波同步觸發(fā)電路如圖2-3所示。鋸齒波電路脈沖形成過(guò)程如下：脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管組成，起脈沖放大作用?？刂齐妷杭釉诨鶚O上，電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在集電極電路上。當(dāng)控制電壓時(shí)，管截止。電源通過(guò)供給一個(gè)足夠大的基極電流，使飽和導(dǎo)通，所以的集電極電壓接近于。處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)脈沖輸出。另外，電源的經(jīng)、發(fā)射結(jié)到，對(duì)電容充電，充滿后電容兩端電壓接近，極性如圖2-3所示。當(dāng)控制電壓時(shí)，管導(dǎo)通，A點(diǎn)電位由迅速降低至1.0V左右，由于電容兩端電壓不能突變，所以的基極電壓迅速降至約，由于發(fā)射結(jié)反偏置，立即截止。它的集電極電壓由迅速上升到+3.1V（三個(gè)PN結(jié)正向壓降之和），于是導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。同時(shí)，電容經(jīng)電源放電和反向充電，使基極電位又逐漸上升，直到，又重新導(dǎo)通。這時(shí)又立即降到，使截止，輸出脈沖終止?？梢?jiàn)，脈沖前沿由導(dǎo)通時(shí)刻確定，或截止持續(xù)時(shí)間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)有關(guān)。圖2-3 晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路波形如圖2-4所示。圖2-4 晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路波形2.3整流變壓器的設(shè)計(jì)由所學(xué)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)所知，很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流電電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時(shí)，為了減小電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，限止高次攜波電流流入電網(wǎng)，還要使整流器主電路與電網(wǎng)隔離，所以需要配置合適的整流變壓器。整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算，主要根據(jù)主電路的形式，負(fù)載的大小，輸出直流電壓和負(fù)載電流，求出整流變壓器的二次繞組相電壓、二次繞組電流和容量，然后求出一次側(cè)電流和容量。理論中的整流電路中的整流器件均為假定的理想元件，如果要求高精度的整流裝置，則要比較精確地計(jì)算二次相電壓，此時(shí)必須考慮元件的管壓降、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、變壓器的漏抗電壓以及最小控制角等方面的因素?？紤]了以上因素后，變壓器二次計(jì)算公式為 （式2.3.1）式中： -整流電路輸出的最大電壓； -電流通過(guò)的整流元件數(shù)；-晶閘管的正向?qū)▔航担?理想情況下a=0時(shí)整流電壓與變壓器二次側(cè)電壓之比，見(jiàn)表2-2；-電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取0.9；-最小控制角；-線路接線方式系數(shù)，見(jiàn)表2-2；-變壓器短路電壓之比（標(biāo)么值），100KVA以下取0.05，100KVA以上取0.050.1，容量越大，也越大； -變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比表2-2 幾種常用形式整流電路的變壓器電壓計(jì)算系數(shù)整流電路的形式AC單相全波0.90.707單相橋式0.90.707三相半波1.170.866三相橋式2.340.5在本次設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算中，為了便于計(jì)算方便，我們按理想變壓器來(lái)計(jì)算的值，即。根據(jù)整流電路的不同形式與負(fù)載性質(zhì)，可計(jì)算變壓器一次與二次電流的有效值。如不計(jì)變壓器勵(lì)磁電流，則根據(jù)磁勢(shì)平衡原理可知變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電流的關(guān)系為 （式2.3.2） （式2.3.3）式中：、-變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組的匝數(shù)；-變壓器的匝數(shù)比， 。 對(duì)于普通電力變壓器，一次、二次繞組流過(guò)的是有效值相等的正弦電流，但是對(duì)于整流變壓器，通常一次、二次繞組流過(guò)的是非正弦電流。下面一三相橋式整流電路為例進(jìn)行分析。大電感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流的波形圖如圖2-5所示，這種波形為正負(fù)對(duì)稱的矩形波，可分解成基波與各次諧波。由于沒(méi)有直流分量，因此它們都可以通過(guò)變壓器的磁耦合反映到一次繞組中去。所以，和電流波形相似，其有效值為： （式2.3.4）其中 （式2.3.5）二次側(cè)電壓以理想情況計(jì)算為 （式2.3.6）所以，變壓器二次側(cè)容量為 （式2.3.7）變壓器一次測(cè)電流為 （式2.3.8）變壓器一次側(cè)容量為 （式2.3.8）可見(jiàn)，當(dāng)變壓器二次側(cè)電流無(wú)直流分量時(shí)，二次側(cè)容量等于一次側(cè)容量。對(duì)于三相半控橋式整流電路來(lái)說(shuō)，圖2-5 三相半控整流橋的變壓器的一次繞組和二次繞組的電流波形圖2.4 平波電抗器的參數(shù)及選擇負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。導(dǎo)通角越小，則電流波形的底部就越窄。電流平均值是與電流波形的面積成比例的，因而為了增大電流平均值，必須增大電流峰值，這要求較多的降低反電動(dòng)勢(shì)。因此，當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，隨著的增大，轉(zhuǎn)速（與反電動(dòng)勢(shì)成比例）降落較大，機(jī)械特性較軟，相當(dāng)于整流電源的內(nèi)阻增大。一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。有了電感，當(dāng)小于時(shí)甚至值為負(fù)時(shí)，晶閘管仍可導(dǎo)通。因此，帶反電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，要在直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感，平穩(wěn)負(fù)載電流的脈動(dòng)，保證整流電流連續(xù)1.維持輸出電流連續(xù)時(shí)，電抗器電感值的計(jì)算 （式2.4.1）考慮不同電路時(shí)臨界電感的計(jì)算系數(shù)表2-3 平波電抗器計(jì)算系數(shù)電路名稱臨界電感計(jì)算系數(shù)最大脈動(dòng)時(shí)值最大脈動(dòng)輸出最低頻率整流變壓器漏感計(jì)算系數(shù)單相全控橋2.87901.21003.18三相半波1.46900.881506.75三相全控橋0.693900.463003.9帶平衡電抗器雙反星0.348900.46300112.限制輸出電流脈動(dòng)時(shí)電抗器電感值的計(jì)算直流電機(jī)的電感值按下式計(jì)算 （式2.4.2）式中直流電機(jī)的額定電壓、額定轉(zhuǎn)速和額定電流電機(jī)磁極對(duì)數(shù)計(jì)算系數(shù)，一般無(wú)補(bǔ)償電機(jī)，快速無(wú)補(bǔ)償電機(jī)變壓器的漏感用下式計(jì)算 （式2.4.3）在本設(shè)計(jì)中我們只要求維持輸出電壓連續(xù)，所以 （式2.4.4）電抗器要選的值應(yīng)比大，故選的電感作為平波電抗器。2.5晶閘管電路參數(shù)分析2.5.1 晶閘管電壓定額的確定通常取晶閘管的（斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）和（反復(fù)重復(fù)峰值電壓）中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，一般額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即： （式2.5.1） （式2.5.2）2.5.2 晶閘管電流定額的確定晶閘管允許通過(guò)的額定電流有效值大于實(shí)際流過(guò)晶閘管電流最大有效值，即： （式2.5.3）其中，為通態(tài)平均電流本設(shè)計(jì)采用晶閘管三相全控橋整流電路，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可得： （式2.5.4）由此可以的出： （式2.5.5） （式2.5.6）2.6晶閘管過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在電力電子電路中，電力電子器件由于承受電壓、電流過(guò)大，或變化過(guò)快，就會(huì)使電力電子器件燒壞，從而使整個(gè)電路不能正常工作，因此設(shè)計(jì)過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)電路來(lái)保證電力電子器件的正常工作是非常有必要的。下面就過(guò)電壓保護(hù)電路、過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)分別予以討論分析。2.6.1 晶閘管過(guò)電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)晶閘管電路中可能發(fā)生的過(guò)電壓可分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因。內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自晶閘管內(nèi)部的開(kāi)關(guān)過(guò)程。包括換相過(guò)電壓和關(guān)斷過(guò)電壓。圖2-6中示出了各種過(guò)電壓保護(hù)措施及其配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。圖2-6 過(guò)電壓抑制措施及配置位置F避雷器 D變壓器靜電屏蔽層 C靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器 RC3閥器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè) RC抑制電路 RCD閥器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路晶閘管電路過(guò)電壓保護(hù)主要防止內(nèi)因過(guò)電壓，一般情況下，外因過(guò)電壓出現(xiàn)的幾率比較小，這里主要分析內(nèi)因過(guò)電壓的電路設(shè)計(jì)。晶閘管內(nèi)因過(guò)電壓保護(hù)電路如圖2-7所示。圖2-7 晶閘管過(guò)電壓保護(hù)電路這種保護(hù)電路能有效的抑制內(nèi)因過(guò)電壓，從而保護(hù)晶閘管不受損壞。這種電路一般和di/dt抑制電路串聯(lián)使用，從而更好的保護(hù)晶閘管，如圖2-8所示。圖2-8 晶閘管過(guò)電壓、di/dt抑制保護(hù)電路如圖2-8所示，V開(kāi)通時(shí)刻緩沖電容先通過(guò)向V放電，使電流先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)橛幸种齐娐返?，的上升速度減慢。、是在V關(guān)斷時(shí)刻為中的磁場(chǎng)能量提供放電回路設(shè)置的。在V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)向分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過(guò)電壓。 2.6.2晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)晶閘管電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分為過(guò)載和短路兩種情況。圖2-9給出了各種過(guò)電流保護(hù)措施及其配置位置。圖2-9 過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置其中采用快速熔斷器、直流快速斷路器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。從圖2-10可以看出，晶閘管的過(guò)電流保護(hù)采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)榭焖偃蹟嗥魇请娏﹄娮友b置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。如圖2-9 所示?？焖偃蹟嗥髋c晶閘管直接串聯(lián)。圖2-10 晶閘管過(guò)電流保護(hù)電路 結(jié)束語(yǔ)電力電子技術(shù)既是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是實(shí)用性很強(qiáng)的一門(mén)課程，且具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，因此在教學(xué)中占據(jù)著十分重要的地位，所以這次的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)就顯得十分重要與需要。這是一次鍛煉自己設(shè)計(jì)電路的一次很好的機(jī)會(huì)，會(huì)使大家很好的鍛煉動(dòng)手和動(dòng)腦的能力。一開(kāi)始看到題目的時(shí)候，以為很簡(jiǎn)單，覺(jué)得無(wú)非是課本上的知識(shí)，按照課本上的電路圖來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算就可以了，可真正開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)便遇見(jiàn)了困難。翻遍了課本，也