三相全控橋式晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書三相全控橋式晶閘管-電動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求分析本設(shè)計(jì)的初始條件是：直流電動機(jī)額定參數(shù)為：型號：Z3-71,PN=10KW,額定電壓UN=220V,額定電流IN=55A，轉(zhuǎn)速nN=1000,電樞電阻Ra=0.50,電流過載倍數(shù)1=1.5,電樞電感Ld=7mH,勵磁電壓UL=220V勵磁電流IL=1.6A,使用三相可控整流電路，電動機(jī)負(fù)載，工作于電動狀態(tài)。要求完成的任務(wù)是：1 .三相全控橋式主電路設(shè)計(jì)（包括整流變壓器參數(shù)計(jì)算，整流元件定額的選擇）,討論品閘管電路對電網(wǎng)的影響及系統(tǒng)功率因數(shù)。2 .觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路選型（可使用集成觸發(fā)器），同步信號的

2、定相等。3 .晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)。4 .提供系統(tǒng)電路圖紙不少于一張。根據(jù)所給任務(wù)的要求，首先應(yīng)先認(rèn)真分析題目，題目是三相全控橋式晶閘管一電動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。再根據(jù)所給電動機(jī)是直流電動機(jī)，可以得出這是一個AC/DC的變換電路，直流電動機(jī)負(fù)載可以看成是三相全控橋式晶閘管接一個反電動勢負(fù)載，由此可以得出此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)三相全控橋式晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，且保證輸出的直流電壓和電流能使電動機(jī)工作在電動狀態(tài)即可。所以就對此電路的設(shè)計(jì)有了大體上的認(rèn)識，也對其設(shè)計(jì)步驟有了具體構(gòu)思。262三相全控橋式主電路設(shè)計(jì)2.1 整流變壓器設(shè)計(jì)2.1.1 整流變壓器設(shè)計(jì)原理在晶閘管整流裝置

3、中，滿足負(fù)載要求的交流電壓U2往往與電網(wǎng)電壓不一致，這就需要利用變壓器來匹配；另外，為降低或減少品閘管變流裝置對電網(wǎng)和其它用電設(shè)備的干擾，也需要設(shè)置變壓器把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離。因此，在晶閘管整流裝置中，一般都需要設(shè)置整流變壓器(僅當(dāng)晶閘管交流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓一致時可以省去)。概括的說，影響U2值的因素有：(1) U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所要求的最大直流平均電壓Ud。(2)在分析整流電路工作原理時，我們曾經(jīng)假設(shè)品閘管是理想的開關(guān)元件，導(dǎo)通時認(rèn)為其電阻為零，而關(guān)斷時，認(rèn)為其電阻無窮大。但事實(shí)上，品閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用Ut表示。(3)變壓器漏抗的存在，導(dǎo)致晶

4、閘管整流裝置在換相程中產(chǎn)生換相壓降，用AU*表示。(4)當(dāng)品閘管整流裝置對直流電動機(jī)供電時，為改善電動機(jī)的性能，保證流過電機(jī)的電流連續(xù)平滑，一般都需用接足夠大電感的平波電抗器。因平波電抗器具有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時，就要產(chǎn)生一定的電壓降。(5)品閘管裝置供電的電動機(jī)恒速系統(tǒng)，在最大負(fù)載電流時，其電機(jī)的端電壓除考慮電動機(jī)的額定電壓Ud外，還需要把電動機(jī)電樞電阻的壓降加以考慮。即電機(jī)的端電壓應(yīng)當(dāng)為電動機(jī)的額定電壓Ud和超載電流(Idmax-ID)在電樞電阻Rd上壓降之和?？紤]到(1)、(2)、(3)、(4)、(5)諸因素，因此在選擇變壓器次級電壓U2值時，應(yīng)當(dāng)去比理想情況下滿足負(fù)載要求

5、的Ud所要求的U2稍大的值。U2的具體數(shù)值可根據(jù)此情況下直流回路的電壓平衡方程求得。考慮到最嚴(yán)重的情況，回路的電壓平衡方程為Ud；：UxmaxPmaxU nUUDmax nUT(2.1)式中右端1項(xiàng)AUxmax表示在直流側(cè)電流最大*ma*時，變壓器漏電抗壓降平均值。在數(shù)值上式中m一每周期的換流次數(shù)。Lb變壓器次級每相漏感。0一電源的角頻率0=2nf通過變換，變壓器的漏抗壓降平均值：Uxmax可寫成U x max(2.2)其中A=Ud0/U2由附表1-1選取。C一有附表1-1選取。巳一變壓器次級的相電壓。u%變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取u%=5,1001000千伏安的變壓器

6、取u%=58。Idmax/Id一負(fù)載的過載倍數(shù)，即最大過載電流與額定電流之比，其數(shù)值由運(yùn)行要求決2項(xiàng)Upmax表示除了電動機(jī)電樞電阻Rd外，包括平波電抗器電阻在內(nèi)所有電阻Rp上的壓降Pmax二 I dmax R P-Idmax PUdI D因此Pmax二Ud pdmaxd(2.3)式中p二密一對于電動機(jī)額定電流和電壓的電阻Rp的標(biāo)幺值p3項(xiàng)UDmax表示恒速系統(tǒng)在電動機(jī)最大過載IDmax時電機(jī)的端電壓。包速電動機(jī)過載時的端電壓UDmax應(yīng)等于電動機(jī)額定電壓Ud加上超載電流(IDmax-Id)在電動機(jī)電阻Rd上所產(chǎn)生的壓降。如果品閘管裝置僅對電動機(jī)供電，則品閘管裝置的輸出電流等于電動機(jī)的電樞電流

7、，所以最大電流時Idmax=lDmax；額定負(fù)載電流時h=。因此，電動機(jī)的端電壓maxmaxDmax=Ud (iDmax - Id)R D=UD (I dmax - Id) DUd(2.4)因此，UDmax=Ud(1D(*/)IdI_R_式中TD=_D_D_電動機(jī)電樞電路總電阻RD的標(biāo)幺值，對谷量為15150kW的電動機(jī),Ud通常d=0.080.04。4項(xiàng)nUT表示主電路中電流經(jīng)過n個串聯(lián)品閘管的管壓降之和。而平衡式(1)左端的Ud隨著主電路的接線形式和負(fù)載性質(zhì)的不同而不同。顯然逐個按主電路的形式列寫比較繁瑣。這里給出考慮到電網(wǎng)電壓波動后的通式Ud=刈2(g)(富)=U2AB(2.5)式中a=

8、U0表示當(dāng)控制角0(=0°時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比。U2由附表1-1查到。B=Ug表示控制角a時和a=0°時整流電壓平均值之比。由附表1-1查到。Udo右為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動+5%-10%,即8=1.050.9。將(2.2)、(2.3)、(2.1)以及(2.2)式代入式(2.1)可得UAB=ACU2u%"UddUd1口(-1)nUT100IdIdId所以Ud1(D-P)IdImax-d-nUTq=%n(2.6)A(；B-CUk%gIdmax)100Id該式即為變壓器次級電壓U2的精確表達(dá)式。在要求不太精確的情況下，變壓器次級

9、電壓U2可由簡化式確定(2.7)U2=(1.21.5)也A式中的Ud為電動機(jī)的額定電壓；系數(shù)(11.2)或(1.21.5)是考慮到各種因素影響后的安全系數(shù)。2.1.2 變壓器參數(shù)設(shè)定和選擇一、U2的選擇：由設(shè)計(jì)要求可以知道，所要驅(qū)動的直流電動機(jī)的額定電壓為220V,即可知道要使電動機(jī)工作在電動狀態(tài)所需要的額定電壓為220V,即Ud=220V。根據(jù)給定的直流電動機(jī)的參數(shù)Ra=0.5。可求得為和工的值為p=55=0.125。220且根據(jù)給定的直流電動參數(shù)，可得九=1.5。根據(jù)設(shè)計(jì)要求所采用的整流電路是三相全控橋整流電路，則根據(jù)相應(yīng)的表格可以得到A=2.34,B=cos。,因?yàn)槭遣豢赡嬖O(shè)計(jì)，所以取口

10、=20°時，B=0.866,C=0.5。名的取值范圍是1.050.9,本設(shè)計(jì)取名=1.05,取Uk%=5。將以上所得的參數(shù)帶入到公式(2.6)得，U2220 1 (0.125 0.125) 1.5-0.125 2 12.34 (1.05 0.94-0.5亙1001.5)=125(V)根據(jù)公式(2.7)粗略算的U2=113(V)141(V)。因?yàn)?25V是考慮到最嚴(yán)重的情況所算得的U2的值，而113V141V是考慮各種因素影響后的安全電壓數(shù)。故本設(shè)計(jì)可以選擇380V/220V,此電壓可以在a為0°30°度范圍內(nèi)使整流電路輸出的直流電壓，使電動機(jī)達(dá)到額定工作狀態(tài)。即U

11、2=127V。二、容量S的計(jì)算：根據(jù)三相全控橋變壓器二次側(cè)電流的有效值I2的計(jì)算公式I2=(I22二+()22二)”O(jiān).81612333計(jì)算得，I?=0.816x55=44.88(A)。由于變壓器采用A/丫型連接，則380,3°-3o220111132=44.88=14.96(A)k3即可求得，S=3U1I1=338014.96=17KVAS2=3L22=312744.6817KVA即一1一一S(S1S2)=17KVA2綜上所述，選擇型號為SBK20KWSG20KVA,380Vl/220V的變壓器。2.2 平波電抗器參數(shù)計(jì)算即選擇在使用品閘管整流裝置供電時，其供電電壓和電流中，含有各

12、種諧波成份。當(dāng)控制角a增大，負(fù)載電流減小到一定程度時，還會產(chǎn)生電流斷續(xù)現(xiàn)象，造成對變流器特性的不利影響。當(dāng)負(fù)載為直流電動機(jī)時，由于電流斷續(xù)和直流電動機(jī)的脈動，會使晶閘管導(dǎo)通角日減小，整流器等效內(nèi)阻增大，電動機(jī)的機(jī)械特性變軟，換相條件惡化，并且增加電動機(jī)的損耗。因此，除在設(shè)計(jì)變流裝置時要適當(dāng)增大品閘管和二極管的容量，選擇適于變流器供電的特殊系列的直流電動機(jī)外，通常還采用在直流電路內(nèi)用接平波電抗器，以限制電流的脈動分量，維持電流連續(xù)。一、若要求變流器在某一最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)，則電抗器的電感可按下式計(jì)算：U2。=凡-(mH)Idmin式中U2交流測電源相電壓有效至(V)Idmi

13、n一要求連續(xù)的最小負(fù)載電流平均值(A)。kl一與整流主電路形式有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，見附表2-1中的序號2。對于不同控制角a,所需的電感量Ll為ULl=Kl-sin：(mH)(2.8)Idmin本設(shè)計(jì)中的參數(shù)為：U2=133V,小由=(5%10%)Id=2.75A5.5A,Kl=0.693,臨界值a=0°。將以上所述參數(shù)代入式(2.8)可計(jì)算出本設(shè)計(jì)所需的臨界電感參數(shù)值，即：Ll= 0.6931272.75=32(mH)、整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LT按下式計(jì)算:LTuk% U2二 kLT - (mH)1001d(2.9)式中U2變壓器次級相電壓有效值(V)。Id一晶閘管裝

14、置直流側(cè)的額定負(fù)載電流(平均值)(A)。Uk%變壓器的短路比。100KVA以下的變壓器取1%=5;1001000KVA的變壓器取uk%=510;kTL一與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，查附表2-1的序號3。本設(shè)計(jì)U2=127V,Id=55A,Uk%=5,kn=3.9。將以上所需參數(shù)代入式(2.9)中可計(jì)算出漏電感Lt的值，即5127=3.9一一二0.45(mH)10055綜上所述，根據(jù)直流電動機(jī)的電樞電感為Lm=7mH,可得使輸出電流連續(xù)的臨界電Lla=Ll-Lm-Lt=24.55(mH)電抗器要選的值應(yīng)比Lla大，故選30mH的電感作為平波電抗器2.3 整流電路2.3.1 整流器件的定額計(jì)算和選

15、擇本設(shè)計(jì)采用品閘管三相全控橋整流電路，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可得Idmax=Id=551.5=82.5(A)由此可以的出，,1,1“It=Idmax=782.5=47.63(A),3,3It(av)=(1.52)上=(1.52)473=4661(A)1.571.57經(jīng)分析知，Um=',6u2=6127=311(V)則，UTN=(23)Um=(23)326=622933(V)綜上所述，選定額為It(av)=50A,Utn=800V的晶閘管作為整流器件，可采用KP50系列的晶閘管，其It(av)=50A,通態(tài)平均電壓上限值由各制造廠根據(jù)合格的形式試驗(yàn)給出。此設(shè)計(jì)電路需要六個晶閘管，三相橋式晶閘管主電

16、路圖如圖1所示。圖1三相橋式晶閘管主電路圖2.3.2晶閘管對電網(wǎng)的影響品閘管變流設(shè)備一般都是通過變壓器與電網(wǎng)連接的，因此其工作頻率為工頻初級電壓即為交流電網(wǎng)電壓。經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路可以得到一個合適的輸入電壓，是品閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分，減小電網(wǎng)污染。在變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓相差不多時，有時會采用自耦變壓器；當(dāng)變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓一致時，也可以不經(jīng)變壓器而直接與電網(wǎng)連接，不過要在輸入端串聯(lián)“進(jìn)線電抗器”以減少對電網(wǎng)的污染。在分析整流電路工作原理時，我們曾經(jīng)假設(shè)品閘管是理想的開關(guān)元件，導(dǎo)通時認(rèn)為其

17、電阻為零，而關(guān)斷時，認(rèn)為其電阻無窮大。但事實(shí)上，品閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降。品閘管裝置中的無功功率，會對公用電網(wǎng)帶來不利影響：1）無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。2）無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。3）使線路壓降增大，沖擊性無功功率負(fù)載還會使電壓劇烈波動。品閘管裝置還會產(chǎn)生諧波，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害，包括：1）諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電

18、容器、電纜等設(shè)備過熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。3）諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會使上述1）和2）兩項(xiàng)的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。4）諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表不準(zhǔn)確。5）諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都會造成很大的危害，世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。制定這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的基本原則是限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，把電網(wǎng)諧波電壓控制在允許的范圍內(nèi)，使接在電網(wǎng)中的

19、電氣設(shè)備能免受諧波干擾而正常工作。世界各國所指定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近。我國由技術(shù)監(jiān)督局與1993年發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549-93)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波，并從1994年3月1日起開始實(shí)施。2.3.3系統(tǒng)功率因數(shù)討論三相橋式全控整流電路接反電動勢負(fù)載時，由于設(shè)計(jì)時接了平波電抗器，所以負(fù)載電感足以使電流連續(xù)，則電路的工作情況與感性負(fù)載時相似，即可以根據(jù)感性負(fù)載來討論功率因數(shù)。設(shè)交流電抗為零，假設(shè)直流電感L為足夠大，口=30°。此時，電流為正負(fù)半周各120o的方波，三相電流波形相同，且依次相差120°,其有效值與直流電流的關(guān)系為(2.10)同樣可將電流波形分解為傅里葉級

20、數(shù)。以a相電流為例，將電流負(fù)、正兩半波的中點(diǎn)作為時間零點(diǎn)，則有ia=：/2I1sint'、(-1)k,2Insinnt(2.11)n=6k1k=1,2,3L由式(2.11)可得電流基波和各次諧波有效值分別為I1£Id(2.12)n=6k-1,k=1,2,3L由此可得以下結(jié)論：電流中僅含6k±1(k為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。由式(2.10)和式(2.12)可得基波因數(shù)為I13'=0.955I二電流基波與電壓的相位差仍為«,故位移因數(shù)仍為1二cos1=cos功率因數(shù)即為I13-.1=cos1

21、=-cosq0.955cos=二0.897I二2.4觸發(fā)電路設(shè)計(jì)2.4.1 TC787介紹一、管腳介紹用獨(dú)有的先進(jìn)IC工藝技術(shù)，并參照最新集成移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計(jì)的單片集成電路，它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相品閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和交流裝置，他們是目前國內(nèi)市場上廣泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與TCA785及KJ（或KC）系列集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一個這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ04

22、1、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004,1只KJ041,1個KJ042）（或KC）系列器件組合才能具有的三相移相功能，因此，TC787可廣泛應(yīng)用于三相半控、三相全控、三相過零等電力電子、機(jī)電一體化產(chǎn)品的移相觸發(fā)系統(tǒng)，從而取代TCA785,KJ004,KJ009,KJ041,KJ042等同類電路，為提高整機(jī)壽命，縮小體積，降低成本提供了一種新的、更加有效的途徑。其管腳圖如圖2所示。Vc工Vt EZZ 蟲 3 : vTm Pi H PcESn -B工 C EE 一AbTC787耳詢立1%lECaTTICcUlCbTT|AILhCme圖2TC787管腳圖各引腳的名稱、功能及用法如下：(1)同步

23、電壓輸入端：引腳1(Vc)、引腳2(Vb)及引腳18(Va)為三相同步輸入電壓連接端。應(yīng)用中，分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC787/TC788的工作電源電壓VDDo(2)脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8(C)、引腳10(B)、引腳12(A)分別為與三相同步電壓正半周對應(yīng)的同相觸發(fā)脈沖輸出端，而引腳7(-B)、引腳9(-A)、引腳11(-C)分別為與三相同步電壓負(fù)半周對應(yīng)的反相觸發(fā)脈沖輸出端。當(dāng)TC787或TC788被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時，引腳8為與三相同步電壓中C相正半周及B相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳12為與三相同步電壓中A相正半周及C相負(fù)半

24、周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳11為與三相同步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳9為與三相同步電壓中A相同步電壓負(fù)半周及C相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳7為與三相同步電壓中B相電壓負(fù)半周及A相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳10為與三相同步電壓中B相正半周及A相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端。應(yīng)用中，均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅(qū)動開關(guān)管的控制極。(3)控制端引腳4(Vr):移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787/TC788輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電壓幅值最大為TC787/TC788的工作電源電壓VDD。 引腳5(

25、Pi):輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787/TC788的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。引腳6(Pc):TC787/TC788工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平時，TC787/TC788輸出雙脈沖列；而當(dāng)該端接低電平時，輸出單脈沖列。 引腳13(Cx):該端連接的電容Cx的容量決定著TC787或TC788輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。 引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca):對應(yīng)三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應(yīng)用中分別通過一個相同容量的電容接地。(4)電源端TC787/TC788可單電

26、源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時引腳3(VSS)接地，而引腳17（VDD）允許施加的電壓為818V。雙電源工作時，引腳3（VSS）接負(fù)電源，具允許施加的電壓幅值為-4-9V,引腳17（VDD）接正電源，允許施加的電壓為+4+9V。二、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理簡介TC787/TC788在它們的內(nèi)部集成有三個過零和極性檢測單元、三個鋸齒波形成單元、三個比較器、一個脈沖發(fā)生器、一個抗干擾鎖定電路、一個脈沖形成電路、一個脈沖分配及驅(qū)動電路。它們的工作原理可簡述為：經(jīng)濾波后的三相同步電壓通過過零和極性檢測單元檢測出零點(diǎn)和極性后，作為內(nèi)部三個恒流源的控制信號。三個恒流源輸出的恒值電流給三個等值電容Ca、Cb

27、、Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波。鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相控制電壓Vr比較后取得交相點(diǎn)，該交相點(diǎn)經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證交相唯一而穩(wěn)定，使交相點(diǎn)以后的鋸齒波或移相電壓的波動不影響輸出。該交相信號與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖（對TC787為調(diào)制脈沖，對TC788為方波）信號經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三相輸入同步信號相位對應(yīng)且與移相電壓大小適應(yīng)的脈沖信號送到脈沖分配及驅(qū)動電路。假設(shè)系統(tǒng)未發(fā)生過電流、過電壓或其它非正常情況，則引腳5禁止端的信號無效，此時脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳6設(shè)定的狀態(tài)完成雙脈沖（引1卻6為高電平）或單脈沖（引腳6為低電平）的分配功能，并經(jīng)輸出驅(qū)動電路功

28、率放大后輸出，一旦系統(tǒng)發(fā)生過電流、過電壓或其它非正常情況，則引腳5禁止信號有效，脈沖分配和驅(qū)動電路內(nèi)部的邏輯電路動作，封鎖脈沖輸出，確保集成電路的6個引腳12、11、10、9、8、7輸出全為低電平。2.4.2觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)一、主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)（1） TC787適用于主功率器件是晶閘管的三相全控橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的系統(tǒng)中作為晶閘管的移相觸發(fā)電路。而TC788適用于以功率晶體管（GTR）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為功率單元的三相全橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的系統(tǒng)中作為脈寬調(diào)制波產(chǎn)生電路，且任一種芯片均可同時產(chǎn)生六路相序互差60o的輸出脈沖。（2） TC787/TC788在單、雙電源下均可工作，使其適用

29、電源的范圍較廣泛，它們輸出三相觸發(fā)脈沖的觸發(fā)控制角可在0180。范圍內(nèi)連續(xù)同步改變。它們對零點(diǎn)的識別非常可靠，使它們可方便地用作過零開關(guān)，同時器件內(nèi)部設(shè)計(jì)有移相控制電壓與同步鋸齒波電壓交點(diǎn)（交相）的鎖定電路，抗干擾能力極強(qiáng)。電路自身具有輸出禁止端，使用戶可在過電流、過電壓時進(jìn)行保護(hù)，保證系統(tǒng)安全。（3） TC787/TC788分別具有A型和B型器件，使用戶可方便地根據(jù)自己應(yīng)用系統(tǒng)所需要的工作頻率來選擇(工頻時選A型器件，中頻100400Hz時選B型器件)。同時，TC787輸出為脈沖列，適用于觸發(fā)晶閘管及感性負(fù)載；TC788輸出為方波，適用于驅(qū)動晶體管。因兩種集成電路引腳完全相同，故增加了用戶控

30、制用印制電路板的通用性，使同一印制電路板只需要互換集成電路便可用于控制品閘管或晶體管。（4） TC787/TC788可方便地通過改變引腳6的電平高低，來設(shè)置其輸出為雙脈沖列還是單。二、具體設(shè)計(jì)電路圖由TC787構(gòu)成的三相六脈沖觸發(fā)電路如圖3所示。380V三相交流電經(jīng)過同步變壓器變壓為30V的同步信號al,bl,cl后，經(jīng)過電位器RP1,RP2,RP3及RCT型網(wǎng)絡(luò)濾波接入到TC787的同步電壓輸入端，通過調(diào)節(jié)RP1,RP2,RP3可微調(diào)各相電壓的相位，以保證同步信號與主電路的匹配。Ca,Cb,Cc為積分電容，TC787芯片的鋸齒波的線性、幅度由Ca、Cb、Cc電容決定，因此，為了保證鋸齒波有良

31、好的線性及三相鋸齒波斜率的一致性，選擇Ca、Cb、Cc時要求其3個電容值的相對誤差要非常小，以產(chǎn)生的鋸齒波線性好、幅度大且不平頂為宜。Ca、Cb、Cc為電容量的參考值為0.15NF。連接在13腳的電容Cx決定輸出脈沖的寬度，Cx越大，脈沖越寬，可得到0度-80度范圍的方波，不過脈沖太寬會增大驅(qū)動級的損耗。Cx參考值為3300NF0.1NF。調(diào)節(jié)RP可以使輸入4腳的電壓012V之間連續(xù)變化，從而使輸出脈沖在0180度之間變化，712腳的輸出端有大于25mA的輸出能力，采用6只驅(qū)動管擴(kuò)展電流，經(jīng)脈沖變壓器隔離后將脈沖接到晶閘管的控制極(g)和陰極(k)之間，以觸發(fā)晶閘管。其中，RP1RP3:10k

32、;R1、R2、R3:200k;C1、C2、C3:10NF;C4、C5、C6:1嚇；R:20k圖3由TC787構(gòu)成的三相六脈沖觸發(fā)電路+24V2.5晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)2.5.1 晶閘管過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)正常工作時，品閘管承受的最大峰值電壓為Um,超過此峰值電壓的就算過電壓。在整流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過電壓均不應(yīng)超過元件的不重復(fù)峰值電壓Udsm,而任何周期性出現(xiàn)的過電壓則應(yīng)小于元件的重復(fù)峰值電壓Ursm。這兩種過電壓都是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的。因此，在變流過程中，必須采用各種有效保護(hù)措施，以抑制各種暫態(tài)過電壓，保護(hù)品閘管元件不受損壞。抑制暫態(tài)過電壓的方法一般有三種：用電阻消耗過電壓的能量；用非線性

33、元件限制過電壓的幅值；用儲能元件吸收過電壓的能量。若以過電壓保護(hù)裝設(shè)的部位來分，有交流保護(hù)，直流保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元器件保護(hù)3種。一、交流側(cè)過電壓保護(hù)交流側(cè)過電壓一般都是外因過電壓，在抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路是最為常見的。通常是在變壓器次級（元件側(cè)）并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場能而儲存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時，RC電路也可以接在變壓器的電源側(cè)。其電路圖如圖4所示。圖4阻容過電壓保護(hù)電路(一)、RC參數(shù)的計(jì)算公式為S-.Ca6io%T(F)U2電容Ca

34、的耐壓電阻Ra的功率為2Pr(34)ICR(W)a(2.13)IC=2二fCaUc10"(A)CaCa式中Stm一變壓器每相平均計(jì)算容量(VA)。U2變壓器二次相電壓有效值(V)。i。一勵磁電流百分?jǐn)?shù)當(dāng)StmW幾百伏安時io%=10當(dāng)Stm知000伏安時io%=35。Uk%變壓器的短路比，當(dāng)變壓器容量為101000KVA時，1%=510Ic,Uc一當(dāng)Ra正常工作時電流電壓的有效值(A,V)。a(二卜RC參數(shù)計(jì)算變壓器每相平均計(jì)算容量為_133STM20103=6.67103(VA)3(1)電容器的計(jì)算3Ca-68L"5(坨取Ca=202F。a電容器Ca的耐壓值為UCa1.5

35、2220=446.7(V)取500V 。故選擇參數(shù)為20NF, 500V 的電容。(2)電阻值計(jì)算12725Ra-2.33:=2.93。)10103二8考慮到所取電容Ca已大于計(jì)算值，故電阻Ra可適當(dāng)取小些。取Ra=2C。正常工作時，RC支路始終有交流電流過，過電壓總是短暫的，所以可按長期發(fā)熱來確定電阻的功率。RC支路電流Ic可由式(2.13)確定，即Ic=2二5020.312710"=1.38(A)電阻Ra的功率為PR-(34)1.3822=(1115)(W)a故選用2c,50W的電阻。二、直流側(cè)的過電壓保護(hù)也可以采用阻容電路進(jìn)行保護(hù)，其計(jì)算參數(shù)同交流側(cè)過電壓保護(hù)三、晶閘管換相過電

36、壓的保護(hù)由于晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓問題，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt,所以晶閘管的緩沖電路就簡化為了品閘管的換相過電壓保護(hù)，即采用RC吸收電路即可。其電路圖如圖5所示。廿圖5晶閘管換相過電壓保護(hù)電路圖電容C的選擇為C=(24)1TAV10，=(24)5010'=(0.10.2)(F)取C=0.2NF,電阻一般取40c。2.5.2 晶閘管過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)變流裝置發(fā)生過電流的原因歸納起來有如下幾個方面：(1)外部短路：如直流輸出端發(fā)生短路。(2)內(nèi)部短路：如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路。(3)可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過大。(4)生產(chǎn)機(jī)械發(fā)生過

37、載或堵轉(zhuǎn)等。品閘管元件承受過電流的能力也很低，若過電流數(shù)值較大而切斷電路的時間又稍長，則品閘管元件因熱容量小就會產(chǎn)生熱擊穿而損壞。因此必須設(shè)置過流保護(hù)，其目的在于一旦變流電路出現(xiàn)過電流，就把它限制在元件允許的范圍內(nèi)，在晶閘管被損壞前就迅速切斷過電流，并斷開橋臂中的故障元件，以保護(hù)其它元件。晶閘管變流裝置可能采用的過流保護(hù)措施有：交流斷路器；進(jìn)線電抗器；靈敏過電流繼電器；斷路器；電流反饋控制電路；直流快速開關(guān)；快速熔斷器?？砂磳?shí)際需要選擇其中一種或數(shù)種。本設(shè)計(jì)采用的晶閘管過電流保護(hù)措施是快速熔斷器保護(hù)方法，其參數(shù)的選擇為：因工作時電壓為380V,取Urn=500Vo流過快速熔斷器的電流的有效值I

38、R為131-355 31.75(A)快速熔斷器的額定電流為Irn=kikalR=1.51.231.75=57.15(A)選取Irn=80A。2.5.3 電流上升率、電壓上升率的限制一、電流上升率di/dt的限制品閘管在導(dǎo)通的初瞬，電流主要集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后隨著時間的增長才逐漸擴(kuò)大到整個陰極面。此過程需幾微秒到幾十微秒。若導(dǎo)通時電流上升率d/dt太大，會引起門極附近過熱，導(dǎo)致PN結(jié)擊穿使元件損壞。因此必須把di/dt限制在最大允許范圍內(nèi)。產(chǎn)生di/dt過大的可能原因有：在晶閘管換相過程中相當(dāng)于交流側(cè)線電壓短路，因交流側(cè)阻容保護(hù)的電容放電造成di/dt過大；

39、晶閘管換相時因直流側(cè)整流電壓突然增高，對阻容保護(hù)電容進(jìn)行充電造成di/dt過大。通常，限制di/dt的措施主要有：1、在晶閘管陽極回路用入電感Lk。2、采用整流式阻容吸收裝置。本設(shè)計(jì)采用的是第一種方法。Lk的計(jì)算公式為：Lk=*(H)(2.14)2包dt式中Um一交流電壓U的峰值(V)di/dt一晶閘管通態(tài)電流臨界上升率。此設(shè)計(jì)的Um=U2=V6'127=311(V),根據(jù)所選晶閘管的型號，可以根據(jù)相應(yīng)的工程手冊查到晶閘管通態(tài)電流臨界上升率di/dt=30(A/Ns),將以上參數(shù)代入式(2.14),得.311LK=O_5.255.2(-H)230取Lk稍微大一些，即取L-10NH。二、

40、電壓上升率du/dt的限制處于阻斷狀態(tài)下晶閘管的J2結(jié)面相當(dāng)于一個結(jié)電容，當(dāng)加到品閘管上的正向電壓上升率du/dt過大時，會使流過J2結(jié)面的充電電流過大，起了觸發(fā)電流的作用，造成晶閘管誤導(dǎo)通。從而引起較大稍微浪涌電流，損壞快速熔斷器或晶閘管。因此對du/dt也必須予以限制，使之小于晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率。產(chǎn)生du/dt過大的原因及其限制措施如下：1、交流側(cè)產(chǎn)生的dudt對于帶有整流變壓器和交流側(cè)阻容保護(hù)的交流裝置，因變壓器漏電感Lt和交流側(cè)RC吸收電路組成了濾波環(huán)節(jié)，使由交流電網(wǎng)入侵的前沿陡、幅值大的過電壓有較大衰減，并使作用于晶閘管的正向電壓上升率du/dt大為減小。在無整流變壓器供電的

41、情況下，則應(yīng)在電源輸入端串聯(lián)在數(shù)值上相當(dāng)于變壓器漏感的進(jìn)線電感Lti,以抑制du/dt,同時還可以起到限制短路電流的作用。進(jìn)線電感Lti近似按下式計(jì)算LT1=U2uk%-U2uk%WI22二fl2式中U2,I2交流側(cè)的相電壓和相電流。f電源頻率。uk%一與晶閘管裝置容量相等的整流變壓器的短路比。本設(shè)計(jì)的Lt1參數(shù)值為127 545(mH)2二 50 44.882、品閘管換相時的dudt由于晶閘管du/dt比較小，所以此處可以忽略不考慮3總結(jié)電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力通信、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等加用電氣及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。以前電力電子技術(shù)的應(yīng)用偏重于中、大功率?，F(xiàn)在，在1KW以下,甚至幾十W以下的功率范圍內(nèi)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣，其地位也越來越重要。這已成為一個重要的發(fā)展趨勢。電力電子技術(shù)既是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是實(shí)用性很強(qiáng)的一門課程，且具