電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)名稱:電力電子技術(shù)目:專 業(yè)：自動(dòng)化班級：自動(dòng)化12-2班姓名：王軍學(xué)號：1205010219課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目IGBT斬波控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1. 選用合適的IGBT設(shè)計(jì)制作一個(gè)斬波調(diào)速器，使占空比可調(diào)，占空比 調(diào)節(jié)范圍為10%90%。2. 斬波調(diào)速器負(fù)載選用額定電壓為 220V,額定電流為1.2A，實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的單向調(diào)速，即電機(jī)的單象限運(yùn)行。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃第1天：查閱相關(guān)材料，熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)；第2天：確定設(shè)計(jì)的內(nèi)容以及主電路的選擇；第3天：IGBT驅(qū)動(dòng)電路的選擇；第4天：保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；第5天：軟件繪圖四、設(shè)計(jì)要求1.主電路的設(shè)計(jì)及原理說明；2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及原理

2、說明；3控制電路的設(shè)計(jì)及分析4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：邱彬間：2014年12月30日遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績評定表學(xué)期20142015上學(xué)期姓名王軍專業(yè)其自動(dòng)化班級自動(dòng)化12-2班課程名稱電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)論文題目直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)評疋標(biāo) 準(zhǔn)評定指標(biāo)分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師邱彬時(shí)間2014年12月30日備注第一章主要技術(shù)數(shù)據(jù)和可控整流電路的選擇1.1主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源：三相380V10%、f=50Hz、直流輸出電流連續(xù)的最小值為 5A電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)：額定功率 PN=10k

3、w 磁極對數(shù)P=2、額定轉(zhuǎn)速nFl000r/min,額定電壓Um=220V 額定電流ImN=54.8A、過載倍數(shù)1.5 。1.2可控整流電路的選擇晶閘管可控整流電路型式較多，各種整流電路的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能個(gè)不相同。單 相可控整流電路電壓脈動(dòng)大、脈動(dòng)頻率低、影響電網(wǎng)三相平衡運(yùn)行。三相半波可控整流電路雖然對影響電網(wǎng)三相平衡運(yùn)行沒有影響，但其脈動(dòng)仍然較 大。此外，整流變壓器有直流分量磁勢，利用率低。當(dāng)整流電壓相同時(shí)，晶閘管元件的 反峰壓比三相橋式整流電路高，晶閘管價(jià)格高三相半波可控整流電路晶閘管數(shù)量比三相 橋式可控整流電路少，投資比三相橋式可控整流電路少。三相橋式可控整流電路它的脈動(dòng)系數(shù)比三相半波

4、可控整流電路少一半。整流變壓器沒有直流分量磁勢，變壓器利用率高，晶閘管反峰壓低。這種可控整流電路晶閘管數(shù)量 是三相半波可控整流電路的兩倍?？偼顿Y比三相半波可控整流電路多。從上面幾種可控整流電路比較中可以看到：三相橋式可控整流電路從技術(shù)性能和經(jīng) 濟(jì)性能兩項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮比其它可控整流電路優(yōu)越， 故本設(shè)計(jì)確定選擇三相橋式可控整 流電路。如圖（1-1）所示VT, VT, VTsd,vt4 vt6 vt2 d2圖1 1三相橋式可控整流電路第二章 可控整流電路的波形圖圖1-2三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a =0時(shí)的波形=0.816 IdN= 0.816 X 54.8=44.7A第三章整流電路參數(shù)計(jì)算和元

5、件選擇3.1整流變壓器的計(jì)算整流變壓器的作用是給晶閘管整流電路提供所需電源電壓，同時(shí)將整流電路與交流電源隔離，增強(qiáng)安全性并減小整流電路對請其他用電設(shè)備的干擾。(1) 整流變壓器的接線變壓器采用D,Yn11接線一次側(cè)采用D接線的目的是個(gè)電流中三的整數(shù)倍高次諧波提 供通路，以保證磁通和電壓為正弦波，避免在變壓器每相繞組中產(chǎn)生尖頂波電勢。這個(gè) 電勢有時(shí)將超過正常值的50%,對變壓器絕緣不利。此外電網(wǎng)波形畸變，對并接在電網(wǎng) 的其他負(fù)載亦有很大影響。例如：對通訊檢測信號的干擾，增加電器鐵芯損耗，使保護(hù) 裝置誤動(dòng)作以及電子計(jì)算機(jī)無法工作。(2) 整流變壓器二次電壓12的計(jì)算采用三相橋式整流電路整流變壓器二

6、次側(cè)相電壓可用下式估算：U 2嚴(yán)(0.90 1.0 ) UmN . 3(3- 1)式中：UU整流變壓器二次側(cè)相電壓U MN 直流電動(dòng)機(jī)額定電壓；U 24 = (0.90 1.0 ) 220/ . 3=(114.5 127.2 ) V取U嚴(yán)120V整流變壓器一、二次電壓比為：K= U1 昇U24=380/120 =3.17式中：K整流變壓器變比Uu -整流變壓器一次側(cè)相電壓；U24 整流變壓器二次側(cè)相電壓；(3) .整流變壓器一、二次電流11、12的計(jì)算(3 2)式中：I dN 整流器額定直流值I1= I 2/ K=44.7/3.17=14.1A(4) 整流變壓器的容量的計(jì)算St = (S1+S

7、2) 12= KsKvlh訂 dN(3- 3)=1.05 X 2.34 X 120X 54.8=16.16 KVA取 St =17 KVA式中：St整流變壓器視在功率；S -整流變壓器一次側(cè)視在功率；S2 -整流變壓器二次側(cè)視在功率；Kst-視在功率計(jì)算因素；Kjv整流變壓器計(jì)算因素；U2 整流變壓器二次側(cè)相電壓；I dN整流器額定直流值；(5) 整流變壓器的數(shù)據(jù)相數(shù)：三相；接線：D,Yn11；容量：17KVA一次側(cè)相電壓：380V;二次側(cè)相電壓：120V;一次側(cè)相電流：14.1A ；二次側(cè)相電流：44.7A ；3.2晶閘管元件的選擇(1) .額定電壓的計(jì)算LTn = (23)(3-4)=(2

8、3)6 X 120=(588882) V取 LTn =800V(2) .額定電流的計(jì)算I T(AV) (1.5 2) KTldmax( 3-5)式中：Kt-晶閘管電流計(jì)算因素，采用三相橋式整流電路Kt=0.367I dma最大整流電流（A） I dma=電動(dòng)機(jī)最大工作電流，取| dmax = 1.51 N I T（AV） （1.5 2） Kit I dmaX= （ 1.5 2） Kt X 1.51 n=（1.5 2）X 0.367 X 1.5 X 54.8=（45.2 60.3）A取 I T（AY） =50A選晶閘管的型號規(guī)格為 KP50-83.3 平波電抗器的計(jì)算3L Ma=KM UMN10

9、 /2PnNI(1) .電動(dòng)機(jī)電樞電感LMa (mH的計(jì)算3LMa= KMUMN10/2PnNIMN式中：Umn 直流電動(dòng)機(jī)額定電壓(V)；I MN 直流電動(dòng)機(jī)額定電流(A)；電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min )；P電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)；K計(jì)算系數(shù)，一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī) K=812,快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)Km=68,有MN36)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī) KM=56；=8X 220X 103/2 X 2X 1000X 54.8= 8.029(mH)(2) 變壓器漏感Lt (mH的計(jì)算Lt=KUiU2昇 I dN(3-7)式中：K整流變壓器漏感計(jì)算系數(shù)，三相全控Kf3.9 ;Ul-整流變壓器短路電壓標(biāo)么值,取Udl=0.05 ;Lh

10、整流變壓器二次側(cè)相電壓(A);IdN 整流器額定直流值(A)；Lt=KtUh L2 / I dN=3.9X0.05X120/54.8=0.427(mH)3)平波電抗器電感的計(jì)算1) 保持電流連續(xù)所需的電感值 Llx(mH)Llx =L1 ( 2 L t+ LlMa) =K U24 / I dmin ( 2 L t+ LlMa)(3 8)式中：L1電流連續(xù)時(shí)的臨界電感 L1=K U2° / I dmin；LT整流變壓器漏感；LMa電動(dòng)機(jī)電樞電感；U24 整流變壓器二次側(cè)相電壓；Idmin電流連續(xù)的最小值；K 1臨界電感計(jì)算系數(shù)，三相全控橋 K1=0.693 ；Llx =K1 U24/

11、I dmin ( 2 L TLMa)=0.693 X 120/5 (2X 0.427 + 8.029)=7.749( mH)2) 限制電流脈動(dòng)系數(shù)所需的電感值Lmd(mH)Lmd= L 2( 2 L TLMa)=(UdM/ U 24) 103/2 n fd U2 昇Si I dN (2 Lt+ 山)(3 9)式中：L2滿足一定脈動(dòng)要求的電感值；UdM整流輸出電壓最低頻率的交流電壓分量幅值，在三相全控橋整流電路中 UdM/ U 24=0.46；fd輸出最低頻率分量的頻率值，三相全控橋fd=300;S i 給定的允許電流脈動(dòng)系數(shù)，三相整流電路中S 為 5%10%;Lmd=(UdM/ U 24 )3

12、-10/2 n fd U24/Si IdN=(0.46 X 103/2 n X 300)X 120/0.05 X 54.8 (2X 0.427 + 7.749)=1.78( mH)所以，選取平波電抗器的電感量為 8mH時(shí)，電流連續(xù)和脈動(dòng)要求能同時(shí)滿足第四章保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1整流電路的過電壓保護(hù)（1）引起過壓的原因1）操作過電壓：由拉閘、合閘、快速直流開關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過程 引起的過壓。2）浪涌過壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變換器的過壓。3）電力電子器件關(guān)斷過電壓：電力電子器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過壓。4）在電力電子變換器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)造成直流側(cè)直流 電過高

13、產(chǎn)生過壓，也稱為泵升電壓。過電壓保護(hù)有操作過電壓和浪涌過電壓兩種。操作過電壓是由于變壓器合閘，拉閘 以及晶閘管本身關(guān)斷所引起的。浪涌過電壓是由于雷擊等原因，從電網(wǎng)侵入的偶然過電 壓。晶閘管元件承受過電壓能力較差，發(fā)生過電壓時(shí)，會(huì)使元件損壞，因此必須采取有 效措施。（2）交流側(cè)過電壓保護(hù)1）.交流側(cè)阻容吸收過電壓保護(hù)（如圖 41）圖41交流側(cè)阻容吸收過電壓保護(hù)RC吸收電路電容Ca（卩的計(jì)算Ca=17320 E / U（4 1）式中：E變壓器勵(lì)磁電流對額定電流標(biāo)么值，一般為0.020.05;U2L 變壓器二次側(cè)線電壓；Ca=17320 E / UL=17320X）.05r 3 X 120=4.17

14、（卩 F）取 Ca=4.7 卩 FCa 的交流耐壓：Ucam=1.5Um=1.5 X2 <3 X20=441（V）Um 晶閘管所承受的最大電壓；選：金屬化紙介質(zhì)電容 CZJ-500-4.74.7叮 500V，3只RC吸收電路電阻Ra( Q的計(jì)算(4 2)Ra=0.17 U2L/ $ I=0.17,3 X 120/0.05 X 44.7=15.8 ( Q)取 Ra=16 Q電阻功率 PRa=(丄 $2 ) 2 Ra( 4 3)41 2=(X0.05 X4.7) X16=5.02 (W)4選：線繞電阻 RX-10-10.10Q 10 W 3只.2).交流側(cè)壓敏電阻過電壓保護(hù)(如圖 4 2)圖

15、4 2交流側(cè)壓敏電阻過電壓保護(hù)壓敏電阻額定電壓U1mA的選擇U1mA > 1.33U(4 4)式中：Um 壓敏電阻承受的額定電壓峰值(V )；U1mA > 1.332 U2L > 1.33 2 v'3 X120=391 (V)壓敏電阻通流容量IPm的選擇IPm>(2050) I2(4 5)=(2050) X44.7=8942235 (A)選用MY31-440/3型壓敏電阻；額定電壓440V，通流容量3KA , 3只，接(2)直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)采用壓敏電阻過電壓保護(hù)(如圖 4 3)圖4 3直流側(cè)壓敏電阻過電壓保護(hù)壓敏電阻額定電壓UimA的選擇UimA>

16、1.33U =1.33 X.35 X 2 X12O=3O4.8 (V)式中：Um 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 V ；壓敏電阻通流容量IPm的選擇lPm>(2050) IdN= (2050) X54.8=10962740 (A)選用MY31-330/3型壓敏電阻；額定電壓 330V，通流容量3KA , 1只(3) 晶閘管元件過電壓保護(hù)(如圖4 4)圖44晶閘管元件過電壓保護(hù)晶閘管過電壓保護(hù)通常采用RC吸收電路，該電路直接并聯(lián)在器件陽極和陰極之間, 既可吸收瞬態(tài)電壓尖峰，又可抑制電壓上升率du/dt。1) RC吸收電路電容Cs ( uF的計(jì)算Cs= (24) X10 3It(av)( uF(

17、4 6)Cs= (24) X10 3It(av) = (24) X03X50=0.1 0.2 ( uF取 Cs=0.2 uFCs 的交流耐壓：Ucsm=1.5Um=1.5 X2 v'3 X120=441(V)Um 晶閘管所承受的Um最大電壓；選：金屬化紙介質(zhì)電容 CZJ-500-0.2 ,0.2 u, 500V, 6只。2) RC吸收電路電阻Rs的計(jì)算Rs=10 30 ( Q)取 Rs=10Q電阻功率 PRS> fC(UARM/ns) 10-(4 7)式中：f 電源頻率(Hz)Uarm 臂反向工作峰值電壓（V）ns每臂串聯(lián)器件數(shù)Prs> fC（UARM/ns）210-6=5

18、0X0.2 （晶 U2/1） 2Xl0-6=50X）.2 （品 X120/1） 2x10-6=0.86 （W）選：線繞電阻 RX-10-2.10Q ,1 W ,6只。4.2整流電路的過電流保護(hù)（1）引起過流的原因當(dāng)電力電子變流器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、 出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過 高或過低、缺相等，均可引起變流器內(nèi)元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過流。 由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對變流器進(jìn) 行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。變流器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。（2）整流電路橋臂串聯(lián)快速

19、容斷器過電流保護(hù)（如圖4- 5）圖4 5整流電路橋臂串聯(lián)快速容斷器過電流保護(hù)快速容斷器的選擇原則：1）快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值。2）快速熔斷器熔體的額定電流Ir是指電流有效值，晶閘管額定電流是指通態(tài)電流 平均值。選用時(shí)要求I r <Irn W 1.57t（av）（4 7）式中：Ir 快速容斷器容體額定電流I RN -快速容斷器額定電流取 IR =I T（AV） =50（A）3）熔斷器 （安裝熔體的外殼 ）的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。 故選擇RS3-250-50型快速容斷器：額定電壓250V,額定電流50A（3）直流側(cè)過電流繼電器的選擇： 過電流繼電器的選

20、擇原則：過電流繼電器動(dòng)作電流小于或等于 1.2IN。第五章觸發(fā)電路的選擇晶閘管觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路；正弦波觸發(fā)電路；鋸齒波觸發(fā)電路；集成 觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路具有簡單、可靠，觸發(fā)脈沖前沿陡、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸 出功率小，不能很好的滿足電感性或反電動(dòng)勢負(fù)載的需要，移相范圍也受到限制。所以 只在單相與要求不高的三相晶閘管裝置中使用。正弦波同步觸發(fā)電路它的優(yōu)點(diǎn)：是整流裝置在負(fù)載連續(xù)時(shí)直流輸出電壓與控制電壓成 線性關(guān)系；能部分補(bǔ)償電源電壓波動(dòng)對輸出電壓的影響。缺點(diǎn)是：同步電壓直接受電網(wǎng) 電壓的波動(dòng)及干擾影響較大，特別是電源電壓波形畸變時(shí)，控制電壓與同步電壓波形交 點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致整

21、個(gè)裝置工作不穩(wěn)定；正弦波移相電路理論上分析移相范圍可達(dá)0°180°,實(shí)際上由于正弦波頂部平坦與控制電壓交點(diǎn)不明確而無法工作，實(shí)際移相范圍最 多只能達(dá)到0°150°。為防止各種可能出現(xiàn)的意外情況，電路中必須設(shè)置對最小控制角 amin與最小逆變角隔in限制。鋸齒波同步觸發(fā)電路，具有雙脈沖，強(qiáng)觸發(fā)的特點(diǎn)，由于同步電壓采用鋸齒波，不直 接受電網(wǎng)電壓波動(dòng)畸變的影響，移相范圍寬，克服了正弦波移相的缺點(diǎn)應(yīng)用廣泛。集成觸發(fā)電路與分立元件相比，提高了電路的可靠性和通用性，具有體積小，成本低, 調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)采用 TC787觸發(fā)電路。圖

22、5-仃C787觸發(fā)電路第六章結(jié)論電力電子技術(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。因此，電力電 子裝置的應(yīng)用也是十分重要的。本文在熟悉三相橋式全控整流電路基本原理的基礎(chǔ)上?？偨Y(jié)了一些主電路參數(shù)整定方法，討論了不同整定方案對系統(tǒng)性能的影響。以及根據(jù)參數(shù)選擇各個(gè)電路部分。第七章心得體會(huì)設(shè)計(jì)，給人以創(chuàng)作的沖動(dòng)。但凡涉及設(shè)計(jì)都是一件良好的事情， 因?yàn)樗芙o人以美 的幻想，因?yàn)樗芙o人以金般財(cái)富，因?yàn)樗芙o人以成就之感，更為現(xiàn)實(shí)的是她能給人 以成長以及成長所需的營養(yǎng)，而這種營養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。我 就是以此心態(tài)對待此次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又 必

23、然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點(diǎn)：一、溫故而知新。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不 夠扎實(shí)的我深感“書到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材 與實(shí)驗(yàn)手冊，對知識系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終 于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會(huì)了 如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。二、思路即出路。當(dāng)初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論 知識梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓 悟，沒有思路便無出路，原來思路即出路。三、在課程設(shè)計(jì)中不忘在小處創(chuàng)新，未必是創(chuàng)新技術(shù)