電力電子課程設計

1、電力電子技術課程設計報告題目：小功率晶閘管整流電路設計（ PS一個觸發(fā)電路圖 一個大圖）一、設計的目的和要求（封皮上書寫）電力電子技術的課程設計是 電力電子技術 課程的一個重要的實踐教學環(huán)節(jié)。它與理論教學和實踐教學相配合， 可加深理解和全面掌握 電力電子技術課程的基本內(nèi)容，可使學生在理論聯(lián)系實際、綜合分析、理論計算、歸納整理和實驗研究等方面得到綜合訓練和提高， 從而培養(yǎng)學生具有獨立解決實際問題和從事科學研究的初步能力。 因此，通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的：）加深理解和掌握電力電子技術課程的基礎知識，提高學生綜合運用所學知識的能力；2）培養(yǎng)學生根據(jù)課程設題的需要，查閱資料和獨立解決

2、工程實際問題的能力；3）賬務儀器的正常使用方法，和調(diào)試過程；4）培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術報告的能力。設計技術數(shù)據(jù)及要求：1、 380V 交流供電電源；2、電路輸出的直流電壓和電流的技術指標滿足系統(tǒng)要求。3、電路應具有一定的穩(wěn)壓功能，同時還具有較高的防治過電壓和過電流的抗干擾能力。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。4、負載為并勵直流電動機，型號為Z2-32，電機參數(shù)為：型額定額定額定最高額定功率電壓轉(zhuǎn)速電流飛輪力矩質(zhì)量號轉(zhuǎn)速Z110V1500r/25A3000r/79kg2.2kwmin1.03N? m22-min- 1 -電力電子技術課程設計報告32目錄方案論證與選擇1.1系統(tǒng)總設計框圖1.2整流電路

3、方案一方案二方案三主電路的設計與參數(shù)計算2.1主電路的參數(shù)計算整流變壓器電壓及容量的計算整流元件的計算電抗器參數(shù)計算晶閘管保護環(huán)節(jié)的設計與計算2.2晶閘管2.2.1晶閘管的結(jié)構2.2.2晶閘管的工作原理圖2.2.3晶閘管的門極觸發(fā)條件2.3保護電路2.4觸發(fā)電路元器件清單整體設計思路設計總結(jié)（自己寫）參考文獻- 2 -電力電子技術課程設計報告課程設計方案的選擇與確定1.1 系統(tǒng)總設計框圖保護電路電源觸發(fā)電路整流電路負載電路1.2 整流電路方案一：單相半波整流電路特點及優(yōu)缺點：對于晶閘管整流裝置在整流器功率較小時，用單相整流電路。 在單相電路中，半波電路比全波電路脈動成分高，濾波沒有全波電路容易

4、。 雙半波整流電- 3 -電力電子技術課程設計報告路由于使用的整流器件少，在電壓不高的小功率電路中也可被采用。方案二：單相橋式全控整流電路特點及優(yōu)缺點：此電路對每個導電回路進行控制，與單相橋式半控整流電路相比，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應用廣泛。變壓器二次繞組中， 正負兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點。單相全控橋式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2

5、倍，在相同的負載下流過晶閘管的平均電流減小一半，且功率因數(shù)提高了一半。- 4 -電力電子技術課程設計報告方案三：三相橋式全控整流路特點及優(yōu)缺點：三相橋式整流電路， 在輸出整流電壓相同時， 電源相電壓可較零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求， 變壓器二次繞組電流中沒有直流分量， 利用率高。輸出整流電壓脈動小， 所以平波電抗器容量就可以小一些。三相橋式整流電路的缺點是整流器件用得多， 全控橋需要六個觸發(fā)電路，需要 220V 電壓的設備也不能用 380V 電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。由于設計參數(shù)要求電動機的額定功率為 4.0W，功率較大，所以綜合比較各種整流電路性能可知，應

6、選擇為三相橋式全控整流電路作為整流電路。主電路設計2.1單元電路的設計與參數(shù)計算2.1.1整流變壓器電壓及容量的計算 變壓器二次側(cè)相電壓 U 2 的計算： U 2(1.2 1.5)U d / A根據(jù)查表三相全控橋 A=2.34，U2取60V=56.4-70.5V 二次側(cè)相電流 I 2 和一次側(cè)相電流 I 1 的計算：Id=25AU1380KU2606.3- 5 -電力電子技術課程設計報告I 11.052 / 3 I d K 3.4 AI 22 / 3I d 20.4 A變壓器容量計算： m1m23S1=m1*U1*I1=3*380*3.4=3876VAS2=m2*U2*I2=3*60*20,4

7、=3672VAS=(S1+S2)/2=3774VA整流元件的計算 晶閘管額定電壓：U TN(2 3) U TM778V 晶閘管的額定電流I T(AV) (1.5 2) * 1/ 2 I d計算得： I T( AV )35 .35 A電抗器參數(shù)計算為了使直流負載得到平滑的直流電流 ，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 Ld，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流，一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。（1）使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L1L1 K1U 2 / I d minK10.695計算得： I d min 10 % I d2.5AL116.68mH（2）限制輸出電

8、流脈動的電感量 L2L2 K 2 * U 2 / Si I dK 21.045, Si10%計算得： L2 25.08mH（3）電動機電感量 LD和變壓器漏電感量 LTL DUD* 103K D2 pnID由所給負載參數(shù)： U D110V, I D25 A, n1500 r / min, 2 p 2 K D 10計算得： L D 7.33mHLT K T * U ah * U 2 / 100 I DKT3.9,U ah5 10V計算得： LT 0.748mH- 6 -電力電子技術課程設計報告（4）實際串入電抗器電感量N=2LLLD1L1(LDNLT )7.854mHD2L2(LDNLT )16

9、.3mHD1LD2故選用 16.3mH 作為串入半波電抗器的電感值。晶閘管保護環(huán)節(jié)的設計與計算1）過電壓保護交流側(cè)過電壓保護措施： 采用組容保護。即在變壓器二次并聯(lián)電阻 R和電容C進行保護，接線方式為三相變壓器二次側(cè)Y 聯(lián)結(jié)，阻容保護Y 聯(lián)結(jié)。參數(shù)計算：由于 S 3774VAI em10A,U 260VU ah5 10VC6 I em * S / U 2262.9F電容 C耐壓 1.5U m127.27Vumu2VV2 d110155.6RU 22U ah2 .22.3I emSI c2 f cU c 1.0 106R2RP (3 4)I直流側(cè)過電壓保護措施： 可采用與交流側(cè)保護相同的方法，可

10、采用阻容保護和壓敏電阻保護 。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性 ，并且會造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。參數(shù)計算：壓敏電阻的標稱電壓U 1 mA ，- 7 -電力電子技術課程設計報告U 1mA(1.8 2)U DC由于 U DC110V ，則 U 1mA 2 110V 220V2）過電流保護快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。I T I d / 314.43AIT(AV)18.38A,1.57 I T (AV ) 28.8 A14.43I FU18.38A

11、2.2晶閘管晶閘管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SCR），開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代; 20 世紀 80 年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代。 能承受的電壓和電流容量最高， 工作可靠，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領域，成為功率低頻（ 200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型- 普通晶閘管。晶閘管的結(jié)構晶閘管是大功率器件， 工作時產(chǎn)生大量的熱， 因此必須安裝散熱器。 引出陽極 A、陰極 K 和門極（或稱柵極） G三個聯(lián)接端。內(nèi)部結(jié)構 :四層三個結(jié)。晶閘管的工作原理圖- 8 -電力電子技術課程設計報告晶閘管的門極觸發(fā)條件（

12、1）晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不導通；（2）晶閘管承受正向電壓時， 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導通；（3晶閘管一旦導通門極就失去控制作用；（4）要使晶閘管關斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅(qū)動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通， 不能控制其關斷，晶閘管才被稱為半控型器件。2.3 保護電路在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護，過電流保護，du/dt 保護和 di/dt保護也是必不可少的。1）過壓保護過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓

13、值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um 都 稱為 過 電壓。- 9 -電力電子技術課程設計報告產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護變壓器本身的安全； 而對突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上。交流側(cè)過電壓保護過電壓產(chǎn)生過程： 電源變壓器初級側(cè)突然拉閘， 使變壓器的勵磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時間內(nèi)變化很大， 因而在變壓器的次級感應出很高的瞬時電壓。保護方法：阻容保護直流側(cè)過電壓保護過電壓產(chǎn)生過程：當某一橋臂的晶閘管在導通狀態(tài)突然因果載

14、使快速熔斷器熔斷時，由于直流住電路電感中儲存能量的釋放， 會在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。保護方法：阻容保護（ 2）過流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時， 可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。 過電流分載和短路兩種情況。 一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護措施， 怪提高保護的可靠性和合理性。 在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調(diào)。 通常，電子電路作為第一保護措施， 快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護， 直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器在過載時動作。在選擇快熔時應考慮：1、電壓等級應根據(jù)快熔熔斷后實際承受的電壓來確定。2、電流容量應按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。

15、快熔一般與電力半導體體器件串聯(lián)連接， 在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3、快熔的 It 值應小于被保護器件的允許It 值。-10-電力電子技術課程設計報告4、為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用， 此方式需與其他過電流保護措施相配合。熔斷器是最簡單的過電流保護元件， 但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷， 快速熔斷器有較好的快速熔斷

16、特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作用。 最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同， 所以對元件的保護作用最好。3）電流上升率 di/dt 的抑制晶閘管初開通時電流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，然后以 0.1mm/s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率 di/dt 過大，會導致 PN 結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如圖所示 :串聯(lián)電感抑制回路（ 4）電壓上升率 dv/dt 的抑制加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt 也應有所限制 ,如果 dv/dt

17、 過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流， 該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制 dv/dt 的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián) R-C 阻容吸收回路。-11-電力電子技術課程設計報告如圖所示：2.4 觸發(fā)電路（電路圖）晶閘管的門極電壓又叫觸發(fā)電壓，產(chǎn)生觸發(fā)信號的電路叫觸發(fā)電路。觸發(fā)電路性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準確、可靠地送出脈沖。對觸發(fā)電路的基本要求是：1）觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個周期都在相同的延遲角 處觸發(fā)導通晶閘管。2）觸發(fā)脈沖應能在一定的范圍內(nèi)移相。對于不同的

18、主電路要求的移相范圍也不同。3）觸發(fā)信號應有足夠的功率（電壓與電流）。為使所有合格的器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓 UGT與觸發(fā)電流 IGT 。4）不該觸發(fā)時，觸發(fā)電路的漏電壓應小于 0.15 0.2V，以防誤觸發(fā)。5）觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時將造成晶閘管的觸發(fā)時間不準確。設脈沖的幅值為 Um， 脈沖前沿是指由 0.1Um上升到 0.9Um所需要的時間，一般要在10s以內(nèi)為宜。6）觸發(fā)脈沖應有一定的寬度。一般晶閘管的開通時間為 6s左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應在 6s以上，最好應有 20

19、50s。對于電感負載，觸發(fā)脈沖的寬度應加大 ，否則在脈沖終止時主電路電流還上升不到晶閘管的擎住電流，則晶閘管又重新關斷。常用的觸發(fā)電路形式有： 阻容移相橋觸發(fā)電路， 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路， 同步電壓為正弦波或鋸齒波的觸發(fā)電路，集成觸發(fā)電路。-12-電力電子技術課程設計報告由于集成 電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。所以在此選用集成觸發(fā)電路。由于整流電路選擇了三相橋式全控整流電路，所以觸發(fā)電路選用主要應用在三相電路中的TC787。元器件清單元器件備注數(shù)量整流變壓器變比為 3，容量至少為 9636vA1 個晶閘管6 個快速熔斷器用于過流保護6 個壓敏電阻用于過壓保護（直流測）1 個

20、電阻用于過壓保護（交流測）3 個電容3 個TC787觸發(fā)電路1 個( 包括：電阻，電容，三極管等 )30 個電抗器13.6mH1 個-13-電力電子技術課程設計報告整體設計思路根據(jù)設計要求和所學知識，由于數(shù)據(jù)要求電機為大功率，所以整流電路應該選用三相電路， 根據(jù)性能比較， 最終確定為三相橋式全控整流電路。 由于晶閘管的導通和關斷要求， 門極必須有觸發(fā)電流時才可以被導通， 所以要根據(jù)晶閘管的特性設計觸發(fā)電路。 由于整流電路已經(jīng)選用三相電路， 所以根據(jù)整流電路的特點，我們選擇 TC787觸發(fā)電路，主要用于三相晶閘管移相觸發(fā)電路。根據(jù) TC787各引腳的功能和特點， 連接電路圖。然而保護電路也是本次設計中的重要部分，為了避免過電壓，過電流，以及避免電壓、電流上升率，在本次設計中專門設計了保護電路部分，在交流測接有阻容保護措施， 直流側(cè)并接壓敏電阻，并在每個晶閘管上