電力電子課程設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：小功率晶閘管整流電路設(shè)計(jì)（ PS一個(gè)觸發(fā)電路圖 一個(gè)大圖）一、設(shè)計(jì)的目的和要求（封皮上書(shū)寫）電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是 電力電子技術(shù) 課程的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。它與理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相配合， 可加深理解和全面掌握 電力電子技術(shù)課程的基本內(nèi)容，可使學(xué)生在理論聯(lián)系實(shí)際、綜合分析、理論計(jì)算、歸納整理和實(shí)驗(yàn)研究等方面得到綜合訓(xùn)練和提高， 從而培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題和從事科學(xué)研究的初步能力。 因此，通過(guò)電力電子計(jì)術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的：）加深理解和掌握電力電子技術(shù)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力；2）培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)課程設(shè)題的需要，查閱資料和獨(dú)立解決

2、工程實(shí)際問(wèn)題的能力；3）賬務(wù)儀器的正常使用方法，和調(diào)試過(guò)程；4）培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報(bào)告的能力。設(shè)計(jì)技術(shù)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(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。3、電路應(yīng)具有一定的穩(wěn)壓功能，同時(shí)還具有較高的防治過(guò)電壓和過(guò)電流的抗干擾能力。觸發(fā)電路輸出滿足系統(tǒng)要求。4、負(fù)載為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z2-32，電機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)速Z110V1500r/25A3000r/79kg2.2kwmin1.03N? m22-min- 1 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告32目錄方案論證與選擇1.1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖1.2整流電路

3、方案一方案二方案三主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1主電路的參數(shù)計(jì)算整流變壓器電壓及容量的計(jì)算整流元件的計(jì)算電抗器參數(shù)計(jì)算晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算2.2晶閘管2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)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(hù)電路2.4觸發(fā)電路元器件清單整體設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)總結(jié)（自己寫）參考文獻(xiàn)- 2 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)方案的選擇與確定1.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖保護(hù)電路電源觸發(fā)電路整流電路負(fù)載電路1.2 整流電路方案一：?jiǎn)蜗喟氩ㄕ麟娐诽攸c(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)：對(duì)于晶閘管整流裝置在整流器功率較小時(shí)，用單相整流電路。 在單相電路中，半波電路比全波電路脈動(dòng)成分高，濾波沒(méi)有全波電路容易

4、。 雙半波整流電- 3 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)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：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐诽攸c(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)：此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，與單相橋式半控整流電路相比，無(wú)須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，應(yīng)用廣泛。變壓器二次繞組中， 正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問(wèn)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(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。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(fù)載下流過(guò)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(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告方案三：三相橋式全控整流路特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)：三相橋式整流電路， 在輸出整流電壓相同時(shí)， 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(méi)有直流分量， 利用率高。輸出整流電壓脈動(dòng)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(diǎn)是整流器件用得多， 全控橋需要六個(gè)觸發(fā)電路，需要 220V 電壓的設(shè)備也不能用 380V 電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。由于設(shè)計(jì)參數(shù)要求電動(dòng)機(jī)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(yīng)

6、選擇為三相橋式全控整流電路作為整流電路。主電路設(shè)計(jì)2.1單元電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1.1整流變壓器電壓及容量的計(jì)算 變壓器二次側(cè)相電壓 U 2 的計(jì)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(jì)算：Id=25AU1380KU2606.3- 5 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告I 11.052 / 3 I d K 3.4 AI 22 / 3I d 20.4 A變壓器容量計(jì)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(jì)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(jì)算得： I T( AV )35 .35 A電抗器參數(shù)計(jì)算為了使直流負(fù)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(guò)電抗器的電流，一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。（1）使輸出電流連續(xù)的臨界電感量L1L1 K1U 2 / I d minK10.695計(jì)算得： I d min 10 % I d2.5AL116.68mH（2）限制輸出電

8、流脈動(dòng)的電感量 L2L2 K 2 * U 2 / Si I dK 21.045, Si10%計(jì)算得： L2 25.08mH（3）電動(dòng)機(jī)電感量 LD和變壓器漏電感量 LTL DUD* 103K D2 pnID由所給負(fù)載參數(shù)： U D110V, I D25 A, n1500 r / min, 2 p 2 K D 10計(jì)算得： L D 7.33mHLT K T * U ah * U 2 / 100 I DKT3.9,U ah5 10V計(jì)算得： LT 0.748mH- 6 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（4）實(shí)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(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1）過(guò)電壓保護(hù)交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施： 采用組容保護(hù)。即在變壓器二次并聯(lián)電阻 R和電容C進(jìn)行保護(hù)，接線方式為三相變壓器二次側(cè)Y 聯(lián)結(jié)，阻容保護(hù)Y 聯(lián)結(jié)。參數(shù)計(jì)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(guò)電壓保護(hù)措施： 可采用與交流側(cè)保護(hù)相同的方法，可

10、采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù) 。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性 ，并且會(huì)造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過(guò)電壓保護(hù)。參數(shù)計(jì)算：壓敏電阻的標(biāo)稱電壓U 1 mA ，- 7 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告U 1mA(1.8 2)U DC由于 U DC110V ，則 U 1mA 2 110V 220V2）過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器簡(jiǎn)稱快熔，其斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)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(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，開(kāi)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(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)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(gòu)晶閘管是大功率器件， 工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱， 因此必須安裝散熱器。 引出陽(yáng)極 A、陰極 K 和門極（或稱柵極） G三個(gè)聯(lián)接端。內(nèi)部結(jié)構(gòu) :四層三個(gè)結(jié)。晶閘管的工作原理圖- 8 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告晶閘管的門極觸發(fā)條件（

12、1）晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不導(dǎo)通；（2）晶閘管承受正向電壓時(shí)， 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通；（3晶閘管一旦導(dǎo)通門極就失去控制作用；（4）要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下。晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)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(guò)門極只能控制其開(kāi)通， 不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。2.3 保護(hù)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)，過(guò)電流保護(hù)，du/dt 保護(hù)和 di/dt保護(hù)也是必不可少的。1）過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)，即指流過(guò)晶閘管兩端的電壓

13、值超過(guò)晶閘管在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓Um 都 稱為 過(guò) 電壓。- 9 -電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告產(chǎn)生過(guò)電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起。其中，對(duì)雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓，需在變壓器的初級(jí)側(cè)接上避雷器，以保護(hù)變壓器本身的安全； 而對(duì)突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起的過(guò)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(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程： 電源變壓器初級(jí)側(cè)突然拉閘， 使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大， 因而在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出很高的瞬時(shí)電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程：當(dāng)某一橋臂的晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)突然因果載

14、使快速熔斷器熔斷時(shí)，由于直流住電路電感中儲(chǔ)存能量的釋放， 會(huì)在電路的輸出端產(chǎn)生過(guò)電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)（ 2）過(guò)流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)， 可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流現(xiàn)象。 過(guò)電流分載和短路兩種情況。 一般電力電子均同時(shí)采用幾種過(guò)電壓保護(hù)措施， 怪提高保護(hù)的可靠性和合理性。 在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。 通常，電子電路作為第一保護(hù)措施， 快速熔斷器只作為短路時(shí)的部分區(qū)斷的保護(hù)， 直流快速斷路器在電子電力動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1、電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。2、電流容量應(yīng)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(dǎo)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(yīng)小于被保護(hù)器件的允許It 值。-10-電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告4、為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式分為全保護(hù)和短保護(hù)兩種。全保護(hù)是指無(wú)論過(guò)載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用， 此方式需與其他過(guò)電流保護(hù)措施相配合。熔斷器是最簡(jiǎn)單的過(guò)電流保護(hù)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(méi)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(guò)電流可及時(shí)熔斷起到保護(hù)作用。 最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過(guò)快熔電流和晶閘管的電流相同， 所以對(duì)元件的保護(hù)作用最好。3）電流上升率 di/dt 的抑制晶閘管初開(kāi)通時(shí)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(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開(kāi)通時(shí)電流上升率 di/dt 過(guò)大，會(huì)導(dǎo)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(yáng)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(yīng)有所限制 ,如果 dv/dt

17、 過(guò)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(shí)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(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)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(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)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(hào)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(zhǔn)確、可靠地送出脈沖。對(duì)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(gè)周期都在相同的延遲角 處觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)移相。對(duì)于不同的

18、主電路要求的移相范圍也不同。3）觸發(fā)信號(hào)應(yīng)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(shí)，觸發(fā)電路的漏電壓應(yīng)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(shí)將造成晶閘管的觸發(fā)時(shí)間不準(zhǔn)確。設(shè)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(shí)間，一般要在10s以內(nèi)為宜。6）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。一般晶閘管的開(kāi)通時(shí)間為 6s左右， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)在 6s以上，最好應(yīng)有 20

19、50s。對(duì)于電感負(fù)載，觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)加大 ，否則在脈沖終止時(shí)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(guān)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(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告由于集成 電路可靠性高，技術(shù)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(yīng)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(gè)晶閘管6 個(gè)快速熔斷器用于過(guò)流保護(hù)6 個(gè)壓敏電阻用于過(guò)壓保護(hù)（直流測(cè)）1 個(gè)

20、電阻用于過(guò)壓保護(hù)（交流測(cè)）3 個(gè)電容3 個(gè)TC787觸發(fā)電路1 個(gè)( 包括：電阻，電容，三極管等 )30 個(gè)電抗器13.6mH1 個(gè)-13-電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告整體設(shè)計(jì)思路根據(jù)設(shè)計(jì)要求和所學(xué)知識(shí)，由于數(shù)據(jù)要求電機(jī)為大功率，所以整流電路應(yīng)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(dǎo)通和關(guān)斷要求， 門極必須有觸發(fā)電流時(shí)才可以被導(dǎo)通， 所以要根據(jù)晶閘管的特性設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(diǎn)， 連接電路圖。然而保護(hù)電路也是本次設(shè)計(jì)中的重要部分，為了避免過(guò)電壓，過(guò)電流，以及避免電壓、電流上升率，在本次設(shè)計(jì)中專門設(shè)計(jì)了保護(hù)電路部分，在交流測(cè)接有阻容保護(hù)措施， 直流側(cè)并接壓敏電阻，并在每個(gè)晶閘管上