電力電子課程設計可調(diào)直流穩(wěn)壓電源

合肥師范學院2012屆本科生王天文課程設計電力電子技術(shù)課程設計(2012屆)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設計院系電子信息工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化姓名王天文日期2014年12月18目錄TOC\o"1-3"\h\u13437一、設計目的 115911二、設計任務及要求 2181312.1設計任務 2208682.2設計要求 216967三、主要技術(shù)參數(shù) 21693.1整流變壓器的選擇 225473.2晶閘管的選擇 3321173.3平波電抗器的選擇 47866四、設計內(nèi)容 424914.1主電路的設計 4219454.2主電路原理說明 577884.3保護電路的設計 883043.1晶閘管的保護電路 9236043.2交流側(cè)保護電路 91802642.3直流側(cè)阻容保護電路 107206五、設計體會 1117128附錄 119967電路圖 1116739波形圖 12設計目的1、把從電力電子技術(shù)及其它先修課程（電工基礎、電子技術(shù)、電機學等）中所學到的理論和實踐知識，在課程設計實踐中全面綜合的加以運用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實踐技能密切結(jié)合起來。2、初步樹立起正確的設計思想，掌握一般電力電子電路設計的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨立設計的能力，訓練設計構(gòu)思和創(chuàng)新能力。3、培養(yǎng)具有查閱參考文獻和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟悉地應用相關手冊、圖表、國家標準，為今后成為一名合格的電氣工程技術(shù)人員進行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓練。設計任務及要求2.1設計任務設計主電路及電氣控制電路，主電路為三相橋式全控整流電路；2.2設計要求裝置輸入電源為三相UL=380V工頻交流電源，輸入電壓為220VAC，輸出直流電壓的變化范圍為0～24V。繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點電壓、電流及元器件(晶閘管等)兩端電壓波形（匯總繪制，注意對應關系）；主要技術(shù)參數(shù)3.1整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為：（公式1）變比為：（公式2﹚變壓器一次和二次側(cè)的相電流計算公式為：﹙公式3﹚﹙公式4﹚而在三相橋式全控中﹙公式5﹚﹙公式6﹚所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級容量為：﹙公式7﹚變壓器初級容量為：﹙公式8﹚變壓器容量為：﹙公式9﹚即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法，；次級繞組星形接法，，；容量選擇為9.46989kW。3.2晶閘管的選擇⑴晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值﹙公式10﹚故橋臂的工作電壓幅值為：﹙公式11﹚考慮裕量，則額定電壓為：﹙公式12﹚⑵晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為：﹙公式13﹚考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：﹙公式14﹚3.3平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動和保證最小負載電流時電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載系統(tǒng)，有：﹙公式15﹚其中，（單位為mH）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當負載電流降至20A時電流仍連續(xù)。所以取20A。所以有：﹙公式16﹚設計內(nèi)容4.1主電路的設計其原理圖如圖所示習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。4.2主電路原理說明整流電路的負載為帶反電動勢的阻感負載。假設將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當于晶閘管觸發(fā)角α=0o時的情況。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如下圖所示。α=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud=ud1－ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最?。ㄘ摰米疃啵┑南嚯妷海敵稣麟妷簎d為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡線。由于負載端接得有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感對電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時，在其兩端產(chǎn)生感應電動勢Li，它的極性事阻止電流變化的。當電流增加時，它的極性阻止電流增加，當電流減小時，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無窮大時趨于一條平直的直線。為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為60o，如下圖所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。三相橋式全控整流電路電阻負載α=0o時晶閘管工作情況時段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中

導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中

導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub

=uabua-uc

=uacub-uc

=ubcub-ua

=ubauc-ua

=ucauc-ub

=ucb下圖給出了α=30o時的波形。從ωt1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與α＝0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30o,組成

ud

的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流

ia

的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負值。由以上分析可見，當α≤60o時，ud波形均連續(xù)，對于帶大電感的反電動勢，id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當α＞60o時，如α＝90o時電阻負載情況下的工作波形如下圖所示，ud平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使得ud的值出現(xiàn)負值，當電感足夠大時，ud中正負面積基本相等，ud平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的α角的移相范圍為90度。4.3保護電路的設計為了保護設備安全，必須設置保護電路。保護電路包括過電流與過電流保護，大致可以分為兩種情況：一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。本例中設計的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護方案，分別對晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進行保護設電路的設計。43.1晶閘管的保護電路⑴、晶閘管的過電流保護：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護措施。對于晶閘管初開通時引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感進行抑制；對于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負載回路接地時可以采用接入快速熔短器進行保護。如下圖所示：⑵、晶閘管的過電壓保護：晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流。當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過恢復電流的電感會因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如下圖所示：43.2交流側(cè)保護電路晶閘管設備在運行過程中會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進行過電壓保護，可采用如下圖所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護電路。整流電路正常工作時，保護三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng)、放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復到正常值。42.3直流側(cè)阻容保護電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在下圖中，當快速熔斷器熔斷或直流快速開關切斷時，因直流側(cè)電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關（或熔斷器）切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能