电力电子技术课程设计.docx

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电力电子技术课程设计

电力电子技术课程设计

变流器技术应用设计

专业班级:

09自动化一班

时间:

2011.12.19-2011.12.26

姓名：

学号:

0908060211

指导教师:

:

李荣生

电力电子技术课程设计任务书

课题:

晶闸管整流电路分析与设计

一设计目的

1.熟悉巩固课本所学的理论知识与实践能力.

2.学会分析电路和设计电路的基本技能.

3.了解不同变流电路的工作原理及应用.

4.培养学生查询技术资料的能力，培养学生综合运用所学理论知识和实践知识独立完成课题的工作能力.

二技术数据

某造纸机传动用直流调速系统中，采用ZZK-32型快速无补偿直流电动

机，其额定参数：

PN=30kw,UN=230V,N=136A,rh=1460r/min,磁极对数p=2.

电网电压380V若电网电压波动系数为0.95.

三设计任务

1.主电路方案确定及主电路器件选择；

2.整流变压器的额定参数选择;

3.平波电抗器选择；

4.触发电路选择;

5.保护电路设计和参数计算；

6.电路的原理分析；

7.整流变压器漏抗对电路的影响分析.

四设计说明书装订格式

1.圭寸面与目录

2.按设计任务列节次

3.参考文献

五应完成的技术资料

1.设计计算说明书一份（含任务书，指导教师评阅页，目录（章节），正文,

参考文献）；

2.绘制设计主电路原理；

3.封面格式（计算机打印课题名称）.

六设计时间及进度安排

第一天:

准备资料,设计方案确定；

第二~三天:

电路参数计算；

第四天:

电路分析；

第五天:

检查整理绘制主电路图；

其他.

七参考资料

1.吕如良等编<<电工手册>>上海科学技术出版社；

2.刘峰主编<<电力电子技术>>大连理工大学出版社；

3.天津电气传动设计研究所编著<<电气传动自动化手册>>机械工业

出版社；

4.王兆安主编<<电力电子技术>>机械工业出版社；

5.莫正康主编<<半导体变流技术>>机械工业出版社；

6.张华主编<<电类专业毕业设计指导>>机械工业出版社.

教师评阅页

主电路图5

元器件及电路选择6

主电路形式选择6

整流变压器的选择7

晶闸管选择10

平波电抗器选择10

触发电路的选择12

保护电路设计和参数计算13

工作原理及主电路16

工作原理分析16

主电路及波形如下所示19

心得体会23

UJ1HYTC

tABX--A

A-避雷器；B-接地电容;

C、一阻容保护；

D—整流式阻容保护

E、一压敏电阻

同歩变压器

trOOlN

A

trOOfX

t^oon（

<0rMq

第一章元器件及电路选择

一、主电路形式选择

整流电路包括单向半波、单向全波、单向桥式、三相半波、三相桥式等。

单相可控整流电路因其具有电路简单、投资少和制造、调试、维修方便等优点，但输出直流电压脉动大，脉动频率低，当容量较大时易造成三相电网不平衡，一般4Kw—下容量的可控整流装置应用较多。

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。

由于三相桥式全控整流电路具有变压器利用大，输出同样的整流功率，变压器计算容量小，因而变压器最经济。

本设计由于负载容量较大，故选用三相桥式全控整流电路。

为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，

晶闸管是这样编号的：

晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。

晶闸管KP1KP3KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2KP4KP6

组成共阳极组。

图1是电路接线图

Cl

R

图1三相桥式全控整流电路

二、整流变压器的选择

1、整流变压器作用：

在整流电路装置中满足负载要求的交流电压往往与电网电压不一致，为降低或减少晶闸管交流装置对电网和其他用电设备的干扰，设置变压器将晶闸管装置与电网隔离。

2、连接组别：

采用=/Y-11o

为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形避免3次谐波电流流入电网。

因此采用/Y-11接法。

3、选择原则：

整流变压器一次侧电压是电网电压，而整流变压

器参数的计算是根据负载的要求计算二次侧的相电压U2，相电流|2.

一次侧容量S,二次侧容量9。

4、参数的计算：

A、本次设计以具有大电感的直流电动机负载参数取值。

A=U^°=2.34

U2

B=仏（1、带续流二极管2、不带续流二极管）Udo

Iki

C=0.5K112=0.816K121=0.816

1d1d

=3m,=3§=1鱼=1.05§=1.051.05

S2SdR

B、二次侧电压U2

（1）、U2值的大小首先要保证满足负载所要求的最大平均Ud

（2）、导通时晶闸管并非理想的开关器件，有一定的管压降。

用UvT表示。

（3）、变压器漏抗的存在导致晶闸管整流装置在换相过程中产生

换相压降△Ux表示

（4）、当晶闸管整流装置对直流电动机供电时，为改善电动机的

性能，保证流过电动机的电流连续平滑，串接足够大的平波电抗器。

平波电抗器具有一定的直流电阻，所以电流流过该电阻时会产生一定的压降，用时还需要考虑电动机电枢电阻的压降用Up表示。

考虑到以上几点，在选择变压器二次侧电压值时，应当取

比较理想情况下满足负载要求的Ud要求的U2稍大的值。

理想情况下其输出直流电压Ud与变压器次级相电压U2之间的关系可用下式表示：

Ud=2.34U2cos：

在实际运行中，整流变压器输出平均电压还受下列因数影响：

电源电压波动：

若电源电压允许波动范围为+5%^-10%,令e为电网电压波动系数，且e为e=0.95。

根据推导得变压器二次侧相电压U2的精确表达式为：

UdnsUTZU

实际U2%

23~海一穌鬻-2・3化肆海

22020.80.55

05

2.340.95cos25°-1.51.17-

100

=116.13V

可取U^110V。

变压器变比

K旦丄二型旳45

U2I1110

Ud为负载电动机的额定电机的额定电压。

c计算I1,

忽略变压器激磁电流的情况下，根据变压器的磁势平衡方程写出一

次侧和二次侧电流的关系式为：

I1N1二I2N2

I1

N2

N1

I2=0.816ld=0.816lN=0.816136A=111A

I2111

「1.05—-1.0534A

K3.45

S^^3U2I^3110111=36.63kVA

S=3U1h=338034=38.76kVA

1」1」

SS1S238.7636.63=37.70kVA

22

（I1,I2为一次二次电流；N1，N2为变压器一次侧二次侧绕组的匝数，

k为变压器的变比；匕1,k12分别为电流的波形系数；m,m2为变压器

一次侧，二次侧绕组的相数。

）

三、晶闸管选择

晶闸管是一种既有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。

它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点。

有时操作不当会造成晶闸管损坏，因此选择合适的晶闸管参数非常必要。

晶闸管参数的计算：

（1）晶闸管的电压定额Utn。

晶闸管正、反向重复峰值电压为,6U2，即

Um=6U2=269.44V

取UTn=（2~3）um二538.8V~808.3V

取800V。

（2）晶闸管通态平均电流唁。

晶闸管通过电流有效值为&」N-=136=78.5A

v33<3

晶闸管通态平均电流Itb应取为iTa=：

1.5~2应75A~100.1A

1.57

取100A。

所以选择晶闸管型号为KP100-&

四、平波电抗器选择

在使用晶闸管整流装置供电时，供电电压和电流中含有各种谐波成分。

当控制角a增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对电流器特性的不利影响。

当负载为直流电动机时，电流断续和直流脉动还会使晶闸管导通角0减小，整流器等效内阻增

大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且还会增加电动机的

损耗。

因此，为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变

流器供电的特殊系列的直流电动机外，常在直流侧使用平波电抗器以限制电流的脉动分量，维持电流连续。

电抗器的主要参数：

流过电抗器的电流和电抗器的电感量。

前者往往是给定的，无须计算，下面对直流侧串接的平波电抗器电感量进行计算。

（1）电动机电枢电感Ld:

Ld=Kd

Ud

2PnNID

103mH]=8

3

23010

221460136

2.32mH

式中，对于快速无补偿直流电动机,Kd=8

Ud-电动机额定电压（V）；

Id-电动机额定电流（A）；

nN-电动机额定转速（r/min）；

P-电动机的磁极对数；

（2）求变压器漏电抗。

Uk%土（mH）=3.950.16mH

100Id100136A

式中，kTL的值由查表可得为3.9;

Uk%（变压器的短路比，100KV以下取5,100kv~1000kv取5~10;

6（变压器二次侧相电压有效值）V;

Id（晶闸管装置直流侧的额定负载电流）A。

（3）求限制输出电流脉动的电感量Lm-。

Lma=Lm-LdLt]=6.87-2.320.16[=4.39mH

式中，皿（最低谐波频率的电压幅值与交流侧相电压之比）取0.8;

U2

fd（输出电流的最低频率谐波频率）（Hz）取300；

Si=M（电流脉动系数一般小于5%~10%），取5%。

Id

（4）使输出电流连续的临界电感量Li：

。

U2

L|a=L1-LdLt=k1--LDLT

1dmin

110

=0.6932.32-0.16

5%如36

-8.73mH

式中，k1取0.693。

平波电抗器的额定电流为1.1136-149.6A，1.1为安全系数。

根据以上计算，故取其较大者，即电抗器电感量应大于8mH，且为铁心气隙可调的摆动电抗器。

五、触发电路的选择

为了保证电路合闸后能工作或在电流断续后继续工作，电路必须有两个晶闸管同时导通。

对将要导通的晶闸管施加触发脉冲，有以下两种方法可供选择。

1.单宽脉冲触发。

2.双窄脉冲触发。

60

双窄脉冲的作用同单宽脉冲的作用是一样的。

二者都是每隔

度按1至6的顺序输送触发脉冲，还可以在触发一只晶闸管的同时触

发另一只晶闸管导通。

双窄脉冲虽复杂，但脉冲变压器铁心体积小、

触发装置的输出功率小，所以被广泛采用。

该电路需要三个互差120°，且与主电路三个相电压Uu、Uv、Uw同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器。

但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1W。

这样小的变压器很难买到，可用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并接成./Y-11，即可获得与主电路

二次侧相电压同步的三个电压Usa、Usb、Usc。

按电路要求，同步电压取30V，因一次侧直接与电网相接，每相绕组电压为380V，考虑制造方便，功率的裕量留大一些。

这里选用三相全控桥整流电路的集成六脉冲触发器实用电路，如图所

示：

“

+15V

Hnu

nr

六、保护电路设计和参数计算

（一）、过电压保护：

晶闸管的过载能力差，不论承受的是正向电压还是反向电压，很短时间的过电压就可能导致其损坏。

凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压都算过电压，虽然选择晶闸管时留有安全裕量，但仍需针对晶闸管的工作条件采取适当的保护措施，确保整流装置正常运彳亍。

对于过电压保护包括交流侧、直流侧、元件保护。

1.交流侧保护

电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通©在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容保护。

由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压上升的水平。

电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。

串联的电阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振荡。

可供选择的保护电路如图所示:

III

图过电压保护方法及配置位置

A—避雷器；B—接地电容；C、G—阻容保护；

»整流式阻容保护；E、H—压敏电阻；F—换相过电压保护；

（1）交流侧阻容保护元件参数的计算与整流器的容量有关。

阻容吸收装置中，G（pF）的计算公式为：

1©210.02如11

C1Kgl217320：

1.35」F

3fsU2i350110、.3

R的阻值（0）计算公式为：

U2l11W3小

R1^3Kg221=30.1743.77'.1

gI20.02111

R的功率（W）计算公式为：

R=（Kg3©22R=（0.25x0.02X11fx43.77=13.5W

以上各式中，U2I为变压器次级空载线电压1103V；I2为变压器次级线电流111A：

fs为电源频率50HZ；Kg1、Kg2、Kg3为计算系数，对三相桥式电路，分别为17320、0.17、0.25；•为变压器励磁电流对

额度电流的标么值，一般取0.02〜0.05。

阻容吸收电路采用三角形接法，电容值G二C2二C3=1.35吓，电阻值R二R2二R3二451。

（2）直流侧阻容保护及参数计算。

阻容吸收装置中，Cd（pF）的计算公式为

©I002^385

Cd=121244虽=1212440.62折

fdUam65050.6

Rd的阻值（'-1）计算公式为

Rd=0.058=0.05850635.11」

lam0.023.85

Uam、lam可根据表3-1得到

因此，取Cd=0.65尸,Rd=35"。

（二）、过电流保护：

当流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，称为过电流。

产生过电流的原因有：

直流侧短路；生产机械过载；可逆系统中产生换流或逆变失败；电路中管子误导通及管子击穿短路等。

电路中有过电流产生时，如无保护措施，晶闸管会因过热而损坏。

因此要采取过电流保护，把过电流消除掉，使晶闸管不会损坏。

常用的过电流保护有以下几种方式：

（1）、在交流进线中串接电抗器或采用漏电抗较大的变压器是限制短路电流、保护晶闸管的有效措施，但它在负载上有电压降。

（2）、在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号区控制触发

器，使触发脉冲快速后移或瞬时停止使晶闸管关断，从而抑制过电流。

（3）交流侧经过电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在过电流时动作，自动断开输入端。

（4）、对于大、中容量的设备及经常逆变的情况，可用直流快速开关作直流侧过载或短路保护，当出现严重过载或短路电流时，要求快速开关比快速熔断器先动作，尽量避免快速熔断器熔断。

（5）、快速熔断器是最简单有效的过电流保护元件。

第二章工作原理及主电路

（一）工作原理分析：

在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是a。

由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。

很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。

为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是

1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：

晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。

KP1KP3KP5

KP4KP6KP2

图1三相桥式全控整流电路

晶闸管KP1、KP3KP5组

成共阴极组，而晶闸管KP2KP4

KP6组成共阳极组。

为了搞清楚a变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析a=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。

图1是电路接线图。

为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见图2）。

在第

（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。

这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。

变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。

加在负载上的整流电压为

Ud二Ua-Ub二Uab

Udi

o-*i■

01

:

|«[]>|

'T'（I）：

（2）1（3）；（4）1（5）|（6）b

A■11：

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1:

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图2三相桥式整流电路的触发脉冲

U2

abcab

经过60°后进入第

（2）段时期。

这时a相电位仍然最高，晶闸管KP1继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。

这时电流由a相流出经KP1、负载、KP2流回电源c相。

变压器a、c两相工作。

这时a相电流为正，C相电流为负。

在负载上的电压为：

5=Ua~Uc二Uac再经过60°,进入第（3）段时期。

这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3电流即从a相换到b札c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。

此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为Ud=U^Uc=Ubc

其余相依此类推

由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出:

1.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，

而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。

2.三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，

所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP1、KP3和KP5依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。

对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP2KP4

和KP6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。

3.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触

发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。

4.三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上

一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：

1-2-3

f4—5—6—1,依次下去。

相邻两脉冲的相位差是60°。

5.由于电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。

为了达到这个目的，可以采取两种办法；一种是使每个脉冲的宽度大于60°（必须小于120°）,—般取80°〜100°,称为宽脉冲触发。

另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地代替大于

60°的宽脉冲。

这种方法称双脉冲触发。

6.整流输出的电压，也就是负载上的电压。

整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头Uab、Ua「Ubc、Uba、Uca、Ucb均为线电压的一部分，是上述线电压的包络线。

相电压

的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自

然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控的整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6X50=300赫，比三相半波时大一倍。

7.晶闸管所承受的电压。

三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。

例如在第

（1）段时期，KP1和KP6导通，此时KP3和KP4,承受反向线电压Uba二Ub-Ua。

KP2承受反向线电压Ubc二Ub-Uc。

KP5承受反向线电压Uca二Uc-Ua。

晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。

当a从

零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。

（二）、主电路及波形如下所示：

主电路图如下：

R

图1三相桥式全控整流电路

波形图如下:

依靠改变触发角：

的相控整流装置的输入电流通常是非正弦的，本

设计采用三相桥式相控整流电路，以此为例，大电感负载时，网侧交流电流ii为正负对称的120°矩形波，设负载电流为I。

，以u相为例,

ii的波形如图1所示

图1三相全控聚流电路

3》＞町的网#1电SC波形5相〉

以函数式表示为:

ME[（26+牙+tr）*（2fcrr++白）]

咖€[（（2左+「庆十专十<1）,（（2用+1）布+誓*世）]

皿€[2br,（2Jbr+专+

r十卷+a）]

式中k=0J,2•…若将坐标原点右移-：

则:

胡€[2冷，（2尿+晋）〕唳€（（2*+1）^»（（2i+l）ff+^1

[（2检■+警）卜（2由+1）^]U[（（2k+l）ir+（21+2）fr]

式中k=0,1,2••…

周期函数iiwt可进行傅立叶级数展开：

£（锂）二心+工ansinrwuF+bBcQ^ntvi

11=4工-11

如=£I；（"曲

代入上式计算得:

f”（m>=-^-（sinorf+YuinSorf+4r&iii7（H（+7；sinH

?

rjf111j1i

]j

+-打%vue硕-+cuu5tU十*uOsVtut-+Ctfell汰+召COsl3创-吉Cusl'/ttiC+"*）

结论：

网侧电流除基波成分外，还含有5,7,11,13,17等高次

谐波，其值与谐波次数幅成反比，因此，三相桥式全控整流电路相当

于一个包含高次谐波的电流谐波源。

心得体会

电力电子技术课程是电气自动化、机电一体化及相关专业的一门专业基础课、主干课、必修课。

是应用于电力领域的电子技术，具有应用范围广、实用性强等特点。

通过电力电子技术课程的学习，掌握各种电力电子变流装置的电路结构、基本原理、控制方法、设计计算等、为后续的课程设计、毕业设计和专业课打下坚实的基础知识。

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