可逆變流裝置的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課 程 名稱電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績學(xué)生姓名、學(xué)號(hào) 黃標(biāo) 10212411322學(xué)生專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化1113指導(dǎo)教師姓名至苞課程設(shè)計(jì)起止日期2014、1、6 2014、1、10一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱可逆變流裝置的設(shè)計(jì)二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的可逆變流裝置的主電路及其控制保護(hù)電路技術(shù)要求及初始條件1 .直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為：40kw 440v, 104a , 1000 r/min,電樞電阻ra= 0.3 q,電流過載倍數(shù)入=1.5,2 .進(jìn)線交流電源：三相380v3 .性能要求：直流輸出電壓0-440

2、v,最大輸出電流156a,保證電流連續(xù)的最小電流 為10a,采用三相橋式反并聯(lián)可逆線路，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。4 .三相橋式反并聯(lián)可逆線路設(shè)計(jì)（包括整流變壓器參數(shù)計(jì)算，整流元件定額的選擇， 平波電抗器電感量的計(jì)算等），討論品閘管電路對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。5 .觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路選型（可使用集成觸發(fā)器），同步信號(hào)的定相等。6 .晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)。7 .提供系統(tǒng)電路圖紙不少于一張。三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)萬案論證（可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路 原理圖和pcb圖）3.1 主電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求使用三相橋式反并聯(lián)可逆線路，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，其線路如圖所示, 通過控制正

3、向組vrffi反向組vf的各個(gè)晶閘管的開通和關(guān)斷來控制電機(jī)使其四象限運(yùn) 行。變壓器采用a/y連接方式，從而得到零線，且可以避免 3次諧波流入電網(wǎng)。所 謂電機(jī)的四象限運(yùn)行是指以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)軸， 以電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為橫坐標(biāo) 軸建立直角坐標(biāo)系，用來描述電動(dòng)機(jī)的四種運(yùn)行狀態(tài)，即正向電動(dòng)，回饋發(fā)電制動(dòng)， 反接制動(dòng)，以及反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。四種狀態(tài)的機(jī)械特性曲線分別位于直角坐標(biāo)系的 四個(gè)象限。1tkp * a 1第一象限對(duì)應(yīng)正向電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)正向組工作于整流狀態(tài)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行, 變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖所示電動(dòng)武行正組來反姐第二象限對(duì)應(yīng)回饋制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)反向組工作于逆變狀態(tài)，電機(jī)作為

4、發(fā)電機(jī)運(yùn) 行，變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖所示。正轉(zhuǎn)逆變正組反組正組反組電動(dòng)運(yùn)行發(fā)電運(yùn)行第四象限對(duì)應(yīng)接向制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)正向組工作于逆變狀態(tài)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖3-5所示。id反轉(zhuǎn)逆變發(fā)電運(yùn)行第三象限對(duì)應(yīng)反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)， 此時(shí)反向組工作于整流狀態(tài)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn) ,變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖所示。3.2 變壓器的額定容量的計(jì)算和選擇在理想情況下，三向橋式整流電路變壓器二次側(cè)相電壓2e與最大整流直流電壓ud max 的關(guān)系是：ud max=2.34e2在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角限制的問題，因此：ud max= 2.34e2cos3 min在理

5、想情況下，ud max等于電動(dòng)機(jī)額定電壓 uvt,但實(shí)際中會(huì)受到各種影響，包括：(1)電網(wǎng)電壓波動(dòng)所造成的影響。電網(wǎng)電壓不是在所有情況下都等于標(biāo)準(zhǔn)電壓值的，而是由一定的波動(dòng)，即大部分時(shí)間內(nèi)是小于或者大于標(biāo)準(zhǔn)電壓值的。(2)(3)晶閘管的管壓降 uvt。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)其正向壓降不為零，設(shè)其為uvt。在本次使用的三相全控橋反并聯(lián)電路中總白晶閘管管壓降為2uvt(4)整流變壓器內(nèi)阻的影響。變壓器電阻也會(huì)對(duì)ud max產(chǎn)生影響。在考慮這幾種影響的情況下，ud max應(yīng)該等于電動(dòng)機(jī)額定電壓 un加上晶閘管的管壓降 2uvt , 另外考慮整流變壓器內(nèi)阻壓降及電網(wǎng)電壓波動(dòng)，通常還需要再增加(10%15%)。

6、取uvt=1v,最小逆變角 3min=30o,因此：ud max=1.1 ( un + 2uvt ) =486.2v 所以：e -dm 48gjz _22,34cos/.n 工 34*08300-由于帶有平波電抗器，所以變壓器二次側(cè)的電流波形為正負(fù)對(duì)稱的矩形波，如圖所示?？煞纸獬?基波與各次諧波。由于沒有直流分量，因此它們都可以通過變壓器的磁耦合反映到一次繞組中去。 因此21ii和的波形基本相同。變壓器二次側(cè)電流的有效值為：i2 = jj；黑 2n + ji； )2n1=84.9a 2 l 33一次側(cè)和二次容量均為s=3ei i=3e2i 2=61.1kw二次側(cè)線電壓為u2= 3e2=415.

7、7vki2 +2n 3圖3-6變壓器一次側(cè)、二次惻電流波形圖為考慮到工作負(fù)荷不會(huì)過重，并且變壓器也容許一定過載，所以選取一臺(tái)額定功率為 61kw/a/y在接，ui=380v, u2=415v, i i=95a, i 2=85a,的變壓器3.3 晶閘管的選擇流過晶閘管的電流的有效值為：zt-r = = 104-i- 3 =j3晶閘管的額定電流：心=j 5736.41.5 7晶閘管承受的最大反向電壓為:l 5= /6 x 240= 5879v晶閘管額定電流為:. = 2“3必=11758 17637(f)選擇額定電流為 a60 ,額定電流為v1500的晶閘管作為整流器件。3.4平波電抗器的選擇為了

8、保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形的連續(xù), 電動(dòng)機(jī)電樞電感控制直流電流斷續(xù)范圍， 在電樞回路中設(shè)置了平波電抗器。ls = kd = 1 ox4402x3x1000x104限制輸出電流脈動(dòng)的電感量)x10。工6xw415/領(lǐng)=1心，2x3.14x300x0.05x104所以，平波電抗器的實(shí)際電感量為 = l3f -+ 2l) = 1 l25 - (7,0 5 u 2x 0,449) = 330 山h3.5 晶閘管對(duì)電網(wǎng)和功率因數(shù)的影響l為足夠大。由于在電路中接有平波電抗器，所以負(fù)載電流時(shí)連續(xù)的，其工作時(shí)電壓和電流的波形和感性 負(fù)載類似，所以可以按照感性負(fù)載來討論功率因數(shù)。則交流側(cè)電抗為零，直流電感電流中僅含

9、6k+1（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值 的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)，基波因數(shù)為t 3 v = 急 0.955i 冗電流基波與電壓的相位差仍為a ,故位移因數(shù)仍為2t = cos 倒=c0s 儀 功率因數(shù)即為j34 =以=1 cos = coscr 0,955cos a = 0.897 i凡3.6 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.6.1 觸發(fā)電路的選型晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要 的時(shí)刻由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)該滿足下列要求：（1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)該保證晶閘管可靠導(dǎo)通。對(duì)感性和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖和 款沖列觸發(fā)，二相仝

10、控橋式變流器的觸發(fā)脈沖冠寬丁60或采.用相隔60的雙窄脈沖。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度（3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率額定，且在門極伏安特性的可靠 觸發(fā)區(qū)域內(nèi)。應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。集成電路的可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐 漸普及，在這里選用 kj系類。kj004的電路原理圖如圖4-1所示。該電路由同步檢測(cè)電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移 相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電路原理為：鋸齒波的斜率 決定于外接電阻 r& rw1流出的充電電流和積分電容c1的數(shù)值。對(duì)

11、不同的移相控制電壓vy,只有改變權(quán)電阻 r1、r2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓vp。同時(shí)調(diào)整鋸齒波斜率電位器rw1可以使不同的移相控制電壓獲得整個(gè)移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導(dǎo)通角增 大。r7和c2形成微分電路，改變 r7和 c2的值，可獲得不同的脈寬輸出。kj004的同步電壓為任意值?？煽毓枰葡嘤|發(fā)器 kj004電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖 移相觸發(fā)。電參數(shù)如下。電源電壓：直流+15v, -15v ,允許波動(dòng)土 5%（10%功能正常）。電源電流：正電流w 15ma負(fù)電流w 10ma同步電壓：任意值。同步輸入端允許最大同步電流：6ma侑效值）。移相

12、范圍： 170 （同步電壓30v,同步輸人電阻15kq）。鋸齒波幅度： 1ov（幅度以鋸齒波出現(xiàn)平頂為準(zhǔn)）。輸出脈沖： a.脈沖寬度：10 ds2ms（改變脈寬電容達(dá)到）。b.脈沖幅度：13v。 c.最大 輸出能力：kj004為100ma（流出脈沖電流）。kj004a為10ma d.輸出反壓：bvceo 18v（測(cè)試條件：lewioo a)。正負(fù)半周脈沖相位不均衡度w 3。使用環(huán)境溫度為四級(jí)：c: 070c r： -5585c e： -4085c m -55125 c kj004(kj004a)采用雙列直插16腳封裝，其引腳圖如圖kj004電路原理圖16 15 14 13 12 11 h) 9

13、kj004)2345678各個(gè)引腳功能：1、15一輸出；2、6、10空；3、4一鋸齒波形成；5-vee (1kq); 7一地；8同步輸入；9綜合比較；11、12微分阻容；13、14一封鎖調(diào)制；16- +vcckj041是六路雙脈沖形成器，其內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的六個(gè)或門。用三個(gè)kj004集成塊和一個(gè)kj041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相 全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路，如圖l5vc+ 15vo13口 1（上后腳為6腌里脈沖輸入）)kj041髀胃胃耳日（15：0腳為潞取脈沖藏出）r 1 i昌昌廣至vti到tq at號(hào) 可，期t9至vt#三相全控橋整流

14、電路的集成觸發(fā)電路本次采用兩組晶閘管反并聯(lián)組成的 a = 3工作制的有環(huán)流系統(tǒng)，它用同一個(gè)控制電壓 su去控 制兩組觸發(fā)裝置，正組觸發(fā)裝置 gtf由uc直接控制，而反組觸發(fā)裝置 gtr由-uc控制，是經(jīng)過 放大系數(shù)為-1的反向器后得到的。使 a始終與3相等，兩組晶閘管輸出電壓相等。3.6.2 觸發(fā)電路的定相向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)的頻率不是固定不變的，而是會(huì)在 允許內(nèi)有一定的波動(dòng)。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)保 證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，這就是觸發(fā)電路 的定相。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致

15、，利用一個(gè)同步變壓器，將一次側(cè)接入為主電路供電的電 網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號(hào)，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓 頻率始終是一致的。接下來就是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號(hào)的相位，以保證觸發(fā)脈沖 相位正確。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結(jié)構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié) 構(gòu)等觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號(hào)與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。 主電路電壓與同步電壓的關(guān) 系如圖所示uu.ua&c三相全控橋中主電路電壓與同步電壓關(guān)系示意圖對(duì)于晶閘管vt1 ,其陽極與交流側(cè)電壓 ua相接，可簡單表示為vt1所接主電路電壓為+ua, vt1 的觸發(fā)脈沖從0 o至180的范圍為

16、wtiwt2。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時(shí)，同步信號(hào)負(fù)半周的 起點(diǎn)對(duì)應(yīng)于鋸齒波的起點(diǎn)，通常使鋸齒波的上升段為240,上升段起始的30和終了的30線性度不好，舍去不用，使用中間的180。鋸齒波的中點(diǎn)與同步信號(hào)300位置對(duì)應(yīng)。三相橋整流器大量用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，且通常要求可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，使ud=0的觸發(fā)用為90 o當(dāng)a 90時(shí)為逆變工作。將a =90確定為鋸齒波的中點(diǎn)，鋸齒 波向前、向后各有 90的移相范圍。于是 a =90與同步電壓的300對(duì)應(yīng)，也就是a=0與同步電 壓白210對(duì)應(yīng)。對(duì)于其它五個(gè)晶閘管，也存在同樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓180。對(duì)于共陽極組的vt4、vt6和vt

17、2 ,它們的陰極分別與 ua、ub和uc相連，可得簡單表示它們的主電路電 壓分別為-ua、-ub和-uc。3.7 晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.7.1 晶閘管的過電壓保護(hù)晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時(shí)，也會(huì)被反向擊穿 而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會(huì)造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常， 且多次硬開關(guān)也會(huì)損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓 保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)如圖阻容保護(hù)電路3.7.2 晶閘管的過電流保護(hù)在整流中造成晶閘管過電流的主要原因是：電網(wǎng)電

18、壓波動(dòng)太大負(fù)載超過允許值，電路中管子 誤導(dǎo)通以及管子擊穿短路等。所以我們要設(shè)置保護(hù)措施，以避免損害管子。常見的過電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，過電流繼電器保護(hù)，限流與脈沖移相保護(hù)，直流快 速開關(guān)過電流保護(hù)?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo(hù)是最有效，使用最廣泛的一種保護(hù)措施；快速熔斷器的接法有三種：橋臂串 快熔，這是一種最直接可靠的保護(hù)；交流側(cè)快熔，直流側(cè)快熔，這兩種保護(hù)接法雖然簡單，但保 護(hù)效果不好。過電流繼電器保護(hù)中過電流繼電器開關(guān)時(shí)間長（約幾百毫秒）只有在短路電流不大時(shí)才有用。限流與脈沖移相保護(hù)電路保護(hù)比較復(fù)雜。直流快速開關(guān)過電流保護(hù)功能很好，但造價(jià)高，體積大,不宜米用?？偨Y(jié)的結(jié)果：最佳方案是選用快速熔斷器保

19、護(hù)，并采用橋臂串快熔接法，如圖所示。四、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析(分析試驗(yàn)過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問 題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法) 系統(tǒng)原理和環(huán)流分析本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為兩組晶閘管反并聯(lián)組成的a =3工作制的有環(huán)流系統(tǒng)系統(tǒng)原理a =3工作制觸發(fā)脈沖的具體實(shí)施為用一個(gè)控制電壓uc控制i、n兩組變流橋的控制角，使它們同步的向相反的方向變化。ai=a=90 ,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零；8=印 90(1)正向組進(jìn)入整流狀態(tài)，交流電源供能，電機(jī)正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行反向組雖可以有輸出電壓 ud2,但因不滿足| em| | ud2而沒有逆變電流，稱這種狀態(tài)為待逆變狀 態(tài)。(2)正向組待整流反向組輸出電壓

20、 ud,此時(shí)滿足| em| |ud2l ,所以反向組處于逆變狀態(tài)，此時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn) 行于回饋制動(dòng)狀態(tài)”1=白 90 ; “2= 31 |ud2 ,正向組處于逆變狀態(tài)，發(fā)向組處于待整 流狀態(tài)，電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，電能回送電網(wǎng)。(2)正向組輸出電壓 ud,此時(shí)不滿足| em| | ud2 ,正向組處于待逆變狀態(tài)，發(fā)向組處于 整流狀態(tài)，電機(jī)處于反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，交流電源供能環(huán)流分析電路中的環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電流。橋式電路有兩個(gè)環(huán)流回路環(huán)流一般不作有用功，環(huán)流產(chǎn)生的損耗可使電器元件發(fā)熱，甚至還會(huì)造成短路事故，因此必須設(shè) 法使變流裝置不產(chǎn)生環(huán)流。a =3配合控制的有環(huán)流可逆系

21、統(tǒng)，對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證a =3的配合控制關(guān)系，假設(shè)正組為整流，反組為逆變，即有a尸也，udi=ud2,且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。但兩組變流器的輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流。所以應(yīng)串入環(huán)流電抗器lc限制環(huán)流。一個(gè)回路要有兩只環(huán)流電抗器，因?yàn)槠渲幸恢粫?huì)流過負(fù)載電流而飽和，從而起不到抑制環(huán)流的作用。心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)的題目有一定的難度，有很多知識(shí)是上課的時(shí)候沒有學(xué)到的，需要去查閱資料 學(xué)習(xí)。本次的課程設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面。首先，對(duì)主電路所需的變壓器， 晶閘管和平波電抗器等進(jìn)行了參數(shù)的計(jì)算和選擇，在課堂上,我們學(xué)到的都是理論知識(shí)，在計(jì)算時(shí)是按照理想情況進(jìn)行的。但是，在一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中，是會(huì) 有各種各樣的影響因素需要考慮的。所以，在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)要先理清有什么影響因素，然后按 照實(shí)際的公式進(jìn)行