電力電子課程設計三相全控橋式晶閘管電動機系統(tǒng)設計

1、 武漢理工大學電力電子技術課程設計書說明書 目錄1 三相全控橋主電路設計11.1 整流變壓器設計11.1.1設計原理11.1.2 參數計算11.2 整流電路設計21.2.1 晶閘管參數計算21.2.2 晶閘管電路對電網的影響31.2.3 晶閘管電路對系統(tǒng)功率因數的影響41.3 平波電抗器的參數計算52 觸發(fā)電路設計62.1 觸發(fā)電路選擇62.2 tc787芯片介紹62.2.1 芯片介紹62.2.2管腳介紹72.3 觸發(fā)電路設計82.3.1原理說明82.3.2 同步信號的定相93 保護電路設計103.1 過電壓保護設計103.1.1 交流側過電壓保護103.1.2 直流側過電壓保護113.1.3

2、 晶閘管換相過電壓保護113.2 過電流保護設計123.3 緩沖電路設計123.3.1 抑制電路設計123.3.2 抑制電路設計12設計心得13參考文獻14附錄：三相橋式全控晶閘管-電動機系統(tǒng)設計系統(tǒng)電路總圖15三相全控橋式晶閘管-電動機系統(tǒng)設計 1 三相全控橋主電路設計 1.1 整流變壓器設計 1.1.1設計原理 由題目要求可知，供電電壓為380v市電電壓而整流電路的負載是額定電壓值為220v的直流電動機，同時題目性能要求整流輸出直流電壓為0220v，所以整流電路的輸入電壓最大值應為220v，實現380v電壓到220v的電壓可以使用合適型號的變壓器實現，本設計采用即選用合適的變壓器實現降壓。

3、而整流電路通常都是采用變壓器實現降壓，變壓器不但可以實現降壓而且還多用來作為隔離電路，由于晶閘管整流電路會對電網造成諧波污染等負面影響，所以設計電路時也需要隔離電路以減小影響，在本設計中變壓器可以減弱晶閘管整流電路對電網以及其他用電設備的干擾起到隔離作用降低晶閘管電路的負面影響。 1.1.2 參數計算 變壓器一次側電壓為380v，二次側電壓為220v，變壓器一、二次側采用連接方式，若不計變壓器的勵磁電流，則一、二次側電壓與變比關系為： 代入數值： 式中、為一、二次側線圈匝數比，、為一、二次側電壓值。 由于整流電路輸出結果并不是標準的幅值大小不變的正弦波，變壓器的電流、容量計算與電路連接形式有關

4、，不過計算變壓器容量時我們可以取220v作為有效值計算。 對于三相橋式全控電路，變壓器一、二次側采用連接方式時，接電動機負載，電路中接入平波電抗器電感足夠大以使負載電流連續(xù)，此時變壓器二次側電流為正負半周各寬、前沿相差的矩形波，其有效值為： 由已知直流電動機額定參數，則計算變壓器容量時可取 即： 一次側電流為： 故變壓器一次側容量為：變壓器二次側容量為： 故可選擇電壓器容量為：1.2 整流電路設計 1.2.1 晶閘管參數計算 由于晶閘管具有耐壓性好，經濟性好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，設計采用六個晶閘管組成三相全控整流電路，下面計算晶閘管選型時所需參數：晶閘管額定電壓與額定電流，根據性能指標要求整流電路

5、輸出最大直流電流為： 由于整流電路采用三相全控形式晶閘管有效值與的關系為： 代入數據計算得： 則晶閘管的額定電流為： 代入數值計算得： 對于整流電路采用三相全控形式晶閘管承受的最大電壓為： 故晶閘管的額定電壓為： 代入數值計算得： 根據電路要求需選用六個晶閘管組成整流電路，按照上述晶閘管參數計算選擇合適的晶閘管構成整流電路。電路圖接線大致如下：圖1 三相橋式整流主電路圖1.2.2 晶閘管電路對電網的影響 理論分析學習時我們市場將晶閘管看做理想元件，但是在實際應用中分析問題時，我們不能將其看做理想元件，其有些負面影響是我們應用時必須要考慮的。晶閘管電路對電網的影響主要表現在諧波污染和無功功率兩個

6、方面： 晶閘管要消耗無功功率，會對電網產生不利影響，主要表現為： 1.無功功率會導致電流增大和視在功率增加，導致設備容量增加。 2.無功功率增加，會導致總電流增加，從而使設備和線路的損耗增加。 3.無功功率是線路壓降增大，沖擊性無功負載還會導致電壓劇烈波動。 晶閘管會產生諧波，對公用電網產生危害，主要表現為： 1.諧波使電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災。 2.諧波影響各種電氣設備的正常工作，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。 3.諧波會引起

7、電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，會使上述1)和2)兩項的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。 4.諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表不準確。 5. 諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。 由于公用電網中的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網本身都會造成很大的危害，世界許多國家都發(fā)布了限制電網諧波的國家標準，或由權威機構制定限制諧波的規(guī)定。制定這些標準和規(guī)定的基本原則是限制諧波源注入電網的諧波電流，把電網諧波電壓控制在允許的范圍內，使接在電網中的電氣設備能免受諧波干擾而正常工作。 所以電路時一般采用相應

8、措施消除無功功率與諧波產生的不利影響，本電路采用的變壓器設備可以起到減弱諧波對電網的不利影響。1.2.3 晶閘管電路對系統(tǒng)功率因數的影響 三相橋式全控整流電路接電動勢負載時，由于設計加入平波電抗器以達到設計要求即電流連續(xù)，所以接電動機負載即電動勢負載時可以看做感性負載來計算功率因數，即交流側電抗為零，直流側電感l(wèi)為足夠大，以為例，此時電流正負半周各方波，三相電流波形相同，且依次相差，其二次側電流有效值與整流輸出電流的關系為：將電流分解為傅里葉級數，以a相為例，將電流正、負兩半波的中點作為時間零點，則有： 由上式可知電流基波與各次諧波有效值分別為： 其中， 由此可得以下結論：電流中僅含（為正整數

9、）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。 經計算可知諧波因數為： 電流基波與電壓的相位差為，故位移因數仍為： 功率因數即為：1.3 平波電抗器的參數計算在使用晶閘管整流裝置供電時，其供電電壓和電流中，含有各種諧波成份。當控制角增大，負載電流減小到一定程度時，還會產生電流斷續(xù)現象，造成對變流器特性的不利影響。當負載為直流電動機時，由于電流斷續(xù)和直流電動機的脈動，會使晶閘管導通角減小，整流器等效內阻增大，電動機的機械特性變軟，換相條件惡化，并且增加電動機的損耗。因此，除在設計變流裝置時要適當增大晶閘管和二極管的容量，選擇適于變流器供電的特殊系列的直流電動機外

10、，通常還采用在直流電路內串接平波電抗器，以限制電流的脈動分量，維持電流連續(xù)。 根據設計性能指標要求，保證電流連續(xù)的最小電流為5a，則電抗器的電感計算為： 式中：為變壓器二次側電壓有效值。 為要求連續(xù)的最小負載電流平均值。 為與整流主電路有關的計算系數。 對于不同的控制角，所需的平波電抗器的電感量計算公式為： 式中：為變壓器二次側電壓有效值取220v，由設計要求知，為與整流電路有關的計算系數，三相全控橋式電路，計算時取，代入相關參數可以計算出電路所需的最大電感值為： 整流變壓器漏電感折算到刺次級繞組每相的漏電感為： 式中：為變壓器次級相電壓有效值。 為整流電路額定輸出電流平均值。 為變壓器的短路

11、比，的變壓器。 為與整流主電路形式有關的計算系數。 本設計電路中，由設計要求知：，變壓器短路比?。?，計算系數取：，將各參數代入計算公式得： 由已知電動機參數知電樞電感為： 根據上述計算可得出平波電抗器的大致電感為： 代入各電感參數得： 選擇具體平波電抗器時應選擇電感值比上述計算得出的電感值l大的平波電抗器。2 觸發(fā)電路設計2.1 觸發(fā)電路選擇 晶閘管可控整流電路時通過控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小的，屬于相控電路。由于集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便。隨著集成電路制作技術的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，現已逐步取代分立式電路。同時傳統(tǒng)

12、的集成觸發(fā)器kj和kc系列完成六個晶閘管需要多個芯片共同才能實現，電路比較麻煩。tc787一片芯片即可以完成對六個晶閘管的觸發(fā)，所以本設計電路選用tc787集成觸發(fā)電路。2.2 tc787芯片介紹2.2.1 芯片介紹 tc787是用獨有的先進ic工藝技術，并參照最新集成移相觸發(fā)集成電路而設計的單片集成電路，它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調制電路，以構成多種交流調速和交流裝置，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點，而且裝調簡便、使用可靠。2.2.2管腳介紹 tc787管腳圖如下： 圖2 tc787管腳圖 管腳

13、說明： 1 同步電壓輸入端：引腳1、引腳2及引腳18為三相同步輸入電壓連接端。應用中，分別接經輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應不超過tc787的工作電源電壓vdd。 2 脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8、引腳10、引腳12分別為與三相同步電壓正半周對應的同相觸發(fā)脈沖輸出端，而引腳7、引腳9、引腳11分別為與三相同步電壓負半周對應的反相觸發(fā)脈沖輸出端。當tc787被設置為全控雙窄脈沖工作方式時，引腳8為與三相同步電壓中c相正半周及b相負半周對應的兩個脈沖輸出端；引腳12為與三相同步電壓中a相正半周及c相負半周對應的兩個脈沖輸出端；引腳11為與三相同步電壓中c相負半周及b相正半周對

14、應的兩個脈沖輸出端；引腳9為與三相同步電壓中a相同步電壓負半周及c相電壓正半周對應的兩個脈沖輸出端；引腳7為與三相同步電壓中b相電壓負半周及a相電壓正半周對應的兩個脈沖輸出端；引腳10為與三相同步電壓中b相正半周及a相負半周對應的兩個脈沖輸出端。應用中，均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅動開關管的控制極。 3 控制端 （1）引腳4：移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著tc787輸出脈沖的移相范圍，應用中接給定環(huán)節(jié)輸出，其電壓幅值最大為tc787的工作電源電壓vdd。 （2）引腳5：輸出脈沖禁止端。該端用來進行故障狀態(tài)下封鎖tc787的輸出，高電平有效，應用中，接保護電路的

15、輸出。 （3）引腳6：tc787工作方式設置端。當該端接高電平時，tc787輸出雙脈沖列；而當該端接低電平時，輸出單脈沖列。 （4）引腳13：該端連接的電容容量決定著tc787輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。 （5）引腳14、引腳15、引腳16：對應三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應用中分別通過一個相同容量的電容接地。 4 電源端 tc787可單電源工作，亦可雙電源工作。單電源工作時引腳3接地，而引腳17允許施加的電壓為818v。雙電源工作時，引腳3接負電源，其允許施加的電壓幅值為-4-9v，引腳17接正電源，允許施加的電壓為+

16、4+9v。2.3 觸發(fā)電路設計2.3.1原理說明 380三相交流電經過同步變壓器變壓為30v的同步信號a1，b1，c1后，經過電位器rp1，rp2，rp3及rct型網絡濾波接入到tc787的同步電壓輸入端，通過調節(jié)rp1，rp2，rp3可微調各相電壓的相位，以保證同步信號與主電路的匹配。ca，cb，cc為積分電容，tc787芯片的鋸齒波的線性、幅度由ca、cb、cc電容決定，因此，為了保證鋸齒波有良好的線性及三相鋸齒波斜率的一致性，選擇ca、cb、cc時要求其3個電容值的相對誤差要非常小，以產生的鋸齒波線性好、幅度大且不平頂為宜。ca、cb、cc為電容量的參考值為0.15。連接在13腳的電容c

17、x決定輸出脈沖的寬度，cx越大，脈沖越寬，可得到范圍的方波，不過脈沖太寬會增大驅動級的損耗。cx參考值為。調節(jié)rp可以使輸入4腳的電壓之間連續(xù)變化，從而使輸出脈沖在之間變化，腳的輸出端有大于25ma的輸出能力，采用6只驅動管擴展電流，經脈沖變壓器隔離后將脈沖接到晶閘管的控制極(g)和陰極(k)之間，以觸發(fā)晶閘管。其中，rp1rp3：10k；r1、r2、r3：200k；c1、c2、c3：10；c4、c5、c6：1；r：20k。觸發(fā)電路圖如下：圖3 tc787構成的觸發(fā)電路2.3.2 同步信號的定相 向晶閘管整流電路供電的交流側電流通常來源于電網，電網電壓的頻率不是固定不變的，而是會在允許的范圍內

18、有一定的波動。觸發(fā)電路除了應當保證工作頻率與豬電路交流電源的頻率一致外，還應保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系，這就是觸發(fā)電路的定相。 為了保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步電壓信號，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一致。接下來的問題就是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。 對于晶閘管，其陽極與交流側電壓相接，可簡單表示為所接主電路電壓為，的觸發(fā)脈沖從的范圍為。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負半周的起點對應于鋸齒波的起點，通常使鋸

19、齒波的上升段為，上升段起始的和終了的線性度不好，舍去不用，使用中間的。鋸齒波的中點與同步信號的位置對應。 三相橋整流器大量用于直流電動機調速系統(tǒng)，且通常要求可實現再生制動，使的觸發(fā)角為。當為整流電路，時為你變工作。將確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前、向后各有的移相范圍。于是與同步電壓的對應，也就是與同步電壓的對應。對應于的位置，則同步信號的與的對應，說明的同步電壓應滯后于。 對于其他五個晶閘管，也存在同樣的對應關系，即同步電壓應滯后于主電路電壓的。對于共陽極組的、和，他們的陰極分別于、和相連，可簡單表示它們的主電路電壓分別為、和。 以上分析了同步電壓與主電路的電壓關系，一旦確定了整流變壓器和同步

20、變壓器的接法，即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。本設計中變壓器采用接法，同時為了防止電網電壓波形對觸發(fā)電路發(fā)聲干擾，對同步電壓進行濾波，當濾波器滯后角為時，同步電壓選取結果如表1所示。表1 三相全控橋各晶閘管的同步電壓晶閘管主電路電壓同步電壓3 保護電路設計 3.1 過電壓保護設計 在整流電路中，電路中的電壓會有波動有時會出現比較大的暫態(tài)過電壓，這時出現的高電壓就有可能超過晶閘管的能夠正常工作的承受電壓，可能發(fā)生晶閘管被擊穿，失去控制進一步造成整流失敗，可能會對供電電路以及供電設備產生很大的不良影響，可能造成較大的經濟損失，所以在設計使用晶閘管的整流電路時一定要注意設計保護電路以使晶閘管能夠

21、安全正常的工作。通常情況下常采用三種措施抑制暫態(tài)過電壓：交流側保護，直流側保護和元器件保護3種。3.1.1 交流側過電壓保護 交流側過電壓保護一般是為了減弱電網電壓波動對整流電路由其是晶閘管的影響，主要采用變壓器二次側每相通過rc電路抑制過電壓，電容主要為吸收能量緩沖電壓沖擊，電阻主要是為了消耗能量。電容電阻值可以根據具體選定的裝置計算得出。其接線圖如圖4所示圖4 交流側保護接線示意圖3.1.2 直流側過電壓保護 應為整流電路所帶負載是直流電動機即電動勢負載，電動機有時可能會處于發(fā)電狀態(tài)產生較大過電壓，所以電路中應加入保護電路消除其產生過電壓時的不利影響，通常采用將電容電阻串聯電路與負載并聯。

22、電容值電阻值通過計算得出。如圖5所示：圖5 直流側保護接線示意圖3.1.3 晶閘管換相過電壓保護 晶閘管開關過程可能的過電壓主要為換相過電壓，全控型器件在較高頻率下工作時還存在關斷過電壓，對于換相過電壓通常采用rc過電壓抑制電路，通常形式是電阻電容串聯后與晶閘管并聯，rcd電路同樣也可以作為晶閘管換相過電壓的保護電路。電阻電容值需根據晶閘管選型計算得到。一般連接形式如圖5圖6 換相過電壓保護線路接線示意圖3.2 過電流保護設計 電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障是，可能發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。晶閘管元件承受過電流的能力也很低，若過電流數值較大而切斷電路的時間又稍長，則晶閘管元

23、件因熱容量小就會產生熱擊穿而損壞。因此必須設置過流保護，其目的在于一旦變流電路出現過電流，就把它限制在元件允許的范圍內，在晶閘管被損壞前就迅速切斷過電流，并斷開橋臂中的故障元件，以保護其它元件。通常采用快速熔斷器、直流快速斷路器和過流繼電器的措施來預防過電流的產生。本設計中采用選擇合適的快速熔斷器來實現過電流保護，快速熔斷器可根據相應的選擇原則適當選取。3.3 緩沖電路設計3.3.1 抑制電路設計處于阻斷狀態(tài)下晶閘管的結面相當于一個結電容，當加到晶閘管上的正向電壓上升率過大時，會使流過結面的充電電流過大，起了觸發(fā)電流的作用，造成晶閘管誤導通。從而引起較大稍微浪涌電流，損壞快速熔斷器或晶閘管。因

24、此對也必須予以限制，使之小于晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率。一般來自交流側或者晶閘管換相。 對于交流側產生的：對于帶有整流變壓器和交流側阻容保護的交流裝置，因變壓器漏電感和交流側rc吸收電路組成了濾波環(huán)節(jié)，使由交流電網入侵的前沿陡、幅值大的過電壓有較大衰減，并使作用于晶閘管的正向電壓上升率大為減小。在無整流變壓器供電的情況下，則應在電源輸入端串聯在數值上相當于變壓器漏感的進線電感，以抑制，同時還可以起到限制短路電流的作用。對于晶閘管換相產生的影響比較小，一般忽略不計。3.3.2 抑制電路設計晶閘管在導通的初瞬，電流主要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，然后隨著時間的增長才逐漸擴

25、大到整個陰極面。此過程需幾微秒到幾十微秒。若導通時電流上升率太大，會引起門極附近過熱，導致pn結擊穿使元件損壞。因此必須把限制在最大允許范圍內。產生過大的可能原因有：在晶閘管換相過程中相當于交流側線電壓短路，因交流側阻容保護的電容放電造成過大；晶閘管換相時因直流側整流電壓突然增高，對阻容保護電容進行充電造成過大。通常，限制的措施主要有：1、在晶閘管陽極回路串入電感。2、采用整流式阻容吸收裝置。本設計采用在晶閘管陽極回路中串入電感。電感量根據相關參數計算得出。設計心得 電能是目前使用。運輸和控制最為方便的能源，也是人類研究較為充分的一種能源。現在人們的生產生活都里不開電能，所以研究如何控制使用電

26、能使之滿足各種各樣的對電能的需要顯得尤為重要，而電力電子技術就是實現這種變換的橋梁，所以我們應該學習好電力電子理論知識，掌握如何利用這些知識解決實際問題，借助這個課程設計的機會，正好檢驗自己的理論知識的掌握程度，以及應用理論知識的能力，及時的查缺補漏提高自己的學習能力以及實踐能力。 這學期首次學習電力電子這么課程，以前學習的大多為弱電范圍，電力電子涉及強電又涉及弱電，它是一門利用弱電控制強電的技術，是弱電與強電的橋梁。設計要求看上去與書上內容很相似，實際上卻有很大的不同，書上的內容大多是理想化的知識，為了方便理解做了很多簡化，而在實際應用中很多問題都是不能簡化的，設計的每一個環(huán)節(jié)都有很多東西要注意，詳細的去了解。 通過仔細審題和思考，我發(fā)現有很多東西要做，首先要解決的問題就是變壓器的選擇，因為之前對變壓器的學習大多是理論很少涉及