晶閘管直流穩(wěn)壓電源畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 摘要 晶閘管直流穩(wěn)壓電源是通過(guò)整流橋把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的向負(fù)載直接供電的裝置。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保證有較高的轉(zhuǎn)化效率和輸出的直流電壓保持穩(wěn)定。本文介紹了以晶閘管組成三相橋式整流電路，用KJ004和KJ041組成的觸發(fā)電路的晶閘管直流穩(wěn)壓電源。該電源大大提高了電流的轉(zhuǎn)換效率和電壓的穩(wěn)定性，在一定程度上解決了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問(wèn)題，從而提高了系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。本文研究電源從主電路入手，分析了三相橋整流器的輸出特性和其所需要的觸發(fā)脈沖的特性，確定了主電路和觸發(fā)電路。從輸出電壓穩(wěn)定性方面入手增加了電壓調(diào)節(jié)器電流調(diào)解器和濾波電路等輔助電路。從保護(hù)晶閘管元件方面入手增加了電壓電流保護(hù)電路等輔

2、助電路。 本文涉及的電源能夠從10V-100V連續(xù)可調(diào)，有較大的調(diào)壓范圍，在擾動(dòng)的情況下也能夠輸出較穩(wěn)定的電壓，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)和生活需要。關(guān)鍵詞：晶閘管可控硅整流電路；觸發(fā)電路；穩(wěn)壓電源AbstractThe thyristor current voltage-stabilized source is an AC-DC converter. Which changes AC to DC by Full Bridge converter .Its designed key point is the higher transformed effciency and the output DC vol

3、tage maintentance is stable . This article introduces a voltage-stabilized source .Which trigger converters is composes with KJ004 and KC41C and its three phase Full bridge controlled rectifier is discomposed with thyristor .This power source greatly enhances the current transformed efficiency and t

4、he outputVoltage-stabily,has solved the existing system existence problem in the certain degree, and thus enhances the whole systems performance characteristic. This article studies the power to obtain from the main circuit ,analyzes the trigger pulse characteristic which the three phase bridge rect

5、ifier input level and its needed to determine the main circuit and the triggert circuit .Obtained from the output voltage stable aspectincreased auxiliary circuit ,voltage regulator ,current regulator and flitter circuit and so on .Obtained from the protection crystal thyratron part aspect,increated

6、 the voltage electric protection circuit and so on .This powers output voltage can move from 10V to 100V ,has a wider accent to press the scope, its output voltage is stabilized when the perturbation in the situation .This power can satisfy the production and the life need.Keywords: Thyristor Full-b

7、ridge controlled rectifier ;Trigger Converter ;Voltage-stabilized source .目錄摘要1第一章 緒論31.1 可控整流31.2逆變與變頻41.3交流調(diào)壓41.4直流斬波調(diào)壓41.5無(wú)觸點(diǎn)功率靜態(tài)開(kāi)關(guān)4第二章主電路的設(shè)計(jì)62.1整流晶閘管和三相橋62.1.1晶閘管特性62.1.2定量計(jì)算922 整流變壓器的設(shè)計(jì)102.2.1整流變壓器參數(shù)計(jì)算102.2.2 整流變壓器的結(jié)構(gòu)計(jì)算112.3 晶閘管的選用132.4濾波電路14第三章 保護(hù)電路1531過(guò)電壓保護(hù)15311 過(guò)電壓產(chǎn)生原因及分類(lèi)15312 過(guò)電壓保護(hù)措施1632 過(guò)電

8、流保護(hù)18321 快速熔斷器保護(hù)183.3 保護(hù)電路的計(jì)算193.3.1交流側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路計(jì)算193.3.2晶閘管保護(hù)計(jì)算20第四章 控制電路2141 控制電路的分析214.1.1電流互感器及整流部分214.1.2 電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器224.2控制電路的設(shè)計(jì)計(jì)算244.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)244.2.2電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算254.2.3電壓反饋計(jì)算264.2.4電流反饋計(jì)算26第五章 晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)2751觸發(fā)電路的要求2752 集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路28521 KC04、KC41C織成的三相集成觸發(fā)電路28522 KC41C六路雙脈沖形成器28謝語(yǔ)32參考資料3

9、3第一章 緒論 晶閘管全稱(chēng)為晶體閘流管，是一種功率半導(dǎo)體器件。由于它具有容量大、效率高、控制特性好、壽命長(zhǎng)以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此，自60年代以來(lái)，獲得了迅猛發(fā)展以晶閘管為主體的一系列功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用技術(shù)已形成獨(dú)立的電力電子學(xué)科。目前由傳感電子信息電子和電力電子三部分組成的大電子技術(shù)的概念，已被科技界正式接受。 電力半導(dǎo)體器件是一系列固態(tài)高電壓大電流開(kāi)關(guān)器件，其應(yīng)用技術(shù)的基本功能是對(duì)電能的整流、逆變、斬被、變頻、開(kāi)關(guān)等的控制。它是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的主要接口，是弱電控制和被控強(qiáng)電之間的橋梁。從節(jié)能的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，電力電子技術(shù)被譽(yù)為80年代的新電氣技術(shù)。我國(guó)的能源利用率較低，按國(guó)民生產(chǎn)單產(chǎn)能耗

10、計(jì)算，是法國(guó)的498倍、日本的443倍、印度的1、65倍，因此，迅速生產(chǎn)與使用功率半導(dǎo)體3器件是當(dāng)務(wù)之急。 我國(guó)在近20年來(lái)，晶閘管制造與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，目前已能大規(guī)模生產(chǎn)各種類(lèi)型的晶閘管元件，單個(gè)元件容量已達(dá)電壓4000V以上、電流2000A以上，派生的晶閘管元件如雙向、快速、可關(guān)斷、逆導(dǎo)等品種均有供應(yīng)，其它如大功率晶體管(GTR)、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣門(mén)極晶體管(IGBT）等也正在積極開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。 晶閘管元件在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和民用方面的應(yīng)用，按其變換功能，大致可分為下列五個(gè)方面。1.1 可控整流 晶閘管組成的整流器可以在交流電壓不變的情況下，方便地改變直流輸出電壓的大小，即可控整流。所以可

11、控整流是實(shí)現(xiàn)交流到可變直硫之間的變換。晶閘管可控整流已取代直流發(fā)電機(jī)組用作直流拖動(dòng)調(diào)速裝置，廣泛用于機(jī)床、軋鋼、造紙、紡織、電解電鍍、光電、勵(lì)磁等領(lǐng)域。1.2逆變與變頻 利用晶閘管特性，將直流變換成交流的過(guò)程稱(chēng)為逆變。如果把直流電變換成50Hz的交流電并將直流電能反饋給交流電網(wǎng)，這種逆變稱(chēng)為有源逆變，主要用于線(xiàn)繞式電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速與直流高壓輸電。把電網(wǎng)的交流電變換成頻率與大小可調(diào)的交流電稱(chēng)為變頻。變頻電源主要用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、中頻加熱熔煉、不停電電源等，這是很有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域。1.3交流調(diào)壓 利用晶閘管的開(kāi)關(guān)特性代替老式的接觸調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器和電抗器調(diào)壓，用晶閘管實(shí)現(xiàn)交流到可變交流之

12、間的變換稱(chēng)為交流調(diào)壓其主要用于燈光亮度控制、溫度控制以及交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速等。1.4直流斬波調(diào)壓利用品閘管作直流開(kāi)關(guān)， 控制晶閘管的通斷比和通斷頻率，將固定的直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓稱(chēng)為斬波調(diào)壓又稱(chēng)脈沖調(diào)壓。其主要用于采用直流電源的車(chē)輛凋速傳動(dòng)，如城市電車(chē)、電氣機(jī)車(chē)、電瓶搬運(yùn)車(chē)和鏟車(chē)以及開(kāi)關(guān)直流電源等。1.5無(wú)觸點(diǎn)功率靜態(tài)開(kāi)關(guān)晶閘管作為功率開(kāi)關(guān)元件代替接觸器與繼電器用于操作頻率與開(kāi)關(guān)頻率高的場(chǎng)合。如軋機(jī)的輥道傳動(dòng)、機(jī)床頻繁的正反轉(zhuǎn)、高精度溫度控制等，其工作頻率有時(shí)高達(dá)每小時(shí)15003000次，一般電磁接觸器工作一星期就達(dá)到正常使用壽命而損壞。而晶閘管無(wú)觸點(diǎn)功率開(kāi)關(guān)具有無(wú)聲、無(wú)火花、開(kāi)關(guān)頻

13、率高、電磁干擾小以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，雖然一次投資較大，但使用可靠、維護(hù)方便，因此應(yīng)用日益廣泛，在易燃易爆等特殊場(chǎng)合，采用晶閘管功率開(kāi)關(guān)更為適合。晶閘管組成的變流裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：(I)裝置功率放大倍數(shù)大，可達(dá)106以上，與直流發(fā)電機(jī)組相比，要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。(2)快速響應(yīng)好，變流機(jī)組為秒級(jí)而晶閘管為毫秒級(jí)。(3)功耗低、效率高，節(jié)能效果顯著。(4)它是靜止式電子裝置，體積小，重量經(jīng)，無(wú)噪聲，無(wú)火花磨損，維護(hù)方便，可靠性高。缺點(diǎn)：(1)晶閘管元件的電壓電流過(guò)載能力差，必須設(shè)置可靠的保護(hù)措施。(2)晶閘管采用移相觸發(fā)時(shí)，出現(xiàn)非正弦電壓與電流，使電網(wǎng)波形畸變產(chǎn)生高次諧波導(dǎo)致電網(wǎng)質(zhì)量下降。(3)移相控制在控

14、制角大時(shí)，功率因數(shù)低。以上不足隨著元件質(zhì)量的提高、保護(hù)措施的成熟以及電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)，正在逐步被克服。電力半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)椋?1)進(jìn)一步提高晶閘管器件的性能，除普通晶閘管向高電壓大電流發(fā)展外，還大力研制生產(chǎn)特殊的晶閘管，如雙向、可關(guān)斷、逆導(dǎo)、場(chǎng)控、光控晶閘管等。(2)功率器件由單個(gè)結(jié)構(gòu)向模塊結(jié)構(gòu)發(fā)展，即由幾個(gè)功率器件芯片組成一個(gè)模塊，縮小體積，減少連線(xiàn)，以方便使用。(3)近幾年國(guó)際上已發(fā)展了功率集成電路(PLC)，功能上含有邏輯、控制、功率保護(hù)以及傳感與測(cè)量等部分，更進(jìn)一步的則含有微機(jī)控制部分。 (4)新型功率器件發(fā)展迅速。晶閘管與大功率晶體管一類(lèi)是靠門(mén)極(基極)的電流變化來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的

15、工作的，目前已出現(xiàn)靠電場(chǎng)來(lái)改變基區(qū)中空間電荷層的寬度的器件，以便控制電流通道的夾斷或打開(kāi)，這類(lèi)器件有靜電感應(yīng)晶體管(SIT)和靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）。另一類(lèi)是靠電場(chǎng)來(lái)改變溝道的導(dǎo)電類(lèi)型使器件開(kāi)關(guān)，這類(lèi)器件有功率MOS管（VDMOS)和絕緣門(mén)極晶體管(IGBT)。這兩類(lèi)器件已完全進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。本文主要介紹以晶閘管為整流原器件的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。包括晶閘管元件可控整流主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì)及過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要著重物理概念與基本分析方法，要理論聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，做到元件、電路、應(yīng)用三方面相結(jié)合。要特別注意各種電路的波形與相位分析，從波形分析中進(jìn)一步理解電路

16、工作情況，同時(shí)要注意讀圖與分析線(xiàn)路能力的培養(yǎng)。由于本設(shè)計(jì)實(shí)踐性很強(qiáng)，要特別重視動(dòng)手能力的鍛煉，提高接線(xiàn)、測(cè)量、調(diào)整以及故障分析的能力。本設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富，涉及高等數(shù)學(xué)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電機(jī)與拖動(dòng)等課程的知識(shí)，需要學(xué)習(xí)時(shí)復(fù)習(xí)相關(guān)課程與進(jìn)行蹤合運(yùn)用。第二章主電路的設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì)包括整流變壓器設(shè)計(jì)、晶閘管的選用、整流方式的選用以及濾波電路的設(shè)計(jì)。其主要構(gòu)造如圖2-1。圖2-12.1整流晶閘管和三相橋2.1.1晶閘管特性本設(shè)計(jì)整流元件使用晶閘管，它有下列特性：1)晶閘管的導(dǎo)通條件：在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加正向電壓，同時(shí)在它的門(mén)極和陰極間也加正向電壓 ，兩者缺一不可。 2)晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極即失左控制作用

17、，因此門(mén)極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過(guò)程稱(chēng)為觸發(fā)導(dǎo)通。門(mén)極觸發(fā)電流一般只有幾十毫安到幾百毫安而晶閘管導(dǎo)通后，可以通過(guò)幾百、幾千安的電流o3)晶閘管的關(guān)斷條件：使流過(guò)晶閘管的陽(yáng)極電流小于維持電流。維持電流是保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。圖2-1為三相橋式全控整流電路，它可以看作是一組共陰接法和另一組共陽(yáng)接法的三相半波可控整流電路申聯(lián)而成的。共陰組、在正半周導(dǎo)電， 圖2-2 三相橋式全控整流電路多用于直流電動(dòng)機(jī)或要求實(shí)現(xiàn)有源逆變的負(fù)載。為使時(shí)及時(shí)三相橋式整流電路輸出波形圖2-3負(fù)載電流連續(xù)平滑，有利于直流電動(dòng)換向及減小火花，以改善電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，流經(jīng)變壓器的電流為正向電流；

18、共陽(yáng)組、 在負(fù)半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的電流為反向電流（如圖2-3）。變壓器每相繞組在正負(fù)半周都有電流流過(guò)，因此 變壓器繞組中沒(méi)有直流磁通勢(shì)，同時(shí)也提高了變壓器繞組的利用率。一被要串入電感量足夠大的平波電抗器Ld，這樣就等同于含有反電動(dòng)勢(shì)的大電感負(fù)載。圖2-2是三相橋式全控整流電路在和及時(shí)的波形圖。 2.1.2定量計(jì)算1整流輸出電壓平均值Ud 對(duì)于大電感負(fù)載，在oa90。范圍，負(fù)載電流連續(xù)，晶間管導(dǎo)通角均為。輸出整流電壓Ud波形連續(xù)，整流輸出電壓平均值為：式中：變壓器二次測(cè)得電壓有效值。2.負(fù)載電流平均值Id為： Id=式中 E直流電動(dòng)機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)；回路總電阻，它包括電摳繞組電阻、平波電抗器及整

19、流變壓器等效內(nèi)阻等。3整流變壓器二次側(cè)繞組電流有效值為：由于波形是方波(見(jiàn)圖2-2中矩波形)，而且一周內(nèi)有三分之二時(shí)間在工作，所以，二次側(cè)繞組(指星形接法)電流有效值為： =4.流過(guò)晶閘管的電流平均值、有效值和晶閘管承受的最高電壓 由于流過(guò)晶閘管的電流是方波，一周期內(nèi)每管僅導(dǎo)通三分之一時(shí)間，所以，流過(guò)晶閘管的電流平均值和有效值分別為：品閘管兩端承受的最高電壓與三相半波一樣，為線(xiàn)電壓的最大值，即： 綜上所述，三相橋式全控整流電路輸出電壓脈動(dòng)小，脈動(dòng)頻率高，基波頻率為300Hz，在負(fù)載要求相同的直流電壓下，晶閘管承受的最大正反向電壓將比三相半波減小一半，變壓器的容量也較小，同時(shí)三相電流平衡，無(wú)須中

20、線(xiàn)，適用于大功率高電壓可變直流電源的負(fù)載。但電路須用六只晶閘管，觸發(fā)電路也較復(fù)雜，所以一般只用于要求能進(jìn)行有源逆變的負(fù)載，或中大容量要求可逆調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。對(duì)一般電阻性負(fù)載，或不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)等，可采用三相半控橋整流電路。22 整流變壓器的設(shè)計(jì)因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求直流輸出10100V/10A可調(diào)穩(wěn)壓直流電,而交流側(cè)為380伏電壓，直接整流不能滿(mǎn)足需要電壓，故在主電路的設(shè)計(jì)中需要整流變壓器。鑒于三相橋式整流方式的廣泛性與使用性，本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路. 2.2.1整流變壓器參數(shù)計(jì)算 計(jì)算整流變壓器參數(shù)的計(jì)算主要是根據(jù)負(fù)載要求的直流電壓、電流選定主電路的形式，進(jìn)而計(jì)算出二次電壓、二次電流和一

21、次電流，最后確定一二次容量和計(jì)算容量。計(jì)算整流變壓器的二次相電壓要考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)和最小控制角。按規(guī)定電網(wǎng)電壓允許波動(dòng)為+5%10%。在電網(wǎng)電壓最低時(shí)要保證負(fù)載所需要的最大電壓。通常電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)。對(duì)于要求輸出的直流電壓保持恒定的整流裝置，在交流電網(wǎng)電壓降低時(shí)，則必須減小控制角以保證輸出的直流電壓不變。因此不能按計(jì)算。另外在可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)中由于需要對(duì)逆變角加以限制。故取。所以在計(jì)算時(shí)需考慮此問(wèn)題。本設(shè)計(jì)僅僅用于整流。取。此處=。已知輸出電壓10100V/10A直流，一次側(cè)電壓380V交流。根據(jù)三相橋式整流計(jì)算公式可以得到：為了便于設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的 前提下，取=50V。二次測(cè)電流：容量計(jì)算

22、；由變壓器性質(zhì)可知：則有A，取1.1A。變壓器的容量是相數(shù)、相電壓有效值、相電流有效值三者的乘積。因此二次側(cè)容量VAVA VA2.2.2 整流變壓器的結(jié)構(gòu)計(jì)算鐵心有效面積：式中為變壓器的初級(jí)功率，為比例系數(shù)，與初級(jí)功率大小有關(guān)，其關(guān)系如表（2-1） 510 1050 50100 100500 21.75 1.751.51.51.351.351.25而變壓器初級(jí)功率：W根據(jù)表（1-1）取=1.3，則：=計(jì)算繞組匝數(shù)計(jì)算一次側(cè)繞組每伏匝數(shù)：計(jì)算二次側(cè)繞組每伏匝數(shù)：計(jì)算一次繞組匝數(shù)：計(jì)算二冊(cè)側(cè)匝數(shù)： 其中：f:電源頻率（Hz） S:鐵心有效截面積（） B：鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度（Gs），對(duì)冷軋硅鋼片取140

23、0016000Gs，此處取16000Gs :電壓調(diào)整率。見(jiàn)表（2-2）表（2-2） P（VA）3050 50100 100250 250500 5 3 2.5 2計(jì)算繞組線(xiàn)徑一次繞組線(xiàn)徑計(jì)算：二次繞組線(xiàn)徑計(jì)算：2.3 晶閘管的選用 晶閘管的額定電流的有效值可以根據(jù)通態(tài)電流定義。求出兩者關(guān)系為。此式表明：額定電流為10A的晶閘管能通過(guò)晶閘管的實(shí)際電流歐效值15.7A。根據(jù)便流裝置的形式、負(fù)載平均電流、晶閘管導(dǎo)通角，可以求出通過(guò)晶閘管得實(shí)際電流有效值?？紤]到晶閘管的過(guò)載能力差，在選擇晶閘管的額定電流時(shí)取實(shí)際需要值的1.52倍，使之有一定的安全裕量，保證晶閘管可靠運(yùn)行。額定電壓取實(shí)際需要要值的23倍

24、。根據(jù)有效值相等的原則，通常按下式計(jì)算晶閘管的額定電流：=(1.52)=(1.52)=7.810.39(A),取10A晶閘管的額定電壓: .取400V.2.4濾波電路實(shí)際應(yīng)用的整流器會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流流入電網(wǎng)，導(dǎo)致供電電壓畸變，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。對(duì)此，可以采用多種積聚方法。其中，LC濾波器出現(xiàn)最早，雖然出現(xiàn)一些較難克服的缺點(diǎn)，但因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資較少，運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，因此至今仍是應(yīng)用最多的方法。本設(shè)計(jì)利用六脈波整流器整流。整流器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流流入交流電網(wǎng)側(cè)。當(dāng)整流器工作在理想條件下，其產(chǎn)生的諧波為特征諧波。整流器的特征諧波次數(shù)取決于其脈波數(shù)。6脈波整流器的特

25、征諧波次數(shù)為6k1(k=1,2,3,.). LC濾波器也稱(chēng)為無(wú)源濾波器，由電容器和電抗器組成。本設(shè)計(jì)的LC濾波器中，電抗器串聯(lián)于主電路輸出端，電容器并聯(lián)于主電路輸出端，其參數(shù)計(jì)算如下。L C濾波器：LC= 式中 m 整流器相數(shù)，三相全波整流時(shí) m=6。 f 電源頻率（Hz）,f =50 Hz 。 L 濾波電感量（H）。 C 濾波電容量（）。 則計(jì)算得 LC=1.13L的設(shè)計(jì)與計(jì)算： 本設(shè)計(jì)中濾波電感L的鐵心已經(jīng)給出，其面積為=3.25。輸出電流為I=10A，磁密B=8000（線(xiàn)性），線(xiàn)圈匝數(shù)為N=51，氣隙為： =0.8mm L= = =1.33 mH由于已知LC=1.13，且L=1.33mH

26、。則電容C的計(jì)算值為： C=850 本設(shè)計(jì)取電容C=1000。第三章 保護(hù)電路 在電力電子電路中，為確保變流電路正常工作，除了適當(dāng)選擇電力電子器件參數(shù)、設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路外，還要采用必要的保護(hù)措施，即過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)等，如圖3-1圖3-131過(guò)電壓保護(hù) 311 過(guò)電壓產(chǎn)生原因及分類(lèi) 過(guò)電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)能量來(lái)不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來(lái)積聚的電磁能量不能及時(shí)消散而造成的。 過(guò)電壓主要表現(xiàn)為兩種類(lèi)型：一是開(kāi)關(guān)的開(kāi)、閉引起的沖擊過(guò)電壓(也稱(chēng)為操作過(guò)電壓)；二是雷擊或其他外來(lái)沖擊過(guò)電壓，電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓還可分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓

27、兩類(lèi)，外因過(guò)電壓主要來(lái)白雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括： 1)操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過(guò)電壓會(huì)由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過(guò)來(lái)。 2)雷擊過(guò)電壓：由于雷擊引起的過(guò)電壓。 內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括： 1)換相過(guò)電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過(guò)，使殘存的載流子恢復(fù)。而當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會(huì)因?yàn)榫€(xiàn)路電感而在晶閘管陰陽(yáng)極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。其值與換

28、相結(jié)束后的反向電壓有關(guān)，反向電壓越高，則過(guò)電壓值越大，可達(dá)到工作電壓峰值的56倍。 2)關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線(xiàn)路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。312 過(guò)電壓保護(hù)措施 (1)操作過(guò)電壓的保護(hù) 針對(duì)形成過(guò)電壓的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如減少過(guò)電壓源，使過(guò)電壓幅值衰減；抑制過(guò)電壓能量上升的速率，延緩已產(chǎn)生的能量消散速度，并增加其消散的途徑；采用電子線(xiàn)路進(jìn)行保護(hù)最常用的是在回路中接人吸收能量的元件，稱(chēng)吸收回路或緩沖回路。 圖3-2所示的阻容元件是用于吸收晶閘管關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓，圖中電容c起主要的吸收尖峰過(guò)電壓能量的作用，為了防止諧振電壓

29、，在電容回路中串人阻尼電阻R。圖3-2 晶閘管的保護(hù) 抑制過(guò)電壓的RC吸收回路在交流側(cè)的幾種不同接法如圖3-3所示。交流側(cè)阻容吸收電路的幾種接法：a）單相聯(lián)接 b）三相星形聯(lián)接 c）三相三角形聯(lián)接 d）三相整流聯(lián)接 圖3-3交流側(cè)阻容吸收電路圖a） 圖b）圖c） 圖d）(2)浪涌(雷擊）過(guò)電壓的保護(hù) 上述阻客吸收電路的時(shí)間常數(shù)是固定的，有時(shí)對(duì)雷擊或從電網(wǎng)竄入的時(shí)間短、峰值高、能量大的過(guò)電樂(lè)來(lái)不及放電，抑制過(guò)電壓的效果較差，需壓要在變流裝置的進(jìn)、出線(xiàn)端并接壓敏電阻等非線(xiàn)件元件。 壓敏電阻是以氧化鋅為基體的金屬氧化物非線(xiàn)性電阻，其結(jié)構(gòu)為兩個(gè)電極電極之間填充有氧化鉍等品粒界層。在正常電壓作用下晶粒界

30、層至高阻態(tài)，僅有小于l00uA的漏電流；過(guò)電壓時(shí)引起電子雪崩，品粒界層迅速變成低阻抗使電流迅速增大，而泄漏能量抑制過(guò)電壓，起到保護(hù)晶閘管的作用。壓敏電阻具有如圖3-4所示的伏安特性。 圖3-5 壓敏電阻的應(yīng)用 32 過(guò)電流保護(hù) 由于電力電子器件管芯體積小、熱容量小，特別是在高電壓、大電流應(yīng)用時(shí)，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，當(dāng)晶閘管中流過(guò)大于額定位的電流時(shí)，熱量來(lái)不及散發(fā)使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒毀。 產(chǎn)生過(guò)電流的原因有多種多樣，如變流裝置本身功率器件損壞、驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障、控制系統(tǒng)發(fā)生故障：交流電壓過(guò)高、過(guò)低或者缺相；負(fù)載過(guò)載或短路及相鄰設(shè)備故障影響等，都是導(dǎo)致電力電子器件過(guò)電流的因素。

31、 過(guò)電流保護(hù)方法較常用的有以下幾種： 321 快速熔斷器保護(hù) 快速熔斷器保護(hù)是最簡(jiǎn)單有效的過(guò)電流保護(hù)元件?？焖偃蹟嗥鞯娜垠w是由銀質(zhì)熔絲理于石英砂內(nèi)。它與普通熔斷器相比，具有快速熔斷的特性，在通常的短路過(guò)電流時(shí)，熔斷時(shí)間小于20ms可在晶閘管損壞之前快熔，切斷短路故障?？焖偃蹟嗥鞯氖褂靡话阌袌D3-6 c所示的三種接法，其中在橋臂中串接熔斷器的保護(hù)效果最好，但使用的熔斷器較多。圖3-6所示，在直流側(cè)接一只熔斷器，它只能保護(hù)負(fù)載的故障情況，當(dāng)晶閘管本身短路時(shí)則無(wú)法起保護(hù)作用。 3.3 保護(hù)電路的計(jì)算3.3.1交流側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路計(jì)算若為Y型接法，電容值的計(jì)算公式如下： %式中 S 變壓器單

32、相容量，即S=413 W 。 整流變壓器副邊電壓，即 =50 V 。% 變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，本設(shè)計(jì)取%=10 。計(jì)算得 610=9.8 若為型接法，則 =3.3 本設(shè)計(jì)的阻容吸收保護(hù)采取型接法，故電容=3.3 。電容耐壓1.5 （是正常工作時(shí)，阻容兩端交流電壓有效值，=）。 即 1.5=1.550=106 V取電容耐壓=110 V 。電阻值的計(jì)算是根據(jù)允許的衰減振蕩，計(jì)算公式為： 式中 為變壓器短路電壓比，本設(shè)計(jì)取 =5 。 為變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，本設(shè)計(jì)取 =10 。則 2.3 =10 而阻容吸收為型接法時(shí)，=3=30 。R C正常工作時(shí)，電流、電壓有效值為、 ： =2 =23.14503

33、.350 =0.9 A注意：以RC電路星形聯(lián)結(jié)為依據(jù)，當(dāng)RC作三角聯(lián)結(jié)時(shí)，電容C取星形聯(lián)結(jié)計(jì)算值的1/3，而電阻Ra取星形聯(lián)結(jié)計(jì)算的3倍。3.3.2晶閘管保護(hù)計(jì)算在晶閘管的陰極和陽(yáng)極兩端并聯(lián)阻容元件，可以用于吸收晶閘管關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓，其中電容起主要的吸收尖峰過(guò)電壓能量的作用，為了防止諧振電壓，在電容回路中串人阻尼電阻 =7.36*14.72*F），取0.1取10第四章 控制電路 控制電路采用雙閉環(huán)控制，將電流和轉(zhuǎn)速分開(kāi)調(diào)節(jié)的辦法，即在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電流和電壓，系統(tǒng)購(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，即以電壓調(diào)節(jié) AUR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)

34、器ACR的輸出作為晶閘管觸發(fā)器AT的控制電壓，從而調(diào)節(jié)品問(wèn)管變流器的整流電壓Ud，這樣，兩種調(diào)節(jié)作用就能互相配合、相輔相成了。從系統(tǒng)的反饋線(xiàn)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)電壓調(diào)節(jié)環(huán)在外面，是外環(huán)。這就形成電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)圖如圖4-1圖4-1 電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖41 控制電路的分析4.1.1電流互感器及整流部分  電力系統(tǒng)中廣泛采用的是電磁式電流互感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電流互感器)，它的工作原理和變壓器相似。    電流互感器的特點(diǎn)是： (1)一次線(xiàn)圈串聯(lián)在電路中，并且匝數(shù)很少，因此，一

35、次線(xiàn)圈中的電流完全取決于被測(cè)電路的負(fù)荷電流而與二次電流無(wú)關(guān)；(2)電流互感器二次線(xiàn)圈所接儀表和繼電器的電流線(xiàn)圈阻抗都很小，所以正常情況下，電流互感器在近于短路狀態(tài)下運(yùn)行。 電流互感器一、二次額定電流之比，稱(chēng)為電流互感器的額定互感比：kn=I1n/I2n。    因?yàn)橐淮尉€(xiàn)圈額定電流I1n己標(biāo)準(zhǔn)化，二次線(xiàn)圈額定電流I2n統(tǒng)一為5(1或0.5)安，所以電流互感器額定互感比亦已標(biāo)準(zhǔn)化。kn還可以近似地表示為互感器一、二次線(xiàn)圈的匝數(shù)比，即knkN=N1/N2式中N1、N2為一、二線(xiàn)圈的匝數(shù)。本設(shè)計(jì)二次線(xiàn)圈額定電流為5A。整流部分用二極管作為整流器件，采用三相橋式整流電路。

36、二極管最大承受電壓為：為了留有安全裕量選用二極管的電壓為400V/1W。電路中RP1觸頭上所分電壓為反饋電壓，同時(shí)為了工作安全，在反饋信號(hào)上接上過(guò)流保護(hù)。其原理如圖4-2。LM339為電壓比較器，同向輸入端為反饋電壓，反響輸入端為電壓給定10V，若反饋電壓高于給定電壓，LM339輸出高電平，使常開(kāi)繼電器閉合封鎖電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器被強(qiáng)行鉗位，停止輸出。同時(shí)為了防止在常開(kāi)繼電器瞬間不能完成閉合動(dòng)作，在電流反饋路線(xiàn)中增加常閉繼電器，使得一旦出現(xiàn)過(guò)流，電流反饋斷開(kāi)，保證了器件的安全。 4.1.2 電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖如圖4-2，電壓調(diào)節(jié)器的給定為015V可調(diào)，為了保證給頂電壓的穩(wěn)

37、定，本設(shè)計(jì)中將所有電源通過(guò)兩個(gè)電容濾波。在實(shí)際硬件連接中，電源只給出一對(duì)，其它用到此電源的地方都由同一處接出?？刂齐娐返脑诒驹O(shè)計(jì)采用內(nèi)限幅。當(dāng)電壓超過(guò)限幅值時(shí)，二極管導(dǎo)通，將幅值鉗位至二極管的導(dǎo)通電壓，約0.7V，這樣可以用于限制過(guò)高輸入信號(hào)以保護(hù)運(yùn)算放大器。電壓調(diào)節(jié)器的中心元件采用LF353運(yùn)放器，調(diào)節(jié)用PI調(diào)節(jié)。電壓調(diào)節(jié)器AUR輸人為電壓給定信號(hào)以及電壓反饋信號(hào)，后者來(lái)自整流電路輸出端的電位器RP3以形成電壓負(fù)反饋控制。調(diào)節(jié)電位器RP3的分壓觸頭位置，就可以改變反饋電壓。 電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入，一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出，亦就是電流環(huán)的給定電壓Ui*；另個(gè)是電梳反饋電壓Ui，取晶闡管變

38、流器交流側(cè)電流經(jīng)互感器TA轉(zhuǎn)換并整流得到的反饋電壓Ui。實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋控制。調(diào)行RP1的分壓觸頭位置，就可以整定電摳電流I與反饋電壓Ui之間的比例系數(shù)，即電流反饋系數(shù)Ki。電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和電壓調(diào)節(jié)器基本相同見(jiàn)圖4-2，但兩者反饋信號(hào)來(lái)源不同。4-2雙閉環(huán)控制電路圖 4.2控制電路的設(shè)計(jì)計(jì)算 如4-2圖所示，控制部分分為電流調(diào)節(jié)，電流反饋，電壓調(diào)節(jié)、電壓反饋?zhàn)o(hù)四個(gè)部分。根據(jù)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，后設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器。4.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 已知電源輸出為100V/10A，相當(dāng)于接10的負(fù)載。即： 晶閘管整流裝置采用三相橋式電路，則晶閘管放大系數(shù)。電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，AUR輸出

39、限幅值10V，最大電壓給定10V，動(dòng)態(tài)超調(diào)電流5%，系統(tǒng)回路電阻取0.5，時(shí)間常數(shù)，過(guò)載系數(shù)k=1.5。電流反饋系數(shù)。三相橋式整流電路波頭間隔時(shí)間是3.33ms（見(jiàn)表4-1），為了基本濾平波頭，應(yīng)有（）。故取電流濾波時(shí)間常數(shù)為0.002s。 表4-1 整流電路失控時(shí)間（f=50Hz）整流方式最大失控時(shí)間平均失控時(shí)間三相橋式 333ms167ms 由于晶閘管整流裝置采用三相橋式電路，則q=6。于是有： 則 ACR的比例系數(shù)：計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻與電容 一般運(yùn)放放大器輸入電阻。取都為，取40。 取0.22按此參數(shù)計(jì)算超調(diào)：，符合要求4.2.2電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算無(wú)靜差條件下，電壓調(diào)節(jié)器輸入穩(wěn)定時(shí)必有：考

40、慮最大給定電壓下也滿(mǎn)足上式，則有：電壓環(huán)時(shí)間常數(shù)AUR也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：按跟隨性和抗擾性都較好的原則，取中頻寬h=5，則：取，取510，取0.22，取0.224.2.3電壓反饋計(jì)算 電壓反饋信號(hào)取自整流輸出端，輸出端電壓100V，本設(shè)計(jì)在輸出端并聯(lián)一個(gè)10K電阻作為，電阻串接一個(gè)1K電位器，在電位器的滑動(dòng)觸頭上取反饋電壓。最大反饋電壓為：最大電流：電阻最大發(fā)熱功率：4.2.4電流反饋計(jì)算電流反饋信號(hào)取自整流變壓器二次側(cè)，也是三相整流橋輸入端，采用10A/5A電流互感器取信號(hào)，然后通過(guò)三相二極管整流橋?qū)⒔涣鬓D(zhuǎn)換為直流電反饋到電流調(diào)節(jié)器。由主電路計(jì)算可知，整流變壓器的二次電流為8.1

41、6A/50V，則互感器輸出為4.08A/100V。通過(guò)三相全橋二極管整流可知：輸出取10K的電位器，則輸出電流電阻功率：W=二極管最大承受電壓為：第五章 晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)51觸發(fā)電路的要求由晶閘管的導(dǎo)通條件可知，當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，必須在門(mén)極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼螂妷海чl管才能正向?qū)?。這種控制晶閘管導(dǎo)通的電路稱(chēng)為觸發(fā)電路，對(duì)于觸發(fā)電路通常有如下要求：1)觸發(fā)電路輸出的脈沖必須具有足夠的功率。為了使元件可靠地被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖的數(shù)值必須大于門(mén)極觸發(fā)電壓UGT和門(mén)極觸發(fā)電流，即具有足夠的觸發(fā)功率。但其數(shù)值又必須小于門(mén)極正向峰值電壓和門(mén)極正向峰值電流，以防止晶閘管門(mén)極的損壞。2)

42、觸發(fā)脈沖必須與晶間管的主電壓保持同步。為了保證控制的規(guī)律性，各晶閘管的觸發(fā)電壓與其主電壓之間具有較嚴(yán)格的相位關(guān)系，即保持同步。3)觸發(fā)脈沖能滿(mǎn)足主電路移相范圍的要求。為了實(shí)現(xiàn)變流電路輸出的電壓連續(xù)可調(diào)，觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍進(jìn)行移相。例如單相全控橋電阻負(fù)載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為。而三相全控橋電感性負(fù)載(不接續(xù)流管時(shí))要求觸發(fā)脈沖的移相范圍是。4)觸發(fā)脈沖要具有一定的寬度，前沿要陡。多數(shù)晶閘管電路還要求觸發(fā)脈沖圖5-1 的前沿要陡，以實(shí)現(xiàn)精確的觸發(fā)導(dǎo)通控制。當(dāng)負(fù)載為電感性時(shí)，晶閘管的觸發(fā)脈沖必須具有一定的寬度，以保證晶閘管的電流上升到擎住電流以上，使元件可靠導(dǎo)通。常見(jiàn)的觸發(fā)脈沖電壓波形如圖5-

43、1所示。觸發(fā)電路通常以組成的主要元件名稱(chēng)分類(lèi)，可分為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路觸發(fā)器、計(jì)算機(jī)控制數(shù)字觸發(fā)電路等。下面介紹最常用的集成電路觸發(fā)器。52 集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路 集成觸發(fā)電路具有體積小、功耗小、溫漂小、性能穩(wěn)定、工作可靠等多種優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用越來(lái)越多。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹KC系列中的KC04、KC41C組成的三相集成觸發(fā)電路。521 KC04、KC41C織成的三相集成觸發(fā)電路如圖5-2所示，由三塊塊KC04與一塊KC41C外加少量分立元件，可以組成全控橋集成觸發(fā)電路，它比分立元件電路要簡(jiǎn)單得多。1KCD4移相觸發(fā)器 KC04與是由同步、鋸齒波形成、移相控制、

44、脈沖形成及放大輸出等環(huán)節(jié)組成。該器件適用于單相、三相全控橋式裝置中作晶閘管雙路脈沖移相觸發(fā)。它輸出的兩路相位差的移相脈沖可方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)電路。這種電路帶負(fù)載能力強(qiáng)，移相范圍寬。 該電路在一個(gè)交流電周期內(nèi)，在1腳和15腳輸出相位差的兩個(gè)窄脈沖，可以作為三相全控橋主電路同一相所接的上下晶閘管的觸發(fā)脈沖，16腳接+15v電源，8腳接同步電壓，但由同步變壓器送出的電壓須經(jīng)微調(diào)電位器、電阻和電容l組成的濾波移相，以達(dá)到消除同步電壓高頻諧波的侵入，提高抗干擾能力。所配阻容參數(shù)，使同步電壓約后移，可以通過(guò)微調(diào)電位器調(diào)整，使到輸出脈沖間隔均勻。4腳形成的鋸齒波，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器使三片集成塊產(chǎn)生的鋸齒波斜率一致。9腳為鋸齒波、直流偏移電壓和控制移相電壓Uc綜合比較輸入