電力電子課程設(shè)計(jì)晶閘管并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱中頻電源主電路的設(shè)計(jì)

1、電力電子設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告題 目：晶閘管并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱中頻電源主電路的設(shè)計(jì)學(xué) 院： 工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 0602班 姓 名： 劉丹 指導(dǎo)教師： 2008年 12月 日目 錄1課程設(shè)計(jì)目的12課程設(shè)計(jì)題目描述和要求12.1. 課程設(shè)計(jì)題目描述12.2. 課程設(shè)計(jì)題目要求及技術(shù)指標(biāo)23.課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容 33.1 設(shè)計(jì)方案的選定與說明 33.2論述方案的各部分工作原理及計(jì)算 43.3設(shè)計(jì)方案圖表及其電路圖 64總結(jié) 95參考書目 10引言晶閘管交流功率控制器是國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）命名的“半導(dǎo)體交流功率控制器”（Semiconductor AC Power Contro

2、ller）的一種，它以晶閘管（可控硅SCR或雙向可控硅TRIAC）為開關(guān)元件，是一種可以快速、精確地控制合閘時(shí)間的無觸點(diǎn)開關(guān)，是自動(dòng)控制溫度系統(tǒng)高精度及高動(dòng)態(tài)指標(biāo)必不可少的功率終端控制設(shè)備。晶閘管交流調(diào)功器是在一個(gè)固定周期或變動(dòng)周期里，以控制導(dǎo)通的交流電周波數(shù)來控制輸出功率的大小。晶閘管在正弦波過零時(shí)導(dǎo)通，在過零時(shí)關(guān)斷，輸出為完整的正弦波。晶閘管交流調(diào)功器主要用于各種電阻爐、電加熱器、擴(kuò)散爐、恒溫槽、烘箱、熔爐等電熱設(shè)備的溫度自動(dòng)、手動(dòng)控制。一晶閘管并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱中頻電源主電路的設(shè)計(jì)要求主要技術(shù)數(shù)據(jù)：（1）輸入交流電源：線電壓有效值UL=380V、電網(wǎng)波動(dòng)范圍AV=0.951.1、頻率f=5

3、0Hz（2）中頻電源：額定輸出功率PH=100kw、最大輸出功率PHm=110kw、頻率f=1000Hz、負(fù)載基波位移角1=300。二整流電路的設(shè)計(jì)1.整流電路的選擇很明顯，單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小、功率因數(shù)高和變壓器利用率高等特點(diǎn)。然而值得注意的是，在大電感負(fù)載情況下，當(dāng)控制角接近/2時(shí)，輸出電壓的平均值接近于零，負(fù)載上的電壓太小，且理想的大電感負(fù)載是不存在的，故實(shí)際電流波形不可能是一條直線， 而且在=/2之前電流就會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)。電感量越小，電流開始斷續(xù)的值就越小。 單相半控橋式整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的工作特點(diǎn)是：晶閘管在觸發(fā)時(shí)刻換流，二極管則在電源電壓過零時(shí)換流；由于自然續(xù)流的

4、作用，整流輸出電壓ud的波形與全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)相同，的移相范圍為0180°，ud 、Id的計(jì)算公式和全控橋帶電阻性負(fù)載時(shí)相同；流過晶閘管和二極管的電流都是寬度為180°的方波且與無關(guān)，交流側(cè)電流為正、 負(fù)對(duì)稱的交變方波。三相半波(又稱三相零式)相控整流電路如圖2-7(a)所示。圖中TR是整流變壓器，可直接由三相四線電源供電。 三只晶閘管的陰極連在一起， 稱為共陰極接法， 這在觸發(fā)電路有公共線時(shí)連接比較方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。 三相全控橋式可控整流電路與三相半波電路相比，若要求輸出電壓相同，則三相橋式整流電路對(duì)晶閘管最大正反向電壓的要求降低一半；若輸入電壓相同

5、，則輸出電壓Ud比三相半波可控整流時(shí)高一倍。另外， 由于共陰極組在電源電壓正半周時(shí)導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器次級(jí)繞組的電流為正；共陽(yáng)極組在電壓負(fù)半周時(shí)導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器次級(jí)繞組的電流為負(fù)，因此在一個(gè)周期中變壓器繞組不但提高了導(dǎo)電時(shí)間，而且也無直流流過，克服了三相半波可控整流電路存在直流磁化和變壓器利用率低的缺點(diǎn)。三相全控橋式整流電路在任何時(shí)刻必須保證有兩個(gè)不同組的晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路。換流只在本組內(nèi)進(jìn)行， 每隔120°換流一次。 由于共陰極組與共陽(yáng)極組換流點(diǎn)相隔60°，所以每隔60°有一個(gè)元件換流。 同組內(nèi)各晶閘管的觸發(fā)脈沖相位差為120°，接在同一相的兩個(gè)元

6、件的觸發(fā)脈沖相位差為180°， 而相鄰兩脈沖的相位差是60°。從以上比較中可看到：三相橋是可控整流電路從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能兩方面綜合指標(biāo)考慮比其它可控整流電路有優(yōu)勢(shì)，故本次設(shè)計(jì)確定選擇三相橋是可控整流電路。 圖1-1 三相橋是可控整流電路2.整流電路（直流側(cè)）參數(shù)計(jì)算和元件選擇（1）.直流功率Pdm：設(shè)電源效率為95則Pdm=PHm/=115.79（2）直流電壓Udm：已知輸入電壓UL=380V,當(dāng)控制角=00時(shí)，整流輸出直流電壓 Udm=1.35AVUL=487.35 - （21）（3）直流電流Idm： Idm=Pdm/ Udm=237.59 （22）（4）晶閘管的選擇1

7、）晶閘管額定電流IT(AV) ： IT(AV)（1.52）KITIdm =174.39 （23） 式中：KIT晶閘管電流計(jì)算因素，采用三相橋式整流電路KIT=0.367 2）晶閘管額定電壓UTN：UTN =（1.52） U2 =1077.78 （24）（5）濾波電感Ld的選擇1）按保證直流電流連續(xù)選擇 Ld（1） KL1 U2103/IdL=3.77mH （25） 式中：KL1系數(shù)，三相橋式KL1=0.407s/rad； IdL臨界連續(xù)時(shí)id平均值，一般取IdL =0.1 IdN（A）； U2相電壓有效值（V）； 2）按限制電流脈動(dòng)選擇 Ld（2） KL2 U2/ KL3d IDn=4.52m

8、H （26）式中：KL2=Ud1/ U2 KL3= Id1/ IDn=6.01mHd=md=m2fNUd1最大的基波電壓幅值；Id1最大的基波電流幅值；fN電網(wǎng)頻率。對(duì)三相橋式時(shí)KL2=0.46, KL30.05,m=6, d=md=m2fN； 3）按限制短路電流選擇Ld（3）3.67 U2/（3KdT）dN IdN （27）式中：KDt= IdT/ IDn=1.11.2 IdT電流動(dòng)作值；3.整流電路（直流側(cè)）觸發(fā)電路的選擇可控硅變流技術(shù)在電子電力系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用得極其廣泛,而可控硅觸發(fā)系統(tǒng)則是變流裝置中不可缺少的電路單元。集成電路KJ系列觸發(fā)器具有移相性能好,控制角與控制電壓成比例,移相范圍

9、寬、抗干擾能力強(qiáng)、溫漂小、輸出功率大及可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。集成電路KJ系列觸發(fā)器利用在起動(dòng)瞬間三相干擾觸發(fā)脈沖同時(shí)存在的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出抗干擾電路，消除了在按下起動(dòng)按鈕的瞬間出現(xiàn)的干擾觸發(fā)脈沖。利用電容的濾波作用，在變換電路的輸入端加接濾波電容，消除了在移相至某區(qū)域出現(xiàn)的低幅值超前干擾觸發(fā)脈沖；利用電容的充電效應(yīng)，使得每次起動(dòng)時(shí)，移相電壓都由一較低值漸增至給定值，實(shí)現(xiàn)了限流起動(dòng)的要求。三逆變電路的設(shè)計(jì)1. 電路結(jié)構(gòu)逆變電路也稱逆變器，是一種DC/AC(直流電/交流電)的轉(zhuǎn)換器，它將電池組的直流電源轉(zhuǎn)化成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電源。圖3-1是電流型逆變器的主電路圖，主要由濾波電感、晶閘管、換相電容、

10、換相電感組成。圖2左端的直流輸入是交流整流后經(jīng)大電感濾波，無功能量由濾波電感L吸收，電流id方向保持不變、大小近于恒定可以看作是直流電流源供電。在逆變器工作時(shí)，負(fù)載電流近似為幅值為輸入電流的方波電流。由于電流恒定，主臂晶閘管V1、V2、V3、V4不需要并聯(lián)反饋二極管。輔助晶閘管V11、V12、V13、V13和換相電容C1、C2換相電感L1、L2構(gòu)成換流環(huán)節(jié)。二極管V5、V6，電容C3，電阻R及電源U構(gòu)成過電壓抑制回路。 圖3-1 電流型逆變器的主電路2. 工作原理濾波電感L濾波儲(chǔ)能，換相電容C1、C2的容量為C，換相電感L1、L2的電感值為L(zhǎng)。在換流時(shí)輸入電流id近似看作是恒流源，負(fù)載為電阻性

11、負(fù)載。以下分析V1、V4導(dǎo)通，向V2、V3換流的過程。(1)換流前狀態(tài)V1、V4導(dǎo)通，電流經(jīng)V1、負(fù)載、V4流通，負(fù)載電流io=id，電壓uo=eo=Uo。電容C1、C2被充電，電壓為uc1=uc2=uco，極性如圖2中所示，為關(guān)斷V1、V4作好準(zhǔn)備。(2)主晶閘管關(guān)斷階段當(dāng)觸發(fā)V11、V14時(shí)，V11導(dǎo)通，將uc1加到V1，使V1關(guān)斷；同理V14導(dǎo)通，uc2使V4承受反壓關(guān)斷。此階段換相電容電壓為(3)電容恒流放電、充電階段這個(gè)階段從V1，V4關(guān)斷開始，由于濾波電感L的作用，C1，C2繼續(xù)放電，電流id經(jīng)V11、L1、C1、 負(fù)載、C2、L2、V14流通，C1、C2電壓逐漸降為零，然后在恒電

12、流下反向充電。此階段，換相電容C1、C2電壓為負(fù)載在恒流id的作用下，兩端電壓uo保持不變，即電壓eo為L(zhǎng)1、C1、負(fù)載、C2、L2的電壓和，由于id恒定，L1、L2的感應(yīng)電壓值較小，約為零，暫不計(jì)，所以在這階段，當(dāng)eo大于過壓限制U時(shí)，恒流源將通過V5向電容C3充電，使eo降低，同時(shí)流過V11、L1、C1、負(fù)載、C2、L2、V14的電流將減少。(4)主晶閘管開通階段觸發(fā)V2、V3導(dǎo)通，電流將分三條支路流通，一條是經(jīng)V11、L1、C1、V3支路，此時(shí)eO大于-uc1，繼續(xù)向電容C1充電，另一條是經(jīng)V2、C2、L2、V14支路，由于eo大于-uc2，繼續(xù)向電容C2充電，第三條是經(jīng)V2、負(fù)載、V3

13、支路，負(fù)載承受反向電壓-co，電流io迅速反向聚增。電壓eo受恒流源id的限制，迅速減小到正常水平，當(dāng)eo小于-uc1=-uc2=Uco時(shí)，V11、V14自然關(guān)斷，電容C1、C2充電完成，為下一次關(guān)斷V13、V12作好準(zhǔn)備，此時(shí)換流完成，只剩余V2、負(fù)載、V3支路流通，負(fù)載電流io=-id。V2、V3導(dǎo)通，向V1、V4換流過程與上述相似。3. 逆變電路晶閘管參數(shù)計(jì)算和元件選擇（1）正向阻斷電壓UDRM 不考慮換向過程時(shí)UDRM=KVUd/0.9cos=1276.96 （31）式中：KV電壓安全裕量系數(shù)，KV=1.21.4。cos=0.866（2）最大輸出電流ITmITm=Ki Idm=413.

14、8 （32）式中：Ki電流安全裕量系數(shù)，Ki=1.2四保護(hù)電路的設(shè)計(jì)1. 過電壓保護(hù)當(dāng)負(fù)載斷開時(shí)或快熔斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器中的磁場(chǎng)能量會(huì)產(chǎn)生過電壓，顯然在交流側(cè)阻容吸收保護(hù)電路可以抑制這種過電壓，但由于變壓器過載時(shí)儲(chǔ)存的能量比空載時(shí)要大，還不能完全消除。措施：能常采用壓敏吸收進(jìn)行保護(hù)。由于交流側(cè)電路在接通或斷開時(shí)出現(xiàn)暫態(tài)過程，會(huì)產(chǎn)生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級(jí)之間存在分布電容，初級(jí)高壓經(jīng)電容耦合到次級(jí)，出現(xiàn)瞬時(shí)過電壓。措施：在三相變壓器次級(jí)星形中點(diǎn)與地之間并聯(lián)適當(dāng)電容，就可以顯著減小這種過電壓。與整流器并聯(lián)的其它負(fù)載切斷時(shí)，因電源回路電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時(shí)

15、，初級(jí)拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級(jí)感生出很高的瞬時(shí)電壓，這種電壓尖峰值可達(dá)工作電壓的6倍以上。交流電網(wǎng)遭雷擊或電網(wǎng)侵入干擾過電壓，即偶發(fā)性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進(jìn)行保護(hù)。整流橋交流側(cè)采用6個(gè)壓敏電阻，具有橋臂正反過電壓，線間過電壓及直流側(cè)過電壓保護(hù)，。壓敏電阻的選擇：U1mA1.33 Um=413.8 （41）式中：U1mA壓敏電阻額定電壓；Um壓敏電阻承受的額定電壓峰值；IPm（2050）I=5819.74 （42）式中：IPm壓敏電阻通流容量；I交流電源側(cè)電流有效值；三相橋I =IdN（1）整流側(cè)晶閘管元件過電壓保護(hù)晶閘管承受過電壓的能力極差，當(dāng)電路中電壓超過其反向擊穿電壓時(shí)

16、，即使時(shí)間極短，也容易反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過其額定電壓，還可能引起晶閘管誤導(dǎo)通。這種誤導(dǎo)通次數(shù)頻繁時(shí)，如導(dǎo)通電流較大，也可能使器件特性變壞，甚至損壞。因此，除選用管子時(shí)，必須考慮一定的電壓安全系數(shù)外，還必須采取措施消除晶閘管上可能出現(xiàn)的過電壓。 消除過電壓現(xiàn)象通?？梢圆捎米枞菸针娐?。晶閘管過電壓阻容保護(hù)電路是利用電容來吸收過電壓，其實(shí)質(zhì)是將引起過電壓的磁場(chǎng)能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電容器之中，然后電容器通過電阻放電，把能量逐漸消耗在電阻中，這就是過電壓保護(hù)的基本方法。晶閘管過電壓保護(hù)通常采用RC吸收電路，該電路直接并聯(lián)在器件陽(yáng)極和陰極之間，既可吸收瞬態(tài)電壓尖峰，又可抑制電壓上升率du/

17、dt。1）RC吸收電路電路電容CS（F）的計(jì)算CS=（24）×103IT（AV） （F） (43) CS的交流耐壓：UCSm=1.5UmUm晶閘管所承受的Um最大電壓；（2）RC吸收電路電阻RS的計(jì)算 RS=1030（） 電阻功率PRSfCS(UARM/nS)210-6 （44） 式中：f電源頻率（HZ） UARM臂反向工作峰值電壓（V） nS每臂串聯(lián)器件數(shù)（3）逆變側(cè)晶閘管過電壓保護(hù)采用RC吸收過電壓保護(hù)電路1）RC吸收電路電路電容CS（F）的計(jì)算CS=（24）×103IT（AV） （F）=0.7 （45） CS的交流耐壓：UCSm=1.5UmUm晶閘管所承受的Um最大電

18、壓； 2）RC吸收電路電阻RS的計(jì)算 RS=1030（） 2. 過電流保護(hù)（1）引起過流的原因電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。（2）整流電路過電流保護(hù)用在可控硅整流裝置中的過電流保護(hù)方式很多，如快速熔斷器保護(hù)、快速電流繼電器保護(hù)、自動(dòng)空氣斷路器保護(hù)和電子回路保護(hù)等。其原理見圖4-1所示。圖4-1 整流電路過電流保護(hù)原理 采用整流電路橋臂串聯(lián)快速容斷器過電流保護(hù)。快速容斷器的選擇原則：1）快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值。 2）快速熔斷器熔體的額定電流IR是指電流有效值，晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值。選用時(shí)要求 IR IRN1.57 IT(AV) （43） 式中：IR快速容斷器容體額定電流IRN快速容斷器額定電流 3）熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。（3）逆變電路過電流保護(hù)。 圖4-2 短路保護(hù)電路，RP3設(shè)定適當(dāng)?shù)拈y值，當(dāng)采樣值低于閥值時(shí)，IC2A輸出高電平，使IC2B同相端為低，積分電路不工作，IC2C也輸出低電平，此時(shí)OI由圖4-2可知是高電平，PWM信號(hào)可通過非門