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

中北大學電子技術課程設計說明書三相全控橋式晶閘管-電動機系統(tǒng)設計信息與通信工程學院電子技術課程設計說明書設計題目用一號黑體字，一行排不下可排兩行，居中學生姓名：學號：學院：專業(yè)：信息與通信工程學院電子技術課程設計說明書設計題目用一號黑體字，一行排不下可排兩行，居中學生姓名：學號：學院：專業(yè)：指導教師：2021年1月4日中北大學電子技術課程設計說明書設計題目用一號黑體字，一行排不下可排兩行，居中學生姓名：學號：學院：專業(yè)：指導教師：2021年1月4日與通信工程電氣工程及其自動化學院：電氣工程及其自動化高麗珍張曉明專業(yè)：高麗珍張曉明指導教師：2021年1月4日目錄HYPERLINK1引言 1HYPERLINK1.1設計條件及內(nèi)容 1HYPERLINK1.2問題分析 1HYPERLINK2三相全控橋式主電路設計 1HYPERLINK2.1整流變壓器的設計 1HYPERLINK2.1.1整流變壓器的設計原理 1HYPERLINK2.1.2變壓器參數(shù)計算 2HYPERLINK2.2整流電路 2HYPERLINK2.2.1晶閘管簡介 2HYPERLINK2.2.2整流器件的定額計算和選擇 2HYPERLINK2.2.3三相全控橋式整流電路的特點 3HYPERLINK2.3平波電抗器的參數(shù)及選擇 4HYPERLINK2.3.1電抗器的電感 4HYPERLINK2.3.2整流變壓器漏電感的計算 5HYPERLINK2.4晶閘管對電網(wǎng)的影響 5HYPERLINK2.5系統(tǒng)功率因數(shù)的討論 6HYPERLINK3觸發(fā)電路的設計 7HYPERLINK3.1集成觸發(fā)電路 7HYPERLINK3.2KJ004的工作原理 7HYPERLINK4晶閘管保護電路 9HYPERLINK4.1晶閘管過壓保護電路 9HYPERLINK4.1.1交流側(cè)過電壓保護 9HYPERLINK4.1.2直流側(cè)的過電壓保護 9HYPERLINK4.1.3晶閘管換相過電壓的保護 10HYPERLINK4.2晶閘管過流保護電路設計 10HYPERLINK4.3電流上升率、電壓上升率 10HYPERLINK電流上升率 10HYPERLINK4.3.2電壓上升率 11HYPERLINK5MATLAB仿真結果 11HYPERLINK5.1仿真電路圖 115.2電源電壓波形圖HYPERLINK 115.3觸發(fā)信號波形圖HYPERLINK 125.4晶閘管電流和電壓波形圖HYPERLINK 125.5負載電流和電壓波形圖HYPERLINK 12HYPERLINK6設計心得 13HYPERLINK參考文獻 15HYPERLINK致謝 161引言1.1設計條件及內(nèi)容

設計條件：1．直流電動機額定參數(shù)：PN=10KW,UN=220V,IN=50A,nN=1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω，電流過載倍數(shù)λ＝1.5，電樞電感LD=7mH，勵磁電壓UL=220V勵磁電流IL=1.6A，使用三相可控整流電路，電動機負載，工作于電動狀態(tài)。2.進線交流電源：三相380V3.性能指標：直流輸出電壓0-220V，最大輸出電流75A，保證電流連續(xù)的最小電流為5A。設計內(nèi)容：1.三相全控橋式主電路設計〔包括整流變壓器額定參數(shù)計算，整流元件定額的選擇，平波電抗器電感量的計算等〕,討論晶閘管電路對電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。2.觸發(fā)電路設計，包括觸發(fā)電路選型〔可使用集成觸發(fā)器〕，同步信號的定相等。3.晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設計。1.2問題分析根據(jù)所給任務的要求，首先認真分析題目，題目是三相全控橋式晶閘管―電動機系統(tǒng)設計。由于所給電動機是直流電動機，可以知道這是一個交流到直流的變換電路，即整流電路。直流電動機負載可以看成是三相全控橋式晶閘管電路接一個反電動勢負載，由此可以得出此設計的重點在于設計三相全控橋式晶閘管整流電路實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，且保證輸出的直流電壓和電流能使電動機工作在電動狀態(tài)即可。然后分別對主電路及觸發(fā)電路進行設計。主電路的設計主要包括整流變壓器的選取、整流元件的選擇及平波電抗器的選擇，觸發(fā)電路根據(jù)TC787進行設計。后續(xù)內(nèi)容將分別介紹各個模塊的構成原理和使用方法。2三相全控橋式主電路設計2.1整流變壓器的設計2.1.1整流變壓器的設計原理整流變壓器就是降壓變壓器，降到所需電壓后再用半導體管整流，和普通變壓器的原理相同。變壓器是根據(jù)電磁感應原理制成的一種變換交流電壓的設備。變壓器一般有初線和次級兩個互相獨立繞組，這兩個繞組共用一個鐵芯。變壓器初級繞組接通交流電源，在繞組內(nèi)流過交變電流產(chǎn)生磁動勢，于是在閉合鐵芯中就有交變磁通。初、次級繞組切割磁力線在次級就能感應出相同頻率的交流電。變壓器的初、次級繞組的匝數(shù)比等于電壓比。2.1.2變壓器參數(shù)計算變壓器采用型連接，輸入側(cè)380V輸出側(cè)220V〔線電壓〕，故：容量S的計算：根據(jù)三相全控橋變壓器二次側(cè)電流的有效值的計算公式：可求得:變壓器初級側(cè)容量：變壓器次級側(cè)容量：故電壓器容量：綜上所述，選擇型號為SBK20KWSG20KVA，的變壓器。2.2整流電路2.2.1晶閘管簡介晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管的開通和關閉和三極管有很大的差異，可以視為一個雙穩(wěn)態(tài)器件，只具有兩個工作狀態(tài)即開通和關閉。晶閘管的開通受2個條件約束，陰陽極的正偏壓和門極與陰極的正偏壓，關斷那么只需要流過管子的電流小于一定的值，并且維持一定的時間就自然關斷。不受門極控制。工作原理相當于兩個三極管的等效電路。2.2.2整流器件的定額計算和選擇本設計采用晶閘管三相全控橋整流電路，根據(jù)設計要求可得：由此可以的出：經(jīng)分析知綜上所述，選定額為＝50A,＝800V的晶閘管作為整流器件,可采用KP50-8系列的晶閘管。2.2.3三相全控橋式整流電路的特點一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共陽極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為共陽極?！?〕2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。〔2〕對觸發(fā)脈沖的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。2)共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180?！?〕Ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。〔4〕需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)〔常用〕?！?〕晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。三相橋式全控整流電路實質(zhì)上是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)。在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通才能形成導電回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，另一個晶閘管是共陽組的。6個晶閘管導通的順序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循環(huán)，每隔60°有一個晶閘管換相。為了保證在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個周期內(nèi)對每個晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為60°。三相橋式全控整流電路原理圖如下圖。圖2-1三相橋式晶閘管主電路圖2.3平波電抗器的參數(shù)及選擇平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整流電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。直流輸電的換流站都裝有平波電抗器，使輸出的直流接近于理想直流。直流供電的晶閘管電氣傳動中，平波電抗器也是不可少的。2.3.1電抗器的電感假設要求變流器在某一最小輸出電流時仍能維持電流連續(xù)，那么電抗器的電感可按下式計算：式中是交流測電源相電壓有效值(V)是要求連續(xù)的最小負載電流平均值(A)K1是與整流主電路形式有關的計算系數(shù)。對于不同控制角α，所需的電感量本設計中的參數(shù)為：，,臨界值。將以上所述參數(shù)代入，可計算出本設計所需的臨界電感參數(shù)值，即：2.3.2整流變壓器漏電感的計算整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電TL按下式計算：式中是變壓器次級相電壓有效值(V)是晶閘管裝置直流側(cè)的額定負載電流(平均值)(A)是變壓器的短路比。100KVA以下的變壓器取=5；100~1000KVA的變壓器取=5~10；是與整流主電路形式有關的系數(shù)，=3.9。本設計=127V，=50A，=5，=3.9。將以上所需參數(shù)代入式中可計算出漏電感TL的值，即綜上所述，根據(jù)直流電動機的電樞電感為，可得使輸出電流連。應選30mH的電感作為平波電抗器。2.4晶閘管對電網(wǎng)的影響晶閘管變流設備一般都是通過變壓器與電網(wǎng)連接的，因此其工作頻率為工頻,初級電壓即為交流電網(wǎng)電壓。經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路可以得到一個適宜的輸入電壓，是晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分，減小電網(wǎng)污染。在變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓相差不多時，有時會采用自耦變壓器；當變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓一致時，也可以不經(jīng)變壓器而直接與電網(wǎng)連接，不過要在輸入端串聯(lián)“進線電抗器〞以減少對電網(wǎng)的污染。晶閘管裝置中的無功功率，會對公用電網(wǎng)帶來不利影響：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，會使總電流增加，從而使設備和線路的損耗增加。3)使線路壓降增大，沖擊性無功功率負載還會使電壓劇烈波動。晶閘管裝置還會產(chǎn)生諧波，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害，包括：1)諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)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)諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)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(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導致信息喪失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。2.5系統(tǒng)功率因數(shù)的討論功率因數(shù)為：三相橋式全控整流電路接反電動勢負載時，由于設計時接了平波電抗器，所以負載電感足以使電流連續(xù)，那么電路的工作情況與感性負載時相似，即可以根據(jù)感性負載來討論功率因數(shù)設交流電抗為零，假設直流電感L為足夠大，，此時，電流為正負半周各的方波，三相電流波形相同，且依次相差，其有效值與直流電流的關系為：同樣可將電流波形分解為傅里葉級數(shù)。以a相電流為例，將電流負、正兩半波的中點作為時間零點，那么有由上式知：電流基波：諧波有效值：故基波因數(shù)：又因電流基波與電壓的相位差仍為,故位移因數(shù)仍為：因此功率因數(shù)為：3觸發(fā)電路的設計控制晶閘管的導通時間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結晶體管觸發(fā)電路，設計利用KJ004構成的集成觸發(fā)器實現(xiàn)產(chǎn)生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。3.1集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)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)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。原理圖如下：圖3-1KJ004的電路原理圖3.2KJ004的工作原理如上圖KJ004的電路原理圖所示，點劃框內(nèi)為KJ004的集成電路局部，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1～V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導通，電流途徑為(+15V－R3－VD1－V1－地)；在uS負半周，V2、V3導通，電流途徑為(+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―(―15V))。因此，在正、負半周期間。V4根本上處于截止狀態(tài)。只有在同步電壓|uS|＜0.7V時，V1～V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負反響的鋸齒波發(fā)生器。在V4導通時，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當V4截止時，電流經(jīng)(+15V－R6－C1－R22－RP1－(－15V))對C1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導通的情況可知，在同步電壓正、負半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當ube6>+0.7V時，V6導通。設uC5、Ub為定值，改變UC，那么改變了V6導通的時刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結充電。當V6由截止轉(zhuǎn)為導通時，C2所充電壓通過V6成為V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng)〔+15V－R25－V6－地〕放電并反向充電，當其充電電壓uc2≥+1.4V時，V7又恢復導通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時間常數(shù)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個相位差為180°的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負半周進行。如在us正半周V1導通，V8截止，V12導通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9～V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負半周，情況剛好相反，V8導通，V12截止，V7正脈沖經(jīng)V13～V15放大后輸出負相脈沖。說明：1)KJ004中穩(wěn)壓管VS6～VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6～VD8為隔離二極管。2)采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1～VD12組成六個或門形成六路脈沖，并由三極管V1～V6進行脈沖功率放大。3)由于V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個相位上相差的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓uSa、uSb、uSc分別與同步變壓器的uSA、uSB、uSC相接RP1～RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4～RP6為同步相位4晶閘管保護電路晶閘管以其額定電流大、額定電壓高、效率高、反響快以及體積小等優(yōu)點,作為中頻靜止逆變電源中主要元件而被選用,但其缺點是過載能力低。因此,在晶閘管中頻靜止逆變電源中,為了使晶閘管免受大電流、高電壓的沖擊,均設置了過流過壓保護電路。當晶閘管中頻靜止電源用于金屬熔煉時,由于負載為時變性元件,變化大,情況比擬復雜,假設保護不可靠,速度慢,故障一旦出現(xiàn),晶閘管立即被損壞的現(xiàn)象常有發(fā)生。影響了整個設備的性能和使用,因而保護電路顯得尤為重要。4.1晶閘管過壓保護電路正常工作時，晶閘管承受的最大峰值電壓為，超過此峰值電壓的就算過電壓。在整流裝置中，任何偶然出現(xiàn)的過電壓均不應超過元件的不重復峰值電壓，而任何周期性出現(xiàn)的過電壓那么應小于元件的重復峰值電壓。這兩種過電壓都是經(jīng)常發(fā)生和不可防止的。因此，在變流過程中，必須采用各種有效保護措施，以抑制各種暫態(tài)過電壓，保護晶閘管元件不受損壞。抑制暫態(tài)過電壓的方法一般有三種：①用電阻消耗過電壓的能量；②用非線性元件限制過電壓的幅值；③用儲能元件吸收過電壓的能量。假設以過電壓保護裝置的部位來分，有交流保護，直流保護，直流側(cè)保護和元器件保護3種。4.1.1交流側(cè)過電壓保護交流側(cè)過電壓一般都是外因過電壓，在抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路是最為常見的。通常是在變壓器次級(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場能而儲存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一局部能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當整流器容量較大時，RC電路也可以接在變壓器的電源側(cè)。其電路圖如圖3-1所示。圖4-1阻容過電壓保護電路4.1.2直流側(cè)的過電壓保護也可以采用阻容電路進行保護，其計算參數(shù)同交流側(cè)過電壓保護。4.1.3晶閘管換相過電壓的保護由于晶閘管在實際應用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷過電壓問題，關斷時也沒有較大的，所以晶閘管的緩沖電路就簡化為了晶閘管的換相過電壓保護，即采用RC吸收電路即可。4.2晶閘管過流保護電路變流裝置發(fā)生過電流的原因歸納起來有如下幾個方面：(1)外部短路：如直流輸出端發(fā)生短路。(2)內(nèi)部短路：如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路。(3)可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過大。(4)生產(chǎn)機械發(fā)生過載或堵轉(zhuǎn)等。晶閘管元件承受過電流的能力也很低，假設過電流數(shù)值較大而切斷電路的時間又稍長，那么晶閘管元件因熱容量小就會產(chǎn)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(xiàn)過電流，就把它限制在元件允許的范圍內(nèi)，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。晶閘管變流裝置可能采用的過流保護措施有：①交流斷路器；②進線電抗器；③靈敏過電流繼電器；④斷路器；⑤電流反響控制電路；⑥直流快速開關；⑦快速熔斷器?？砂磳嶋H需要選擇其中一種或數(shù)種。4.3電流上升率、電壓上升率4.3.1電流上升率的限制晶閘管在導通的瞬間，電流主要集中在靠近門極的陰極外表較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后隨著時間的增長才逐漸擴大到整個陰極面。此過程需幾微秒到幾十微秒。假設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(nèi)。產(chǎn)生過大的可能原因有：在晶閘管換相過程中相當于交流側(cè)線電壓短路，因交流側(cè)阻容保護的電容放電造成過大；晶閘管換相時因直流側(cè)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〕晶閘管陽極回路串入電感?！?〕采用整流式阻容吸收裝置。電壓上升率的限制處于阻斷狀態(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。產(chǎn)生過大的原因及其限制措施如下：①交流側(cè)產(chǎn)生的②晶閘管換相時的。5MATLAB仿真結果5.1仿真電路圖取觸發(fā)角，進行仿真得：圖5-1Matlab模擬仿真圖觸發(fā)角為30度5.2電源電壓波形圖圖5-2電源電壓波形5.3觸發(fā)信號波形圖圖5-3觸發(fā)波形5.4晶閘管電流和電壓波形圖圖5-4晶閘管電流電壓波形5.5負載電流和電壓波形圖圖5-5負載電流和電壓波形6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?，F(xiàn)在人們的生產(chǎn)生活都離不開電能，所以研究如何控制使用電能使之滿足各種各樣的需要顯得尤為重要，而電力電子技術就是實現(xiàn)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