電力電子課程設(shè)計單相可控變流器

武漢理工大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書摘要電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而成的，在自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)系實際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。在電力電子技術(shù)中，可控整流是非常重要的一個章節(jié)。本設(shè)計為一個單相全控橋整流電路，阻感負載，其中條件R＝1.5Ω，最大電流Id＝40A。通過整定各部分參數(shù)，可實現(xiàn)可控角移相范圍為32°~90°，實現(xiàn)電壓0~60V可調(diào)，設(shè)計有鋸齒波觸發(fā)電路，同時還設(shè)計有過電流及過電壓保護電路，保護晶閘管不會燒壞。關(guān)鍵詞：單相全控橋阻感負載觸發(fā)電路單相可控變流器的設(shè)計1概述整流電路尤其是單相全控橋式整流電路在電力電子中應(yīng)用廣泛，不僅運用于一般工業(yè)，也廣泛運用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點；輸出平均電壓是半波的2倍，相同負載下流經(jīng)晶閘管的平均電流減小一半，功率因數(shù)提高了一半。本設(shè)計要求設(shè)計一個單相全控橋式整流電路，阻感負載，其中R＝1.5Ω，最大電流Id＝40A。要求分析系統(tǒng)原理，這些課本上的資料已經(jīng)很多了；整定主電路及變壓器的參數(shù)，這些可以通過查找資料，計算實際情況的參數(shù)，討論晶閘管對電網(wǎng)的影響及功率因數(shù)；設(shè)計晶閘管觸發(fā)電路，包括選型及同步信號的定相，橋式電路要求任何時刻都有兩個晶閘管是導(dǎo)通的，所以觸發(fā)電路的設(shè)計和信號控制式相當(dāng)重要的；設(shè)計晶閘管的過電壓保護與過電流保護，晶閘管的過流過壓能力比較差，需要采取過流保護及過壓保護措施。2單相全控橋原理分析單相橋式全控整流電路阻感負載如圖所示，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷；VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。負載中有大電感的存在使負載電流不能突變，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。至?xí)r刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。晶閘管角移相范圍為90°；導(dǎo)通角為180°，與觸發(fā)角無關(guān)，承受的最大正反向電壓均為。整流電壓平均值為：直流電流平均值為：圖1原理圖及波形根據(jù)設(shè)計條件，，，計算可得。3參數(shù)整定3.1整流變壓器參數(shù)的計算3.1.1二次側(cè)相電壓的計算二次側(cè)相電壓是一個非常重要的參數(shù)，選擇過低的時候，無法保證輸出額定電壓。選擇過高，又會造成控制角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加成本。U2的計算一般參照下式：（3-1）其中——整流電路輸出電壓最大值，此處為60V——電路回路經(jīng)過的晶閘管的壓降，為個數(shù)，單相全控橋為2——理想情況下=0o時整流電壓與的比值，通常取0.9——控制角為時輸出電壓與的比值，通常取0.9——最小移相角，此處取0°——線路接線方式系數(shù)，單相全控橋為0.707——變壓器阻抗電壓比，10~100kVA的變壓器一般取0.05——變壓器二次側(cè)實際工作電流與額定電流之比，此處取0.85根據(jù)已知參數(shù)，代入公式可得：可取為80V。又，根據(jù)，可得移相范圍為32°~90°，可實現(xiàn)直流輸出0~60V可調(diào)。又一次側(cè)相電壓，二次側(cè)相電壓同時可得變壓器一次側(cè)與二次側(cè)匝數(shù)比。3.1.2二次側(cè)相電流及一次側(cè)相電流的計算（3-2）（3-3）單相全控橋中一般取1.11，即單相全控橋中一般取1.11，考慮到變壓器的勵磁電流，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)，即3.1.3變壓器容量的計算二次側(cè)容量單相全控橋中為1，即一次側(cè)容量單相全控橋中為1，即變壓器等效容量3.1.4功率因數(shù)的計算忽略換相過程和電流脈動，直流電感L為足夠大時變壓器二次電流波形近似為理想方波，將電流波形分解為傅里葉級數(shù)：(3-4)其中基波和各次諧波有效值為：(3-5)可得基波電流有效值為：(3-6)可得基波因數(shù)為：(3-7)所以功率因數(shù)為：（3-8）代入已知的范圍，可得功率因數(shù)最大值即76.3%。3.2晶閘管參數(shù)的計算3.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管額定電壓一般取正常工作時晶閘管所承受的峰值電壓的2~3倍，在阻感負載的單相橋式全控整流電路中晶閘管承受的最大正反向電壓均為。由二次側(cè)相電壓為80V，計算可得：可取晶閘管額定電壓為300V。3.2.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，為了保證晶閘管不會因為過熱而損壞，一般考慮1.5~2倍的裕量?？扇【чl管額定電流為30A。3.2.3晶閘管對電網(wǎng)的影響晶閘管換向時需要吸收無功功率，會對電網(wǎng)造成污染：無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。同時晶閘管裝置的電流中往往還含有高次諧波，會使電網(wǎng)電壓造成波形畸變：諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低效率。諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使變壓器局部嚴重過熱，是絕緣老化，壽命縮短以至損壞。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，使前述的危害大大增加。4觸發(fā)電路的設(shè)計4.1觸發(fā)電路的選擇晶閘管觸發(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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：

1)

觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，對感性和反電動勢負載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，對變流器的起動、雙星形帶平衡電抗器電路的觸發(fā)脈沖應(yīng)寬于30o，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60o或采用相隔60o的雙窄脈沖。

2)

觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達。

3)

所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。

4)

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。晶閘管可控整流電路就是通過控制觸發(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，晶閘管的導(dǎo)通控制信號由觸發(fā)電路提供，觸發(fā)電路的類型按組成器件分為：單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路和計算機數(shù)字觸發(fā)電路等。其中集成觸發(fā)器的可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，連線簡單，故在此設(shè)計中使用集成觸發(fā)器KJ004。4.1.1KJ004的介紹KJ004是一種雙列直插式集成電路，適用于單相、三相全控橋式晶閘管電力電子設(shè)備中作晶閘管的雙路脈沖觸發(fā)，應(yīng)用廣泛，KJ004的基本設(shè)計特點有：1）KJ004能夠輸出相位互差180°的移相脈沖，可以方便的構(gòu)成全橋式晶閘管觸發(fā)器線路，剛好滿足設(shè)計要求；2）KJ004負載能力大，移相范圍好，正負半周脈沖相位均衡性好；3）KJ004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。KJ004內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2所示，由圖可見，該電路是由同步監(jiān)測電路、鋸齒波形成電路、偏移電路、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組成。其工作原理：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RP1流出的充電電流和積分電容C1的取值，對于不同的偏移相位控制電壓Vk，只要改變權(quán)電阻R1、R2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓VP，同時調(diào)節(jié)整個鋸齒波斜率電位器RP1，便可以在不同的移相控制電壓時獲得整個移相范圍內(nèi)的移相，KJ004觸發(fā)電路為正極性，即移相電壓增大，導(dǎo)通角增大。圖2KJ004內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.1.2觸發(fā)電路的設(shè)計圖3觸發(fā)電路4.2同步信號的定相向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源一般來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定不變的，而是會在允許范圍內(nèi)有一定的波動。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)保證每個晶閘管的觸發(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。為了保持觸發(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(cè)接入主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)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是一致的。接下來的問題是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位的正確。在單相全控橋電路中，相位為時VT1及VT4導(dǎo)通，相位為時VT2及VT3導(dǎo)通。5保護電路的設(shè)計在電路中，除了選擇合適的元件參數(shù)，良好的觸發(fā)電路之外，對元件采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo也是必要的。晶閘管一旦過流，溫度將迅速上升而燒壞；反向電壓一旦超過限度，反向擊穿后，反向漏電流也會急劇增大，導(dǎo)致燒壞。5.1.1過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓，在抑制外因過電壓的措施中，采用RC過電壓抑制電路時最為常見的，它利用電容兩端電壓不能突變的特性，這種電路能降低截流過電壓及過電壓上升陡度，還能在高頻復(fù)燃時用電阻R吸收能量使高頻振蕩過程強烈衰減，因而有限制重復(fù)性高頻過電壓的作用。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器兩側(cè)(通常供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)）。具體連接方式如圖4所示。過電流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況，快速熔斷器是最常用，最有效的過電流保護措施，正常工作時，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。直流側(cè)快速熔斷器只對負載短路或過載起保護作用，對元件無保護作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用，選擇熔斷時應(yīng)考慮：1）電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和駐電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)起來。3）快熔的I2t值應(yīng)小于被保護器件允許的I2t值。4）為保證熔體在正常過載下不融化，應(yīng)考慮其時間——電流特性。具體連接方式如圖4所示。5.1.3緩沖電路緩沖電路又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓du/dt或者過電流di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。晶閘管在實際應(yīng)用中一般也只承受換向過電壓，沒有關(guān)斷過電壓的問題，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路，具體連接方式如圖4。圖4保護電路的設(shè)計六總結(jié)這一周的課程設(shè)計，雖然時間很緊張，但是感覺收獲不少。剛拿到設(shè)計的題目時候感覺無從下手，因為書本上大部分例子都是以三相電路而寫的，經(jīng)過幾天在圖書館和網(wǎng)絡(luò)上資料的查閱，綜合各個方面的資料，才最終確定了方向；單相橋式可控整流電路在書本上原理的講述雖然不難，但是真正要自己動手進行設(shè)計，結(jié)合實際進行參數(shù)整定，又牽涉了不少以前所學(xué)習(xí)的知識。這一周的課程設(shè)計，不僅僅是讓我知道了單相橋式整流電路的原理和設(shè)計方法，更重要的是培養(yǎng)了我們用自己的專業(yè)知識解決問題的能力，進一步理解了理論必須運用于實際的重要性，加深對這門課程及專業(yè)