電力電子技術(shù)課程設計中頻加熱電源主電路設計

電力電子技術(shù)課程設計題目中頻加熱電源主電路設計學院專業(yè)班級學號學生姓名指導老師目錄1設計內(nèi)容和設計要求…………………31.1設計內(nèi)容1.2設計要求2中頻加熱電源…………42.1中頻加熱電源基本原理2.2中頻加熱電源基本結(jié)構(gòu)3整流電路的設計………63.1整流電路的選擇3.2三相橋式全控整流電路3.3整流電路參數(shù)計算4逆變電路的設計……………………104.1逆變電路的選擇4.2逆變電路參數(shù)計算5保護電路的設計……………………145.1過電壓保護5.2過電流保護6設計結(jié)果分析………186.1仿真結(jié)果6.2主電路原理圖6.3結(jié)果分析7設計心得體會………238參考文獻……………241設計內(nèi)容和設計要求1.1設計內(nèi)容1)額定中頻電源輸出功率PH=100kw，極限中頻電源輸出功率PHM=1.1PH=110kW；2)電源額定頻率f=1kHz；3)逆變電路效率h=95%4)逆變電路功率因數(shù)：cosj=0.866，j=30o；5)整流電路最小控制角amin=15o；6)無整流變壓器，電網(wǎng)線電壓UL=380V；7)電網(wǎng)波動系數(shù)A=0.95～1.10。1.2設計要求1)畫出中頻感應加熱電源主電路原理圖；2)完成整流側(cè)電參數(shù)計算；3)完成逆變側(cè)電參數(shù)計算；4)利用仿真軟件分析電路的工作過程；5）編寫設計說明書，設計小結(jié)。2中頻加熱電源2.1中頻加熱電源基本原理感應加熱利用導體處于交變的電磁場中產(chǎn)生感應電流，即渦流，所形成的熱效應使導體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝的要求，感應加熱采用的電源的頻率有工頻（50HZ），中頻（60-10000HZ），高頻（高于10000HZ）。感應加熱本身的物體必須是導體，感應加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱。感應加熱利用交流電建立交變磁場渦流對金屬工件進行感應加熱，基本工作原理如圖1，A為感應線圈，B為被加熱工件，若線圈A中通以交流電流i1，則線圈A內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件B要產(chǎn)生感應電動勢e2，形成渦流i2，這些渦流使金屬工件發(fā)熱，因此，感應加熱是靠感應線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬工件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成熱能，感應線圈與被加熱工件不直接接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。為了將金屬工件加熱到一定的溫度，要求工件中的感應電流盡可能地大，增加感應線圈中的電流，可以增加金屬工件中的交變磁通，進而增加工件中的感應電流，現(xiàn)代感應加熱設備中，感應線圈中的電流最大可以達到幾千甚至上萬安培。增加工件中感應電流的另一個有效途徑是提高感應線圈中電流的頻率，由于工件中的感應電勢正比于交變磁通的變化率，感應線圈中電流的頻率越高，磁通的變化就越快，感應電勢就越大，工件中的感應電流也就越大。對同樣的加熱效果，頻率越高，感應線圈中的電流就可以小一些，這樣可以減少線圈中的功率損耗，提高設備的電效率。2.2中頻加熱電源基本結(jié)構(gòu)經(jīng)過半導體器件的發(fā)展，感應加熱電源的拓撲結(jié)構(gòu)逐漸固定為一種AC∕DC∕AC的變換形式，基本結(jié)構(gòu)如圖所示，由整流器，濾波器，逆變器及一些控制和保護電路組成。3整流電路的設計3.1整流電路的選擇整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，應用十分廣泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。整流電路的實質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。1）整流電路的分類當負載容量大，要求直流電壓脈動小時，應采用三相整流電路，這里我們采用三相可控整流電路。我們學過的常用的三相可控整流的電路有三相半波、三相半控橋、三相全控橋、雙反星形、多重化整流電路等。（1）三相半波可控整理電路結(jié)構(gòu)和控制簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化，實際上很少應用此種電路。（2）雙反星形結(jié)構(gòu)二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路，它二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化帶平衡電抗器能保證兩組三相半波整流電路能同時導電。與三相橋式電路相比，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。（3）多重化整流電路是采用相同器件時可達到更大的功率?？蓽p少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因數(shù)，從而減小對供電電網(wǎng)的干擾，其脈動小，能提供的功率大但使用的器件多。（4）三相全控橋整流電壓脈動小，脈動頻率高，基波頻率為300Hz，所以串入的平波電抗器電感量小，動態(tài)響應快，系統(tǒng)調(diào)整及時，并且三相全控橋電路可以實現(xiàn)有源逆變，把能量回送電網(wǎng)或者采用觸發(fā)脈沖快速后移至逆變區(qū)，使電路瞬間進入有源逆變狀態(tài)進行過電流保護。2）整流電路的比較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晶閘管最大正反向電電壓的要求降低一半；若輸入電壓相同，則輸出電壓比三相半波可控整流是高一倍。而且三相全控橋式可控整流電路在一個周期中變壓器繞組不但提高了導電時間，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。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)濟性能兩方面綜合指標考慮比其他可控整流電路有優(yōu)勢，故本次設計確定選擇三相橋式可控的整流電路。3.2三相橋式全控整流電路在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控制角都是α。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。1）三相橋式全控整流電路原理圖2）三相橋式全控整流電路特性(1)三相橋式全控整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，另一個是共陽極組的，只有它們能同時導通，才能形成導電回路。(2)三相橋式全控整流電路就是兩組三相半波整流電路的串聯(lián)，所以與三相半波整流電路一樣，對于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管VT1、VT3和VT5依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差應為120°。對于共陽極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管VT2、VT4和VT6依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差也是120°。(3)由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽極組是在負半周觸發(fā)，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位應該相差180°。(4)三相橋式全控整流電路每隔60°有一個晶閘管要換流，由上一號晶閘管換流到下一號晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈沖的順序是：1→2→3→4→5→6→1，依次下去。相鄰兩脈沖的相位差是60°。(5)由于電流斷續(xù)后，能夠使晶閘管再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時有觸發(fā)脈沖。為了達到這個目的，可以采取兩種辦法；一種是使每個脈沖的寬度大于60°（必須小于120°），一般取80°～100°，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個應導通的晶閘管上都有觸發(fā)脈沖，相當于兩個窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖。這種方法稱雙脈沖觸發(fā)。(6)整流輸出的電壓，也就是負載上的電壓。整流輸出的電壓應該是兩相電壓相減后的波形，實際上都屬于線電壓，波頭uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均為線電壓的一部分，是上述線電壓的包絡線。相電壓的交點與線電壓的交點在同一角度位置上，故線電壓的交點同樣是自然換相點，同時亦可看出，三相橋式全控的整流電壓在一個周期內(nèi)脈動六次，脈動頻率為6×50=300赫，比三相半波時大一倍。(7)晶閘管所承受的電壓。三相橋式整流電路在任何瞬間僅有二臂的元件導通，其余四臂的元件均承受變化著的反向電壓。例如在第(1)段時期，VT1和VT6導通，此時VT3和VT4,承受反向線電壓uba=ub-ua。VT2承受反向線電壓ubc=ub-uc。VT5承受反向線電壓uca=uc-ua。晶閘管所受的反向最大電壓即為線電壓的峰值。當α從零增大的過程中，同樣可分析出晶閘管承受的最大正向電壓也是線電壓的峰值。3.3整流電路參數(shù)計算1)整流側(cè)最大輸出功率Pdm==1.1=1.1×=115.79KW2)整流側(cè)輸出電壓Ud=1.35ULcos=1.35×380×cos15°=495.52V3)整流側(cè)輸出電流Idmax==115.79×1000/470.7=246.0A4)整流側(cè)晶閘管額定電壓UTN=(1+10%)×380××2=1182.28V5)整流側(cè)晶閘管額定電流ITN=2××=180.9A4逆變電路的設計4.1逆變電路選擇1）電壓型逆變電路串聯(lián)諧振逆變器也稱電壓型逆變器，其原理圖如下：串聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是串聯(lián)諧振逆變器，其負載為串聯(lián)諧振負載。通常需電壓源供電，在感應加熱中，電壓源通常由整流器加一個大電容構(gòu)成。由于電容值較大，可以近似認為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。（1)串聯(lián)諧振逆變器的輸入電壓恒定，輸出電流近似正弦波，輸出電壓為矩形波，換流是在晶閘管上電流過零以后進行，因而電流總是超前電壓－φ角。（2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是自然關(guān)斷的，關(guān)斷前其電流己逐漸減少到零，因而關(guān)斷時間短，損耗小。在換流時，關(guān)斷的晶閘管受反壓的時間較長。（3)串聯(lián)諧振逆變器感應線圈上的電壓和補償電容器上的電壓，都為諧振逆變器輸出電壓的Q倍。當Q值變化時，電壓變化比較大，所以對負載的變化適應性差。流過感應線圈上的電流，等于諧振逆變器的輸出電流。（4)串聯(lián)諧振逆變器的感應加熱線圈與逆變電源(包括補償電容器)的距離較遠時，對輸出功率的影響較小。2）電流型逆變電路并聯(lián)諧振逆變器也稱電流型逆變器，其原理圖如下并聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是并聯(lián)諧振逆變器，其負載為并聯(lián)諧振負載。通常需電流源供電，在感應加熱中，電流源通常由整流器加一個大電感構(gòu)成。由于電感值較大，可以近似認為逆變器輸入端電流固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電流，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。（1)并聯(lián)諧振逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零以前進行，負載電流也總是越前于電壓－φ角。（2）并聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是在全電流運行中被強迫關(guān)斷的，電流被迫降至零以后還需加一段反壓時間，因而關(guān)斷時間較長。相比之下，串聯(lián)諧振逆變器更適宜于在工作頻率較高的感應加熱裝置中使用。（3）并聯(lián)諧振逆變器的感應線圈和補償電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過它們的電流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關(guān)斷時，將承受較高的正向電壓，器件的電壓參數(shù)要求較高。（4）對并聯(lián)諧振逆變器來說，感應加熱線圈應盡量靠近電源(特別是補償電容器)，否則功率輸出和效率都會大幅度降低。3）電壓和電流型逆變電路比較（1）儲能元件：電壓型變頻器——電容器；電流型——電抗器。（2）輸出波形的特點：電壓形電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波；電流型變頻器則為電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波（3）回路構(gòu)成上的特點，電壓型有反饋二極管直流電源并聯(lián)大容量電容（低阻抗電壓源）；電流型無反饋二極管直流電源串聯(lián)大電感（高阻抗電流源）電動機四象限運轉(zhuǎn)容易。（4）特性上的特點，電壓型為負載短路時產(chǎn)生過電流，開環(huán)電動機也可能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)；電流型為負載短路時能抑制過電流，電動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定需要反饋控制。電流型逆變器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應用于雙饋調(diào)速中，在過同步速時需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差。在中頻加熱電源主電路中，一般選擇電壓型逆變電路，在仿真過程中電壓逆變電路輸出波形要比電流逆變電路輸出波形效果更好一些。4.2逆變電路參數(shù)計算1)逆變側(cè)直流電壓因為整流電路的輸出電壓為逆變電路的直流電壓，所以Ud=470.7V2)負載兩端基波電壓有效值Uo=1.11=614.8V3）負載電流基波有效值Io=0.9Id=221.40A4)逆變側(cè)晶閘管額定電壓：UTN=2×Uo=2××614.8=1738.9V5)逆變側(cè)晶閘管額定電流：ITN=2×=2×=210.52A5保護電路的設計5.1過電壓保護1）過電壓產(chǎn)生的原因（1）當負載斷開時或快熔斷時，儲存在變壓器中的磁場能量會產(chǎn)生過電壓，顯然在交流側(cè)阻容吸收保護電路可以抑制這種過電壓，但由于變壓器過載時儲存的能量比空載時要大，還不能完全消除。措施：能常采用壓敏吸收進行保護。（2）由于交流側(cè)電路在接通或斷開時出現(xiàn)暫態(tài)過程，會產(chǎn)生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級之間存在分布電容，初級高壓經(jīng)電容耦合到次級，出現(xiàn)瞬時過電壓。措施：在三相變壓器次級星形中點與地之間并聯(lián)適當電容，就可以顯著減小這種過電壓。（3）與整流器并聯(lián)的其它負載切斷時，因電源回路電感產(chǎn)生感應電勢的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時，初級拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級感生出很高的瞬時電壓，這種電壓尖峰值可達工作電壓的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行保護。2）過電壓保護分類（1）整流側(cè)晶閘管元件過電壓保護晶閘管承受過電壓的能力極差，當電路中電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，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通。這種誤導通次數(shù)頻繁時，如導通電流較大，也可能使器件特性變壞，甚至損壞。因此，除選用管子時，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针娐贰＞чl管過電壓阻容保護電路是利用電容來吸收過電壓，其實質(zhì)是將引起過電壓的磁場能量變成電場能量儲存在電容器之中，然后電容器通過電阻放電，把能量逐漸消耗在電阻中，這就是過電壓保護的基本方法。晶閘管過電壓保護通常采用RC吸收電路，該電路直接并聯(lián)在器件陽極和陰極之間，既可吸收瞬態(tài)電壓尖峰，又可抑制電壓上升率du/dt。<1>RC吸收電路電容：Cs=(2.5~5)×10-3×IT(AV)=2.5×10-3×ITN=0.53μFCs的交流耐壓：Ucsm=1.5UTN=1773.15V<2>RC吸收電路電阻：Rs=10~30()電阻的功率:PR=fC(Um)2×10-6=1000×0.19×(2.45×Ud)2×10-6=279.3W(2）逆變側(cè)晶閘管過電壓保護：<1>RC吸收電路電容：Cs=(2.5~5)×10-3×ITN=2.5×10-3×210.52=0.53F<2>RC吸收電路電阻：Rs=10~30()電阻的功率:PR=fC(Um)2×10-6=1000×0.29×(×Ud)2×10-6=142.1W5.2過電流保護引起過流的原因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。1）整流電路過電流保護采用整流電路橋臂串聯(lián)快速容斷器過電流保護?？焖偃輸嗥鞯倪x擇原則：（1）快速熔斷器的額定電壓應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。選用時要求IR≤IRN≤1.57IT(AV)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)的額定電流應大于或等于熔體額定電流值。3）逆變電路過電流保護短路保護電路，RP3設定適當?shù)拈y值，當采樣值低于閥值時，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OI由圖4-2可知是高電平，PWM信號可通過非門送至驅(qū)動器件使逆變電路工作。當負載過載或發(fā)生短路時，采樣值高于閥值，IC2A輸出低電平，V3不導通，電流通過VD1和R5使IC2B同相端為高電平，積分電路開始工作，一定時間后，IC2B輸出高電平，IC2C也輸出高電平，使繼電器KA2動作，主回路退出運行，并點亮故障指示燈VL2。此時OI為低電平，其后原理同短路保護。積分電路的作用是當過流信號較短時，保護電路并不動作，只有過流信號持續(xù)發(fā)生時，保護電路才動作。這樣可防止誤動作，提高了保護電路的可靠性。為了防止積分電路震蕩，可在積分電路的電容兩端并上一個2M的電阻。6設計結(jié)果分析6.1仿真結(jié)果1）整流電路觸發(fā)角為15度：2）逆變電路（1）電流型逆變電路輸出電壓電流波形（2）電壓型逆變電路輸出電壓電流波形6.2主電路原理圖中頻感應加熱電源是一種將三相工頻（50Hz）交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電的裝置。目前應用較多的中頻感應加熱電源的工作原理是，通過整流電路先將三相交流電整流成可調(diào)的直流電，經(jīng)電抗器濾波后，經(jīng)過逆變器變換成頻率較高的交流電供給負載。中頻電源的主電路有若干種，但大部分用的是并聯(lián)逆變中頻電源，原理圖如圖所示。直流電源由工頻交流電源經(jīng)三相可控整流后得到。在直流側(cè)串有大電感Ld，從而構(gòu)成電流型逆變電路。單相逆變電橋由四個快速晶閘管橋臂構(gòu)成，電抗器L1～L用來限制晶閘管導通時的di／dt。VT1、VT4和VT2、VT3以中頻(500～5000Hz)輪流導通，就可在負載上得到中頻交流電。中頻電爐負載是一個感應線圈，圖中L和R串聯(lián)即為其等效電路。因為功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電容器C，電容C和L、R構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。所以這種逆變電路被稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。負載換相方式要求負載電流超前于電壓，因此補償電容應使負載過補償，使負載電路工作在容性小失諧情況下。可以看出，補償電容C也起到換流電容的