電力電子課程設(shè)計(jì)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源

合肥師范學(xué)院2012屆本科生王天文課程設(shè)計(jì)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)(2012屆)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)院系電子信息工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化姓名王天文日期2014年12月18目錄TOC\o"1-3"\h\u13437一、設(shè)計(jì)目的 115911二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2181312.1設(shè)計(jì)任務(wù) 2208682.2設(shè)計(jì)要求 216967三、主要技術(shù)參數(shù) 21693.1整流變壓器的選擇 225473.2晶閘管的選擇 3321173.3平波電抗器的選擇 47866四、設(shè)計(jì)內(nèi)容 424914.1主電路的設(shè)計(jì) 4219454.2主電路原理說(shuō)明 577884.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 883043.1晶閘管的保護(hù)電路 9236043.2交流側(cè)保護(hù)電路 91802642.3直流側(cè)阻容保護(hù)電路 107206五、設(shè)計(jì)體會(huì) 1117128附錄 119967電路圖 1116739波形圖 12設(shè)計(jì)目的1、把從電力電子技術(shù)及其它先修課程（電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)等）中所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中全面綜合的加以運(yùn)用，使這些知識(shí)得到鞏固、提高，并使理論知識(shí)與實(shí)踐技能密切結(jié)合起來(lái)。2、初步樹立起正確的設(shè)計(jì)思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計(jì)的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，訓(xùn)練設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新能力。3、培養(yǎng)具有查閱參考文獻(xiàn)和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟悉地應(yīng)用相關(guān)手冊(cè)、圖表、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為今后成為一名合格的電氣工程技術(shù)人員進(jìn)行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓(xùn)練。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)主電路及電氣控制電路，主電路為三相橋式全控整流電路；2.2設(shè)計(jì)要求裝置輸入電源為三相UL=380V工頻交流電源，輸入電壓為220VAC，輸出直流電壓的變化范圍為0～24V。繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點(diǎn)電壓、電流及元器件(晶閘管等)兩端電壓波形（匯總繪制，注意對(duì)應(yīng)關(guān)系）；主要技術(shù)參數(shù)3.1整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為：（公式1）變比為：（公式2﹚變壓器一次和二次側(cè)的相電流計(jì)算公式為：﹙公式3﹚﹙公式4﹚而在三相橋式全控中﹙公式5﹚﹙公式6﹚所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級(jí)容量為：﹙公式7﹚變壓器初級(jí)容量為：﹙公式8﹚變壓器容量為：﹙公式9﹚即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級(jí)繞組三角形接法，；次級(jí)繞組星形接法，，；容量選擇為9.46989kW。3.2晶閘管的選擇⑴晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值﹙公式10﹚故橋臂的工作電壓幅值為：﹙公式11﹚考慮裕量，則額定電壓為：﹙公式12﹚⑵晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為：﹙公式13﹚考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：﹙公式14﹚3.3平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動(dòng)和保證最小負(fù)載電流時(shí)電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)，有：﹙公式15﹚其中，（單位為mH）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當(dāng)負(fù)載電流降至20A時(shí)電流仍連續(xù)。所以取20A。所以有：﹙公式16﹚設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1主電路的設(shè)計(jì)其原理圖如圖所示習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。4.2主電路原理說(shuō)明整流電路的負(fù)載為帶反電動(dòng)勢(shì)的阻感負(fù)載。假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角α=0o時(shí)的情況。此時(shí)，對(duì)于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共陽(yáng)極組的3個(gè)晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時(shí)電路工作波形如下圖所示。α=0o時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。在分析ud的波形時(shí)，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud=ud1－ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的最大（正得最多）的相電壓，而共陽(yáng)極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的是最?。ㄘ?fù)得最多）的相電壓，輸出整流電壓ud為這兩個(gè)相電壓相減，是線電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。由于負(fù)載端接得有電感且電感的阻值趨于無(wú)窮大，電感對(duì)電流變化有抗拒作用。流過(guò)電感器件的電流變化時(shí)，在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Li，它的極性事阻止電流變化的。當(dāng)電流增加時(shí)，它的極性阻止電流增加，當(dāng)電流減小時(shí)，它的極性反過(guò)來(lái)阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無(wú)窮大時(shí)趨于一條平直的直線。為了說(shuō)明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個(gè)周期等分為6段，每段為60o，如下圖所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載α=0o時(shí)晶閘管工作情況時(shí)段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中

導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中

導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub

=uabua-uc

=uacub-uc

=ubcub-ua

=ubauc-ua

=ucauc-ub

=ucb下圖給出了α=30o時(shí)的波形。從ωt1角開始把一個(gè)周期等分為6段，每段為60o與α＝0o時(shí)的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30o,組成

ud

的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中同時(shí)給出了變壓器二次側(cè)a相電流

ia

的波形，該波形的特點(diǎn)是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。由以上分析可見，當(dāng)α≤60o時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于帶大電感的反電動(dòng)勢(shì)，id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當(dāng)α＞60o時(shí)，如α＝90o時(shí)電阻負(fù)載情況下的工作波形如下圖所示，ud平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時(shí)刻，使得ud的值出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)電感足夠大時(shí)，ud中正負(fù)面積基本相等，ud平均值近似為零。這說(shuō)明帶阻感的反電動(dòng)勢(shì)的三相橋式全控整流電路的α角的移相范圍為90度。4.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了保護(hù)設(shè)備安全，必須設(shè)置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過(guò)電流與過(guò)電流保護(hù)，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。本例中設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護(hù)方案，分別對(duì)晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計(jì)。43.1晶閘管的保護(hù)電路⑴、晶閘管的過(guò)電流保護(hù)：過(guò)電流可分為過(guò)載和短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管初開通時(shí)引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對(duì)于整流橋內(nèi)部原因引起的過(guò)流以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù)。如下圖所示：⑵、晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)：晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)主要考慮換相過(guò)電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過(guò)相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過(guò)恢復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生過(guò)電壓，即換相過(guò)電壓。為使元件免受換相過(guò)電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如下圖所示：43.2交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲，同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，可采用如下圖所示的反向阻斷式過(guò)電壓抑制RC保護(hù)電路。整流電路正常工作時(shí)，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過(guò)電壓能量的通路，電容將吸取過(guò)電壓能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量；過(guò)電壓消失后，電容經(jīng)、放電，將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。42.3直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過(guò)電壓，在下圖中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)切斷時(shí)，因直流側(cè)電抗器釋放儲(chǔ)能，會(huì)在整流器直流輸出端造成過(guò)電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能