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电力电子课程设计chuban

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题目: 小功率晶闸管整流电路设计

设计技术数据及要求:
1、 交流供电电源;
2、 电路输出的直流电压和电流的技术指标满足系统要求。
3、 电路应具有一定的稳压功能, 同时还具有较高的防治过电压和过电流的抗干扰能力。触发电路输出满足系统要求。
4、 负载为她励直流电动机, 型号为, 电机参数为:
型号
额定功率
额定电压
额定电流
额定转速
电枢回路电感

一、 总体方案论证及选择
1、 对电气控制系统的技术要求
①输出一定的直流电压和电流。
②输出电压的脉动指标在允许范围内。
③具有自动稳压功能和一定的稳压精度。
④对调速系统应有静态技术指标和动态技术指标的要求。
2、 直流电动机选择
根据被控对象的特点和技术要求, 综合设计题目给出的参数, 故选用直流她励电动机。
3、 主电路的选择
一般说来, 对于晶闸管整流装置在整流器功率很小时( 以下), 用单相整流电路, 功率较大时用三相整流电路。由于本设计方案的负载直流电机的额定功率为远大, 故选择三相整流电路。
方案一: 三相零式整流电路
优点: 三相整流电路中, 三相零式电路突出的优点是电路简单, 用的晶闸管少, 触发器也少, 对需要220V 电压的用电设备直接用380V电网供电, 而不需要另设整流变压器。
缺点: 要求晶闸管耐压高, 整流输出电压脉动大, 需要平波电抗器容量大, 电源变压器二次电流中有直流分量, 增加了发热和损耗。因零线流过负载电流, 在零线截面小时压降大, 往往需要从变压器单独敷设零线。
方案二: 三相桥式整流电路
优点: 在输出整流电压相同时, 电源相电压可较零式整流电路小一半, 因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分量。输出整流电压脉动小, 因此平波电抗器容量就可小一些。
缺点: 整流器件用得多, 全控桥需要六个触发电路, 需要电压的设备也不能用电网直接供电, 而要用整流变压器。
综合比较可知, 应用本此设计的电路应选择为三相桥式整流电路作为整流电路。
4、 触发电路的选择
晶闸管的门极电压又叫触发电压, 产生触发信号的电路叫触发电路。触发电路性能的好坏, 直接影响到系统工作的可靠性。因此触发电路必须保证迅速、 准确、 可靠地送出脉冲。为达到这个目的, 正确选用或设计触发电路是非常重要的, 一个触发电路性能的优劣常见下列几点来衡量:
1．触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步, 以保证每个周期都在相同的延迟角处触发导通晶闸管。
2．触发脉冲应能在一定的范围内移相。对于不同的主电路要求的移相范围也不同。例如对于三相半波电路、 电阻性负载, 要求的移相范围为0°～ 150°; 大电感负载(电流连续), 只要求整流, 则移相范围为
0°～ 90°; 如既要求整流又要逆变, 则为30°～ 150°; 三相全控桥式电路, 电阻负载时为0°～ 120°, 既要整流又要逆变时, 其移相范围为30°～ 150°, 为保证逆变可靠, 对最小逆变角min 应加以限制; 三相半控桥式电路, 移相范围为0°～ 180°。
3．触发信号应有足够的功率( 电压与电流) 。为使所有合格的器件在各种可能的工作条件下都能可靠触发, 触发电路送出的触发电压和电流, 必须大于器件门极规定的触发电压UGT 与触发电流IGT 。例如 KP50 就要求触发电压不小于3.5V, 电流不小于l00mA; KP200 则要求触发电压不小于4V, 电流不小于200mA 。故触发电压在4V以上、 1OV以下为宜, 这样就能保证任何一个合格的器件换上去都能正常工作。在触发信号为脉冲形式时, 只要触发功率不超过规定值, 触发电压、 电流的幅值在短时间内可大大超过额定值。
4．不该触发时, 触发电路的漏电压应小于0.15～0.2V, 以防误触发。
5．触发脉冲的上升前沿要陡。否则, 因温度、 电源电压等因素变化时将造成晶闸管的触发时间不准确。设脉冲的幅值为Um, 脉冲前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的时间, 一般要在10μs以内为宜。
6．触发脉冲应有一定的宽度。一般晶闸管的开通时间为6μs左右, 故触发脉冲的宽度至少应在6μs以上, 最好应有20～50μs。对于电感负载, 触发脉冲的宽度应加大, 否则在脉冲终止时主电路电流还上升不到晶闸管的擎住电流, 则晶闸管又重新关断。
5、 保护电路的设置
晶闸管有许多优点, 可是它承受过电压和过电流的能力很差, 短时间过压过流就会使器件损坏。晶闸管能承受电压和电流上升率是有一定限制的, 当电流上升率过大时, 会使器件局部烧穿而损坏。当电压上升率太大时, 又会导致晶闸管误导通, 使运行不正常。除了合理选择晶闸管外, 还必须针对过电压和过电流采取恰当的保护措施。
二、 主电路设计
1、 系统框图
稳压电路
变压器
负载电机
三相全控桥整流
阻容保护

图1 系统框图

2、 主电路图

图2 主电路图

三、 单元电路的设计
1、 整流变压器额定参数计算
① 变压器二次侧相电压的计算
由指导书中第13页给出的计算过程可知:
经查表: ,
带入计算得: , 取
② 二次侧相电流和一次侧相电流的计算
首先求变比
由表可知:
带入计算得:
③ 变压器容量计算:

2、 整流元件的选择
① 晶闸管额定电压: 系数取为
② 晶闸管的额定电流
由表可知:
计算得:
因此, 选用晶闸管型号为

3、 电抗器参数计算
为了使直流负载得到平滑的直流电流, 一般在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld, 称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流, 一般是已知的, 因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。
( 1) 使输出电流连续的临界电感量

查表2-7可得: K1 =0.695
计算得:

( 2) 限制输出电流脉动的电感量

查表2-7可得:
计算得: L2 = 13.50 mH
( 3) 电动机电感量LD和变压器漏电感量

由所给负载参数:
取
带入计算得:

查表得:
带入计算得:
( 4) 实际串入电抗器电感量

故选用作为串入半波电抗器的电感值。

4、 晶闸管保护环节的设计与计算
( 1) 过电压保护:
以过电压保护部位来分, 有交流侧过电压保护、 直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
( ⅰ) 交流侧过电压保护措施
采用组容保护。即在变压器二次并联电阻R和电容C进行保护, 接线方式为三相变压器二次侧 Y 联结, 阻容保护 Y 联结。如图4所示。

图3 组容保护
参数计算:
由于
对于Im变压器励磁电流百分数, 10~100 KV·A变压器对应
因此取
变压器对应的, 这里取

电容C耐压

取

( ⅱ) 直流侧过电压保护措施
直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法, 可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性, 而且会造成 di/dt 加大。因此, 一般不采用阻容保护, 而只用压敏电阻作过电压保护, 如下图4所示。

图4 直流侧过电压保护电路图
压敏电阻的标称电压, 一般用下面公式计算, 即:

由于 , 则
故选用

( ⅲ) 晶闸管两端过电压保护措施
由于晶闸管型号为KP100-5, 则采用的在晶闸管两端并联组容保护。由经验数据得,线路图如上图右所示。

( 2) 过电流保护
快速熔断器简称快熔, 其断流时间短, 保护性能较好, 是当前应用最普遍的保护措施。快速熔断器能够安装在直流侧、 交流侧和直接与晶闸管串联。电路图如下。

图5 过电流保护电路图
四、 触发电路选择与设计
触发电路选择KJ004电路, 它的原理与分立元件的锯齿波移相触发电路相似, 也分为同步、 锯齿波形成、 移相、 脉冲形成、 脉冲分选及脉冲放大几个环节。由1个KJ004 构成的触发单元可输出2 个相位间隔180°的触发脉冲。只需用3个KJ004 集成块和1个KJ041集成块,即可形成六路双脉冲,再由六个晶体管进行脉冲放大,即构成完整的三相全控桥触发电路,如图 2-17 所示。
其中, KJ041内部实际是由12个二极管构成的6个或门, 其作用是将6 路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。也有厂家生产了将图2-17全部电路集成的集成块, 但当前应用还不多。
以上触发电路均为模拟量的, 其优点是结构简单、 可靠, 但缺点是易受电网电压影响, 触发脉冲的不对称度较高, 可达3°～4°, 精度低。在对精度要求高的大容量变流装置中, 越来越多地采用了数字触发电路, 可获得很好的触发脉冲对称度。
触发电路图见附页1。

五、 系统电气原理总图
系统电气原理总图见附页2。

六、 参考资料
1．《电力电子技术课程设计指导书》, 王世荣等 编 .12
2．《电力电子技术》, 机械工业出版社, 王兆安 编 .2
3．《半导体变流技术》, 机械工业出版社 黄俊 编 1980年
4．《电力电子技术题例与电路设计指导》, 石玉、 栗书贤、 王文郁编, 机械工业出版社
5．《电力电子技术》, 林辉、 王辉主编, 武汉理工大学出版社
6．《电力电子技术》, 苏玉刚、 陈渝光主编, 重庆大学出版社
7．《电力电子技术》, 浣喜明、 姚为正编著, 高等教育出版社
8．《电力电子技术》, 石新春、 杨京燕等编, 中国电力出版社
9．《电力电子技术实践教程》, 潘孟春、 胡媛媛主编, 国防科技大学出版社

七、 设计总结
经过本课程设计, 我受益匪浅。熟悉和掌握可控整流电路的基本工作原理及参数计算方法。掌握晶闸管在相关电路中的工作特点, 并能根据设计要求, 正确计算晶闸管参数, 合理选择晶闸管型号。了解常见晶闸管触发电路的特点, 并能根据实际电路选择合理的触发电路形式。对常见的晶闸管保护电路具有一定的分析和设计能力。具有初步发现和解决设计中出现的问题的能力。
在理论联系实际、 综合分析、 理论计算、 归纳整理和实验研究等方面得到综合训练和提高, 培养了独立解决实际问题和从事科学研究的初步能力。能够初步建立正确的设计思想, 熟悉工程设计的一般顺序、 规范和方法, 可培养了严肃认真的工作作风, 树立正确的全局观点, 为后续课程的学习和毕业设计乃至毕业后向工程技术人员过渡打下基础。