《电力电子》课程设计说明书可逆变流装置的设计.doc

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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题目： 可逆变流装置的设计初始条件：直流电动机负载，电动机额定参数为：40KW，440V，104 ，1000/min，电枢电阻Ra0.3，电流过载倍数1.5，使用三相桥式反并联可逆线路，电机可实现四象限运行。要求完成的主要任务：1.三相全控桥式反并联可逆线路设计（计算整流变压器容量，选择元件的额定参数）。讨论晶闸管电路对电网及功率因数的影响。2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.系统原理与环流分析。5.提供系统电路图纸至少一张。课程设计说明书应严格按

2、统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.7.42011.7.5 收集资料2011.7.62011.7.8 系统设计2011.7.92011.7.10 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要电子技术的应用已深入到工农业经济建设、交通运输、空间技术、国防现代化、医疗、环保和亿万人们日常生活的各个领域，进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛，因此对电力电子技术的研究更为重要。在工业生产中，需要高性能控制的电力拖动场合中，直流

3、电机不同象限运行发挥重要的作用。本次课程设计是利用两组三相桥式全控整流系统的正反并联的可逆电路，计算得合适的元件参数和晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计，经触发电路触发后，改变不同的触发角，可使电动机四象限运行：当使正组变流器处于整流状态时，直流电动机正向运行；当使反组变流器处于整流状态时，直流电动机就能反向运行。关键词： 直流电动机 晶闸管 变流器 逆变目录1 设计要求11.1 初始条件11.2 设计任务11.3 题目分析12 三相全控桥式反并联可逆线路设计12.1 三相桥式全控整流电路12.2 三相桥式全控桥带电动机负载22.3 主电路及其工作原理32.4控制方案（环流分析）43 参数

4、计算53.1 变压器的计算53.1.1变压器二次侧相电压计算53.1.2变压器电流计算53.1.3变压器容量计算63.2晶闸管的选择63.3平波电抗器的选择73.4系统功率因数的讨论73.5晶闸管对电网的影响84触发电路设计95晶闸管保护电路设计115.1晶闸管过压保护电路设计115.2晶闸管过流保护电路设计126心得体会13参考文献15可逆变流装置的设计1 设计要求1.1 初始条件 直流电动机负载，电动机额定参数为：40KW，440V，104 ，1000/min，电枢电阻Ra0.3，电流过载倍数1.5，使用三相桥式反并联可逆线路，电机可实现四象限运行。1.2 设计任务1.三相全控桥式反并联可

5、逆线路设计（计算整流变压器容量，选择元件的额定参数）。讨论晶闸管电路对电网及功率因数的影响。2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.系统原理与环流分析。5.提供系统电路图纸至少一张。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。1.3 题目分析 先分析三相桥式全控整流电路的工作原理，了解三相桥式全控整流电路带电动机负载的工作状态和不同触发角的波形图，再设计出三相桥式反并联可逆线路，通过控制左边和右边全控桥的工作状态

6、和触发角可实现电机可实现四象限运行。2 三相全控桥式反并联可逆线路设计2.1 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的原理图如图2.1，此电路由变压器和6个晶闸管以及负载组成。变压器二次侧接成星形，而一次侧接成三角形，避免三次谐波电流入电网。习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT2、VT4、VT6）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按1到6的顺序导通，为此将晶闸管按图2.1所示的顺序编号，即共阴极组中与A、B、C三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与A、B、C三星电源相机的三个晶闸管分别为VT

7、4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样, 故该电路为6脉波整流电路。晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。图 2.1 三相桥式全控整流电路图2.2 三相桥式全控桥带电动机负载 工作在整流状态

8、。当负载为直流电动机时，负载可看成是一个支流电压源，下面分析接反电动势-电感型负载的情况。 分析知，只有在变压器二次侧电压的绝对值大于反电动势E时，才有晶闸管承受正向电压，有导通的可能。当电感很小时，当，即降至0使晶闸管关断。波形在一周期内有可能有部分时间为0的情况，称为电流断续。负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性很软。为了克服以上缺点，一般在主电路的直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。 逆变和整流的区别是控制角的不同和直流电动势的大小。且时，电路工作在整流状态，且时，电路工作在逆变状态。2.3 主电路及其工作原理可逆变流装置的主电路是

9、由正组和反组并联在电动机上来实现电动机的可逆运行，正组提供正向电压，实现电动机正转；反组提供反向电压，实现电动机反转。主电路如下图2.3所示：图2.3 主电路图2.4 主电路工作原理（1）工作原理 主电路工作原理如上图2.4所示： a.电动机工作在第1象限，正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，90，EMUd（下标1表示正组桥，下标2表示反组桥）a b.电动机工作在第2象限，正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，90)，EMUd。b c.电动机工作在第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，90，EMUd。 d.电动机工作在第4象限，反转，电动机作发电运行，正组桥

10、工作在逆变状态， 90) ， EMUd。（2）由正转到反转 从1组桥切换到2组桥工作，并要求2组桥在逆变状态下工作，电动机进入第2象限（之前运行在第1象限）作正转发电运行，电磁转矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经2组桥逆变为交流电能回馈电网。 改变2组桥的逆变角，使之由小变大直至=/2（n=0），如继续增大，即/2，2组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第3象限的电动运行。电动机从反转到正转，其过程则由第3象限经第4象限最终运行在第1象限上。2.4控制方案（环流分析）根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为几种不同的控制方案，如配合控制有环流（即=工作制）、可控环流、逻辑控制

11、无环流和错位控制无环流等。 对于=配合控制的有环流可逆系统，当系统工作时，对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证=的配合控制关系，两组变流器的输出电压平均值相等，且极性相抵，之间没有直流环流；但输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流，为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入环流电抗器LC限制环流。 工程上使用较广泛的逻辑无环流可逆系统不设置环流电抗器，控制原则是：两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不存在环流；变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，故称为逻辑控制无环流系统。 3 参数计算3.1 变压器的计算由所学电力电子技术实验所知，很多情况下晶闸管整

12、流装置所要求的交流电电压与电网电压往往不能一致，同时，为了减小电网与整流装置的相互干扰，限止高次携波电流流入电网，还要使整流器主电路与电网隔离，所以需要配置合适的整流变压器。整流变压器额定参数的计算主要根据主电路的形式，负载的大小，输出直流电压和负载电流，求出整流变压器的二次绕组相电压、二次绕组电流和容量，然后求出一次侧电流和容量。3.1.1变压器二次侧相电压计算 二次侧相电压是一个非常重要的参数，选择过低的时候，无法保证输出额定电压。选择过高，又会造成控制角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加成本。由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为762.1V和440V，由变压器为接法可

13、知变压器二次侧相电压为： 变比为：3.1.2变压器电流计算根据整流电路的不同形式与负载性质，可计算变压器一次与二次电流的有效值。如不计变压器励磁电流，则根据磁势平衡原理可知变压器一次侧、二次侧电流的关系为式中：、-变压器一次侧和二次侧绕组的匝数； K-变压器的匝数比，K=/。对于普通电力变压器，一次、二次绕组流过的是有效值相等的正弦电流，但是对于整流变压器，通常一次、二次绕组流过的是非正弦电流。下面一三相桥式整流电路为例进行分析。大电感负载时，变压器二次侧电流的波形图如图2.1.2所示，这种波形为正负对称的矩形波，可分解成基波与各次谐波。由于没有直流分量，因此它们都可以通过变压器的磁耦合反映到

14、一次绕组中去。所以，和电流波形相似，电动机负载的额定电流为104A，所以变压器二次侧额定电流为： 3.1.3变压器容量计算所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为： 变压器初级容量为： 变压器容量为： 变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法，；次级绕组星形接法，；容量选择为。3.2晶闸管的选择（1）晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形（图2-4）分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 故桥臂的工作电压幅值为： 考虑裕量，则额定电压为： （2）晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为： 考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：3.3平波电抗器的选择在使用晶闸管整流装置供电时，其

15、供电电压和电流中，含有各种谐波成份。当控制角增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。 其中，L（单位为mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。由题目要求：当负载电流降至20A时电流仍连续。所以取20A。所以有：

16、 3.4系统功率因数的讨论三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，由于设计时接了平波电抗器，所以负载电感足以使电流连续，则电路的工作情况与感性负载时相似，即可以根据感性负载来讨论功率因数。设交流电抗为零，假设直流电感 为足够大，。此时，电流为正负半周各的方波，三相电流波形相同，且依次相差，其有效值与直流电流的关系为同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有由式(2.3.4)可得电流基波和各次谐波有效值分别为由此可得以下结论：电流中仅含(为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。由式(2.3.3)和式(2

17、.3.5)可得基波因数为电流基波与电压的相位差仍为，故位移因数仍为功率因数即为 3.5晶闸管对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶

18、闸管是理想的开关元件，导通时认为其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械

19、振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流

20、，把电网谐波电压控制在允许的范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。世界各国所指定的谐波标准大都比较接近。我国由技术监督局与1993年发布了国家标准(GB/T14549-93)电能质量公用电网谐波，并从1994年3月1日起开始实施。4触发电路设计 由于这个课设的主电路需要12个晶闸管，所需触发控制角多，所以TC787，因为它的异相控制角多。TC787和TC788是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。它们是目前国内

21、市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此，TC787/TC788可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，

22、为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。 图4-2 TC787管脚图 TC787/TC788的内部结构及工作原理框图如图2所示。由图可知，在它们内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。它们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路

23、内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲(对TC787为调制脉冲，对TC788为方波)信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。假设系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲(引脚6为高电平)或单脉冲(引脚6为低电平)的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁

24、脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12、11、10、9、8、7输出全为低点电平。触发电路如图4-2所示：图4-2 TC787触发电路5晶闸管保护电路设计5.1晶闸管过压保护电路设计正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为，超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压。这两种过电压都是经常发生和不可避免的。因此，在变流过程中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。抑制暂态过电压的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收过电压

25、的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护3种。（1）交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。通常是在变压器次级(元件侧)并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。其电路图如图3.1所示。图5.1 阻容过电压保护电路（2）直流侧的过电压保护也可以采用阻容电路进行保护，其计算参数同交流侧过电压保护。（3）晶闸管换

26、相过电压的保护由于晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的，所以晶闸管的缓冲电路就简化为了晶闸管的换相过电压保护，即采用RC吸收电路即可。其电路图如图3.2所示。图5.2 晶闸管换相过电压保护电路图5.2晶闸管过流保护电路设计 变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面：(1) 外部短路：如直流输出端发生短路。(2) 内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。(3) 可逆系统中产生换流失败和环流过大。(4) 生产机械发生过载或堵转等。晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿

27、而损坏。因此必须设置过流保护，其目的在于一旦变流电路出现过电流，就把它限制在元件允许的范围内，在晶闸管被损坏前就迅速切断过电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其它元件。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：交流断路器；进线电抗器；灵敏过电流继电器；断路器；电流反馈控制电路；直流快速开关；快速熔断器。可按实际需要选择其中一种或数种。下图为快速熔短器进行保护。图5.3 变流装置过流保护电路6心得体会电力电子技术的应用范围十分广泛，已深入到工农业经济建设、交通运输、空间技术、国防现代化、医疗、环保和亿万人们日常生活的各个领域，进入21世纪后电力电子技术的应用更加全面，因此对电力电子技术的研究更为重

28、要，这已成为一个重要的发展趋势。电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程，且具有很强的实践性，因此在教学中占据着十分重要的地位，所以这次的电力电子技术课程设计就显得十分重要与需要。这是一次锻炼自己设计电路的一次很好的机会，会使大家很好的锻炼动手和动脑的能力。这次电力电子设计中也让我了解到了电力电子技术在多方面的应用。平常我们上电力电子技术课时，老师讲的都是理论知识，没有试验的验证与对比，我感觉很难理解这些知识，为了应付作业和考试，我也只是略微了解了些原理，把公式记牢就够了。然而在这次自动控制原理课程设计中，就暴露了许多问题。我开始在做可逆变流装置的设计时，刚拿到这个题目时，觉

29、得非常难，因为我在书上没见过三项桥式反并联电路，问了同组的人，他们也不知道，后来在网上一查知道原来就是三相桥式电路和一组反并联的三项桥式电路组成，只要懂得三相桥式电路就会做了。虽然懂得了原理，但真正做起来还是有难度，在基数按整流变压器时，网上就有好几个算法，觉得都有道理，不知道采用哪一个，还有画触发电路时，protel 99 SE中没有常用的KJ004、TC787，就不会画了，拖了好久才知道可以用protel自己做元件。通过翻书、上网查、同组讨论后，终于做完了本次课程设计。通过这次课程设计，我充分锻炼了自己的能力，包括查阅资料的能力，设计能力，与同学相互探讨的能力。也从课程设计中体会到了书本的

30、知识真的很局限，它只是老师将我们带进去的一门工具，真要达到了学以致用必须要不断的充实自己，学习各方面的知识，不要局限在一本书上，从而真正达到理论联系实际的目的。参考文献1王兆安.电力电子技术.机械工业出版社,20072唐介.电机与拖动（第二版）.高等教育出版社，20073龙志文.电力电子技术.机械工业出版社,20054张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社，20085陈坚编.电力电子学.高等教育出版社,20015赵炳良.现代电力电子技术基础.清华大学出版社,19956王芳主.电子线路Protel99 SE实用教程.中南大学出版社,20057翁瑞琪.袖珍电子工程师手册.机械工业出版社，20038刘雨隶.电力电子技术及应用.西安电子科技大学出版社，20069颜世钢.电力电子技术问答.机械工业出版社，2007附录 主电路图触发电路图本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级自动化课程设计题目：可逆变流装置的设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好（20分）设计说明书文理通顺，工整（10分）设计方案合理，论证充分（20分）设计资料齐全，格式规范（10分）独立完成任务，无原理性错误（20分）答辩（20分）总 分：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日