可逆变流装置的设计

1、武汉理工大学华夏学院信息工程课程设计报告书课 程 名 称电力电子技术课程设计课程设计总评成绩学生姓名、学号 黄标 10212411322学生专业班级自动化1113指导教师姓名李莉课程设计起止日期2014、1、6 2014、1、10一、课程设计项目名称可逆变流装置的设计二、项目设计目的及技术要求设计目的设计可以实现四象限运行的可逆变流装置的主电路及其控制保护电路 技术要求及初始条件1直流电动机负载，电动机额定参数为：40KV，440V, 104A , 1000 r /min，电枢电阻Ra= 0.3 Q ,电流过载倍数入=1.5 ,2. 进线交流电源：三相380V3. 性能要求：直流输出电压0-4

2、40V,最大输出电流156A,保证电流连续的最小电流 为10A,采用三相桥式反并联可逆线路，电机可实现四象限运行。4. 三相桥式反并联可逆线路设计（包括整流变压器参数计算，整流元件定额的选择， 平波电抗器电感量的计算等），讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。5. 触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的定相等。6. 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。7. 提供系统电路图纸不少于一张。三、项目设计方案论证（可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路 原理图和PCB图）3.1主电路设计设计要求使用三相桥式反并联可逆线路，来实现电机的四象限运行，其线路如图所示, 通过控制

3、正向组VR和反向组VF的各个晶闸管的开通和关断来控制电机使其四象限运 行。变压器采用/Y连接方式，从而得到零线，且可以避免 3次谐波流入电网。所 谓电机的四象限运行是指以电动机的转速为纵坐标轴， 以电动机的电磁转矩为横坐标 轴建立直角坐标系，用来描述电动机的四种运行状态，即正向电动，回馈发电制动， 反接制动，以及反向电动运行状态。四种状态的机械特性曲线分别位于直角坐标系的 四个象限。第一象限对应正向电动状态，此时正向组工作于整流状态，电机作为电动机运行,变流装置输出电压和负载电流方向如图所示电动运行反组第二象限对应回馈制动状态，此时反向组工作于逆变状态，电机作为发电机运 行，变流装置输出电压和

4、负载电流方向如图所示。正转逆变电能M正组反组反转旌流电能电网M正组反组电动运行KM正组反组发申运行第四象限对应接向制动状态，此时正向组工作于逆变状态，电机作为发电机运行 变流装置输出电压和负载电流方向如图3-5所示。反转逆变发电运行第三象限对应反向电动运行状态， 此时反向组工作于整流状态，电机作为电动机运 行，变流装置输出电压和负载电流方向如图所示。3.2变压器的额定容量的计算和选择在理想情况下，三向桥式整流电路变压器二次侧相电压2E与最大整流直流电压Ud max的关系是：Ud max=234E2在可逆系统中由于有最小逆变角限制的问题，因此：Ud max= 2.34E2COSB min在理想情

5、况下，Ud max等于电动机额定电压 Uvt，但实际中会受到各种影响，包括：(1) 电网电压波动所造成的影响。电网电压不是在所有情况下都等于标准电压值的，而是由一定的波动，即大部分时间内是小于或者大于标准电压值的。(2)(2) 晶闸管的管压降 Uvt。当晶闸管导通时其正向压降不为零，设其为Uvt。在本次使用的三相全控桥反并联电路中总的晶闸管管压降为2Uvt(3) 整流变压器内阻的影响。变压器电阻也会对Ud max产生影响。在考虑这几种影响的情况下，U d max应该等于电动机额定电压Un加上晶闸管的管压降 2Uvt，另外考虑整流变压器内阻压降及电网电压波动，通常还需要再增加(10%15%)。取

6、Uvt =1V，最小逆变角 3 min=30O，因此：Ud max=1.1 ( Un + 2Uvt)=486.2V 所以：L486,2 Tr E2,34cos/k234+COS300由于带有平波电抗器，所以变压器二次侧的电流波形为正负对称的矩形波，如图所示。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一次绕组中去。 因此21ii和的波形基本相同。变压器二次侧电流的有效值为：1 2 = J I1： 乂_兀界_兀=84.9A忖I 33一次侧和二次容量均为 S=3EI 1=3曰2=61.1KW2n 3图3-6变压器一灰侧、二次侧电流波形图为考虑到工作负荷不会过重

7、，并且变压器也容许一定过载，所以选取一台额定功率为 61KW /Y逹接，U=380V, U2=415V, I i=95A, I 2=85A,的变压器3.3 晶闸管的选择流过晶闸管的电流的有效值为:= 104+J3 = 604晶闸管的额定电流:_ (13 “ 2)叶如空57.3、64/1.5 7晶闸管承受的最大反向电压为：= y6E: =76x240=58Z9K晶闸管额定电流为：= (2 - 3)L =1 1758-1 7657(F)选择额定电流为 A60，额定电流为V1500的晶闸管作为整流器件。3.4平波电抗器的选择为了保证稳定运行时电流波形的连续，控制直流电流断续范围， 在电枢回路中设置了

8、平波电抗器。电动机电枢电感440L. =K.= 10x= 7.05VnHs D 2PnyIy2x3x1000x104限制输出电流脉动的电感量0.46xl0J x4152x314x300x0.05xl04mH = 11 25mH所以，平波电抗器的实际电感量为£ = L3f - (Ls + 2L= 1 L25 - (7,0 5 U 2x 0.449) = 330 阮H3.5晶闸管对电网和功率因数的影响由于在电路中接有平波电抗器，所以负载电流时连续的，其工作时电压和电流的波形和感性负载类似，所以可以按照感性负载来讨论功率因数。则交流侧电抗为零，直流电感L为足够大。电流中仅含6k+1(k为正

9、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，基波因数为T3v = 老 0.955I n电流基波与电压的相位差仍为a，故位移因数仍为必=COSJ =COS£t功率因数即为3几=1/入=1 cos = cosar 0,955cos a = 0.897 I冗3.6触发电路的设计361触发电路的选型晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要 的时刻由阻断变为导通。晶闸管触发电路应该满足下列要求：（1）触发脉冲的宽度应该保证晶闸管可靠导通。对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲和 祿冲列耻良二卡全控桥式变流器的馳发脉;应宽丁

10、60或采用和隔60的双窄脉冲。（2）触发脉冲应有足够的幅度（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率额定，且在门极伏安特性的可靠 触发区域内。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。集成电路的可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐 渐普及，在这里选用 KJ系类。KJ004的电路原理图如图4-1所示。该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移 相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电路原理为：锯齿波的斜率 决定于外接电阻 R6 RW1流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,

11、只有改变权电阻 R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增 大。R7和C2形成微分电路，改变 R7和 C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。可控硅移相触发器 KJ004电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲 移相触发。电参数如下。电源电压：直流+15V, -I5V，允许波动土 5% （ ± 10%功能正常）。 电源电流：正电流w 15mA 负电流w 10mA同步电压：任意值。同步输入端允许最大同步电流：6mA有效值）。移相范围

12、：I70 ° （同步电压30V,同步输人电阻15k Q ）。锯齿波幅度：1OV（幅度以锯齿波出现平顶为准）。输出脉冲： a.脉冲宽度：10卩s2ms（改变脉宽电容达到）。b脉冲幅度：13V。 c.最大 输出能力：KJ004为l00mA（流出脉冲电流）。KJ004A为10mA d.输出反压：BVceoI8V（测试条件：le w 100卩A)。正负半周脉冲相位不均衡度三±3C: 070CR： -55 85C E: -40 85C M -55使用环境温度为四级：125 C KJ004(KJ004A)II 1：KJ004电路原理图采用双列直插16脚封装，其引脚图如图16151413

13、1211 H) 9KJ004)2345678各个引脚功能：1、15输出；2、6、10空；3、4锯齿波形成；5 -Vee (1k Q); 7地；8同步输入；9综合比较；11、12微分阻容；13、14封锁调制；16 +VccKJ041是六路双脉冲形成器，其内部是由12个二极管构成的六个或门。用三个KJ004集成块和一个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 全控桥整流电路的集成触发电路，如图15Vo+ 15Vois|(1 50E反匹匹Llrfr一 wr（1疔脚为6讎单舔冲输入）) KJM1岁早曹学尹 ：0脚为6路取矇冲輪出）I 1 I疔 /v 广0至V7

14、 劉Tj 却T* VT4 致T斗至HT肩三相全控桥整流电路的集成触发电路本次采用两组晶闸管反并联组成的 a =3工作制的有环流系统，它用同一个控制电压SU去控制两组触发装置，正组触发装置 GTF由Uc直接控制，而反组触发装置 GTR由-Uc控制，是经过 放大系数为-1的反向器后得到的。使 a始终与3相等，两组晶闸管输出电压相等。362触发电路的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在 允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保 证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电

15、路 的定相。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将一次侧接入为主电路供电的电 网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压 频率始终是一致的。接下来就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲 相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结 构等触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。 主电路电压与同步电压的关 系如图所示对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电压 Ua相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为+Ua, VT1 的触发脉冲从0 0至180°的范围为wt

16、iWt2。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的 起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240°，上升段起始的30°和终了的30°线性度不好，舍去不用，使用中间的180°。锯齿波的中点与同步信号300°位置对应。三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使Ud=0的触圾们为90°。当a < 90°时为整流工作，a > 90°时为逆变工作。将a =90°确定为锯齿波的中点，锯齿 波向前、向后各有 90°的移相范围。于是 a =90°与同步

17、电压的300°对应，也就是a =0°与同步电 压的210°对应。对于其它五个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压180°。对于共阳极组的VT4、VT6和VT2，它们的阴极分别与 Ua、Ub和Uc相连，可得简单表示它们的主电路电 压分别为-Ua、-5和-Uc。3.7晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计3.7.1晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常， 且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸

18、管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压 保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护如图阻容保护电路3.7.2晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子 误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快 速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种：桥臂串 快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保 护效果不好。过电流继电

19、器保护中过电流继电器开关时间长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大,不宜米用。总结的结果：最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法，如图所示。四、项目设计结果分析(分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问 题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法) 系统原理和环流分析本次设计的系统为两组晶闸管反并联组成的a =3工作制的有环流系统系统原理a =3工作制触发脉冲的具体实施为用一个控制电压Uc控制I、n两组变流桥的控制角，使它们同步的向相反的方向变化。ai= 32=900 ,电动机转速

20、为零；a= 3 < 90° ; a2= 3 > 90°(1) 正向组进入整流状态，交流电源供能，电机正转电动运行反向组虽可以有输出电压 Ud2,但因不满足|Em| > | Ud2|而没有逆变电流，称这种状态为待逆变状 态。(2) 正向组待整流反向组输出电压 Ud,此时满足| Em| > |Ud2l，所以反向组处于逆变状态，此时，电机正转运 行于回馈制动状态ai=32 >90° ; a=3< 90°,此时(1 )正向组输出电压 Ud,此时满足| Em| > | Ud2|，正向组处于逆变状态，发向组处于待整 流状态，

21、电机处于反接制动状态，电能回送电网。(2)正向组输出电压 Ud,此时不满足| Em| > | Ud2|，正向组处于待逆变状态，发向组处于 整流状态，电机处于反向电动运行状态，交流电源供能环流分析电路中的环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。桥式电路有两个环流回路环流一般不作有用功，环流产生的损耗可使电器元件发热，甚至还会造成短路事故，因此必须设 法使变流装置不产生环流。a =3配合控制的有环流可逆系统，对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a =3的配合控制关系，假设正组为整流，反组为逆变，即有ai=3, Udi=Ud2，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。所以应串入环流电抗器LC限制环流。一个回路要有两只环流电抗器，因为其中一只会流过负载电流而饱和，从而起不到抑制环流的作用。心得体会本次课程设计的题目有一定的难度，有很多知识是上课的时候没有学到的，需要去查阅资料 学习。本次的课程设计包括以下几个方面。首先，对主电路所需的变压器，晶闸管和平波电抗器等进行了参数的计算和选择，在课堂上,我们学到的都是理论知识，在计算时是按照理想情况进行的。但是，在一个实际的系统中，是会 有各种各样的影响因素需要考虑的。所以，在进行参数计算时要先理清有什么影响因素，然后按 照