电力电子课程设计三相全控桥式晶闸管电动机系统设计

1、中北大学电子技术课程设计说明书三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计信息与通信工程学院电子技术课程设计说明书设计题目用一号黑体字，一行排不下可排两行，居中学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2013年 1月4 日中北大学电子技术课程设计说明书设计题目用一号黑体字，一行排不下可排两行，居中学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2013年 1月4 日与通信工程 学生姓名： 学号：电气工程及其自动化学 院：高丽珍 张晓明专 业：指导教师：2013年1月4 日目录1 引言1 1.1 设计条件及内容1 1.2 问题分析12三相全控桥式主电路设计12.1整流变压器的设计12.1.

2、1整流变压器的设计原理12.1.2变压器参数计算22.2整流电路22.2.1晶闸管简介22.2.2整流器件的定额计算和选择22.2.3三相全控桥式整流电路的特点32.3 平波电抗器的参数及选择42.3.1电抗器的电感42.3.2整流变压器漏电感的计算52.4晶闸管对电网的影响52.5 系统功率因数的讨论63触发电路的设计73.1 集成触发电路73.2 KJ004 的工作原理74晶闸管保护电路94.1晶闸管过压保护电路94.1.1交流侧过电压保护94.1.2直流侧的过电压保护94.1.3晶闸管换相过电压的保护104.2晶闸管过流保护电路设计104.3电流上升率、电压上升率10电流上升率104.3

3、.2电压上升率115MATLAB 仿真结果11 5.1 仿真电路图11 5.2 电源电压波形图11 5.3 触发信号波形图12 5.4 晶闸管电流和电压波形图12 5.5 负载电流和电压波形图126 设计心得13参考文献15致谢161 引言1.1 设计条件及内容设计条件：1直流电动机额定参数： PN=10KW, UN=220V, IN =50A,nN =1000r/min，电枢电阻Ra=0.5，电流过载倍数1.5，电枢电感LD =7mH，励磁电压UL=220V 励磁电流IL=1.6A，使用三相可控整流电路，电动机负载，工作于电动状态。2. 进线交流电源：三相380V3. 性能指标：直流输出电压

4、0-220V，最大输出电流75A，保证电流连续的最小电流为5A。设计内容：1. 三相全控桥式主电路设计（包括整流变压器额定参数计算，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。2.触发电路设计，包括触发电路选型（可使用集成触发器），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。1.2 问题分析根据所给任务的要求，首先认真分析题目，题目是三相全控桥式晶闸管电动机系统设计。由于所给电动机是直流电动机，可以知道这是一个交流到直流的变换电路，即整流电路。直流电动机负载可以看成是三相全控桥式晶闸管电路接一个反电动势负载，由此可以得出此设计的重

5、点在于设计三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换，且保证输出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可。然后分别对主电路及触发电路进行设计。主电路的设计主要包括整流变压器的选取、整流元件的选择及平波电抗器的选择，触发电路根据TC787进行设计。后续内容将分别介绍各个模块的构成原理和使用方法。2 三相全控桥式主电路设计2.1整流变压器的设计2.1.1整流变压器的设计原理整流变压器就是降压变压器，降到所需电压后再用半导体管整流，和普通变压器的原理相同。变压器是根据电磁感应原理制成的一种变换交流电压的设备。变压器一般有初线和次级两个互相独立绕组，这两个绕组共用一个铁芯。变压器初级绕组接通交

6、流电源，在绕组内流过交变电流产生磁动势，于是在闭合铁芯中就有交变磁通。初、次级绕组切割磁力线在次级就能感应出相同频率的交流电。变压器的初、次级绕组的匝数比等于电压比。2.1.2变压器参数计算 变压器采用型连接，输入侧380V输出侧220V（线电压），故： 容量S的计算：根据三相全控桥变压器二次侧电流的有效值的计算公式：可求得:变压器初级侧容量：变压器次级侧容量：故电压器容量：综上所述，选择型号为SBK20KW SG20KVA ，的变压器。2.2整流电路2.2.1晶闸管简介晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅

7、整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管的开通和关闭和三极管有很大的差别，可以视为一个双稳态器件，只具有两个工作状态即开通和关闭。晶闸管的开通受2个条件约束，阴阳极的正偏压和门极与阴极的正偏压，关断则只需要流过管子的电流小于一定的值，并且维持一定的时间就自然关断。不受门极控制。工作原理相当于两个三极管的等效电路。2.2.2整流器件的定额计算和选择本设计采用晶闸管三相全控桥整流电路，根据设计要求可得 ：由此可以的出：经分析知综上所述，选定额为 50A, 800V的晶闸管作为整流器件,可采用K

8、P50-8系列的晶闸管。2.2.3三相全控桥式整流电路的特点一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。2)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。3)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。（3）Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为

9、6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）。（5）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。三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。 6 个晶闸管导通的顺序是按 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6 依此循环，每隔 60 有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路

10、，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为 60 。三相桥式全控整流电路原理图如图所示。图2-1 三相桥式晶闸管主电路图2.3 平波电抗器的参数及选择平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整流电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。2.3.1电抗器的电感 若要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算： 式中 是交流测电源相电压有效值(V)是要求连续的最小负载电流平均值(A

11、) K1是与整流主电路形式有关的计算系数 。 对于不同控制角，所需的电感量本设计中的参数为：，,临界值。将以上所述参数代入，可计算出本设计所需的临界电感参数值，即： 2.3.2 整流变压器漏电感的计算 整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电TL按下式计算：式中 是变压器次级相电压有效值(V) 是晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)(A)是变压器的短路比。100KVA以下的变压器取=5；1001000KVA的变压器取=510；是与整流主电路形式有关的系数，=3.9。本设计=127V，=50A，=5，=3.9。将以上所需参数代入式中可计算出漏电感TL的值，即综上所述，根据直流电动机的电枢电感

12、为，可得使输出电流连。故选30mH的电感作为平波电抗器。2.4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。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

13、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，

14、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。2.5 系统功率因数的讨论功率因数为： 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 L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a相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为

15、时间零点，则有由上式知：电流基波：谐波有效值：故基波因数：又因电流基波与电压的相位差仍为,故位移因数仍为：因此功率因数为：3触发电路的设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。3.1 集成触发电路本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步

16、电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：图3-1KJ004的电路原理图3.2 KJ004的工作原理如上图 KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。在uS的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|0.7V时，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导

17、通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6导通。设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7等

18、组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经 （+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7

19、正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经 V13V15放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、VD6VD8为隔离二极管。2) 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6进行脉冲功率放大。3) 由于 V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差 的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电

20、压。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc分别与同步变压器的uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位4 晶闸管保护电路晶闸管以其额定电流大、额定电压高、效率高、反应快以及体积小等优点, 作为中频静止逆变电源中主要元件而被选用, 但其缺点是过载能力低。因此, 在晶闸管中频静止逆变电源中, 为了使晶闸管免受大电流、高电压的冲击, 均设置了过流过压保护电路。当晶闸管中频静止电源用于金属熔炼时, 由于负载为时变性元件, 变化大, 情况比较复杂, 若保护不可靠, 速度慢, 故障一旦出现, 晶

21、闸管立即被损坏的现象常有发生。影响了整个设备的性能和使用, 因而保护电路显得尤为重要。4.1晶闸管过压保护电路正常工作时，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的能量。若以过电压保护装置的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保

22、护和元器件保护3种。4.1.1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4-1 阻容过电压保护电路4.1.2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。4.1.3晶闸管换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

23、，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。4.2晶闸管过流保护电路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

24、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。4.3电流上升率、电压上升率4.3.1 电流上升率的限制晶闸管在导通的瞬间，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。此过程需几微秒到几十微秒。若导通时电流上升率太大，会引起门极附近过热，导致PN结击穿使元件损坏。因此必须把限制在最大允许范围内。产生过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护

25、的电容放电造成过大；晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对阻容保护电容进行充电造成过大。通常，限制的措施主要有：（1）晶闸管阳极回路串入电感。（2）采用整流式阻容吸收装置。电压上升率的限制处于阻断状态下晶闸管的结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管误导通。从而引起较大稍微浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。因此对也必须予以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。产生过大的原因及其限制措施如下：交流侧产生的 晶闸管换相时的。5 MATLAB 仿真结果5.1 仿真电路图取触发角，进行仿真得：图5-1Matlab模拟仿

26、真图 触发角为30度5.2 电源电压波形图图5-2 电源电压波形5.3 触发信号波形图图5-3 触发波形5.4 晶闸管电流和电压波形图图5-4 晶闸管电流电压波形5.5负载电流和电压波形图图 5-5 负载电流和电压波形6 设计心得电能是目前使用、运输和控制最为方便的能源，也是人类研究较为充分的一种能源。现在人们的生产生活都离不开电能，所以研究如何控制使用电能使之满足各种各样的需要显得尤为重要，而电力电子技术就是实现这种变换的桥梁，所以我们应该学习好电力电子理论知识，掌握如何利用这些知识解决实际问题。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。借助这个课程设计的机会，正好检验自己的理论知识的掌握程度，以及应用理论知识的能力，及时的查缺补漏，提高学习能力和实践能力。刚拿到题目时，觉得还比较简单。可实际操作起来，却发现问题有很多。课本上的知识都是在理想情况下求出的，而且教材为了方便学生的运算，有很多的参数没给出明确的算法，在设计时给我造成了很大的困扰