10KA桥式整流电路饱和电抗器资料

本科毕业设计（自然科学）题目：10KA桥式整流电路饱和电抗器院（系、部）：机电工程学院学生姓名：指导教师：职称资料目录TOC\o"1-5"\h\z学术声明1〜1页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）1〜18页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书1〜3页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告1〜3页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表1〜1页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表〜页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表......〜页河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结1〜1页其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等）〜页河北科技师范学院本科毕业设计10kA桥式整流电路饱和电抗器设计院（系、部）名称：机电工程学院专业名称：电气工程及其自动化学生姓名：学生学号：指导教师：学术声明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。本人签名：—日期:指导教师签名：日期：摘要在本设计采用的一套整流装置中，饱和电抗器是最核心的组成原件。而且在当今行业内，饱和电抗器的应用也非常广泛，尤其是在铝电解行业，以饱和电抗器为核心的整流电解技术已经非常成熟。本设计根据某电解铝厂整流所负荷电流要求，设计了三相桥式整流电路的饱和电抗器系统。设计中首先给出了饱和电抗器的设计背景、现状及发展前景、原理特性、主要技术参数的介绍，然后进行铁心结构参数以及励磁系统容量的计算。最后根据整流装置的要求，给出了整流电路的主电路并且在励磁系统设计的控制电路中给出了电气原理图［1］在进行铁心参数计算时给出了参考型号等一系列的参数，根据这些参数足以保证方案的可行性。计算励磁系统的容量时，完全按照整流时所需提供的励磁参数计算，保证了供给足够的励磁。在整个设计中，在确定了铁心尺寸后，在给定的磁感应强度下得到了控制绕组的线圈电流和位移绕组电流，根据整流装置的要求，给出了整流电路的主电路。控制电路的设计给出了励磁系统的电气原理图。调压控制系统使用单片机输出进行晶闸管移相触发，不仅精度高而且能大范围的调节电压。关键词：饱和电抗器；励磁；调压；整流AbstractInthisdesignUSESarectifierdevice,thesaturablereactoristhecoreoftheoriginal.Andintoday'sindustry,theapplicationofsaturablereactorisveryextensive,especiallyinthealuminumelectrolysisindustry,rectifierwithsaturablereactoristhecoreelectrolysistechnologyhasverymature.Thisdesignaccordingtosomeelectrolyticrectifierloadcurrentrequirements,designthethree-phasebridgerectifiercircuitofsaturablereactorsystem.Givenfirstinthedesignofthesaturablereactordesignbackground,presentsituationanddevelopmentprospects,theprinciplecharacteristics,introducesthemaintechnicalparameter,thencorestructureparametersandcalculationoftheexcitationsystemcapacity.Finallyaccordingtotherequirementoftherectifyingdevice,themaincircuitofrectifiercircuitisgivenandinthecontrolcircuitofexcitationsystemdesigntheelectricschematicdiagramisgiven.Whenparametersarecalculatedforcorereferencemodelandsoonaseriesofparameters,isgivenaccordingtothefeasibilityoftheseparametersisenoughtoguaranteescheme.Whencalculatingthecapacityofexcitationsystem,completely,theexcitationparametersarecalculatedaccordingtotherectifierneededtoprovideguaranteesthesupplyenoughexcitation.Inthewholedesign,afterdeterminethecoresize,andunderthemagneticinductionintensityofthegivengotthecoilcurrentandthedisplacementofthecontrolwindingwindingcurrents,accordingtotherequirementoftherectifyingdevice,themaincircuitofrectifiercircuitispresented.Thedesignofthecontrolcircuitofexcitationsystemaregivenelectricalschematicdiagram.Surgecontrolsystemusingsinglechipmicrocomputeroutputforthyristorphaseshifttrigger,cannotonlyhighprecisionandlargerangeofadjustingvoltage.Keywords:Thesaturationreactor;excitation;voltageregulation;rectification目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要I\o"CurrentDocument"AbstractI\o"CurrentDocument"1绪论11.1设计背景与意义11.2饱和电抗器发展现状与发展前景1\o"CurrentDocument"2饱和电抗器的介绍12.1饱和电抗器基本原理的介绍12.2饱和电抗器的特性分析32.3饱和电抗器应用的主要技术参数5\o"CurrentDocument"3饱和电抗器的设计53.1饱和电抗器铁心尺寸的计算5\o"CurrentDocument"3.2励磁系统的设计9\o"CurrentDocument"4饱和电抗器控制电路的设计104.1直流电流采样电路104.2晶闸管同步信号电压采样电路114.3晶闸管触发电路11\o"CurrentDocument"4.4电源电路124.5显示电路13结论14\o"CurrentDocument"参考文献14致谢151绪论1.1设计背景与意义近年来，随着科学技术的全面发展，电抗器的理论与技术也不断进行着革新，电抗器从无到有，从有到优的发展开来，已经实现了长足的进步。在各个行业尤其是电解铝行业的应用尤为明显。从产品的器件发展来看，电抗器经历了从密集型到紧凑型的发展历程。而且从目前的形势来看，密集型是今后的发展的主流方向，其特点是线路占地面积少，输送容量大。而且，近年来国内各个电力电子协会相互交流频繁，对电抗器的先进技术，产品设计，检测方法以及运行维护等也进行了深入的讨论与研究。并且有许多先进的技术已经应用到实际当中。对于二极管的整流器必须有恒流控制的办法。这种调节方法一般是变压器有载分接开关和饱和电抗器相配合，通过有载调压和自饱和电抗器相互搭配，一个用于粗调，一个用于细调⑵。在恒流控制系统中饱和电抗器作为调整大小的主要执行机构，调节的大小约50V70V的直流电压。1.2饱和电抗器发展现状与发展前景在国内，电抗器的应用非常广泛，比如电解铝行业，电网系统等。随着晶闸管的广泛应用意味着饱和电抗器的使用有所减少。用晶闸管整流，由晶闸管调整电压，同样有很好的效果，但避免了饱和电抗器带来的副作用。由于电子元器件的不断进步，用晶闸管来实现整流在各方面看来是可行的。就饱和电抗器目前的发展情况来看，它已经占据了很多市场，在铝电解行业，它的地位是不可以替代的，当今社会，飞速发展，用户的用电需求也与日俱增。但是与此同时，也暴露出电力发展的不足，因为电力设备发展缓慢，赶不上与日俱增的用电需求，导致了首端用户电压过高，末端用户电压过低。在线路中安装饱和电抗器，保持线路上电压的稳定有着极其重要的地位，这也为饱和电抗器的发展带来了很大的契机。2饱和电抗器的介绍2.1饱和电抗器基本原理的介绍电抗器分为有内反馈和无内反馈两种，其中，有内反馈也叫做自饱和电抗器，也就是本设计将要用到的，饱和电抗器的每一相都有三种情况，两个铁心都饱和，一个铁心饱和而另一个铁心不饱和，两个铁心都不饱和⑶。在两个铁心饱和时，磁通不发生任何变化，对回路没有任何影响。一个贴心饱和而另一个铁心不饱和时，等于在回路中串联

一个二次短路的电流互感器。两个铁心都不饱和时，则对一次回路的电流的任何变化都会产生很大的感抗。饱和电抗器结构如图1所示图1单铁心饱和电抗器示意图饱和电抗器在使用时接入交流电源,与负荷电阻形成串联结构，如图2所示，饱和电抗器实际上是一个可变电感，其电感值的变化过程是由直流电流控制的，电感值的变化会引起回路中的电流的改变⑷。图2等值回路当饱和电抗器电感值L发生变化时，导致回路中电流也变化，因此在饱和电抗器和电阻两端上也会出现压降的变化⑸。现在将其原理介绍如下：一个闭合铁心上，放两个线卷，分别通以交流电流和直流电流使其磁化，如图3。这样铁心就处于交变磁通和恒定磁通的合成作用下，在第一个半波周期内，交流与直流磁通两者如为相加时，则在第二个半波周期内，它们就为相减。图3导磁系数与磁感应关系铁心在交直流磁场共同作用下时较之仅有交流磁场作用时，铁心更趋于饱和，导磁率愈加降低，此时结果构成一个曲线族，如图4所示。图4导磁系数与直流磁场的关系饱和电抗器的工作绕组有各种不同的联结方式，控制绕组也是如此。工作绕组的接法和控制绕组的接法的组合就更多⑹。线路结构包括三相中点联结，三相桥式联结，双星联结。他们都有不同的参数与公式计算方式。在铁心尺寸和线圈匝数不变的情况下，电感L与导磁系数成正比，直流磁场强度越增加，饱和电抗器的可变电感值L便越减小。另外，饱和电抗器交流线圈的电抗又与其电感成正比，所以L越小时，X越小，于是在交流线圈中的电流值便增大。因此，一个闭合铁心在交流与直流磁场一起作用时,可以通过改变直流磁场强度的方法，进而改变交流线圈的电抗值和回路中的电流值⑺。以上，则是饱和电抗器的基本原理。2.2饱和电抗器的特性分析2.2.1控制特性（输入输出特性）饱和电抗器的电感值的变化取决于饱和电抗器里面的材质，材质的特性决定了其电感值的变化范围。但是无论材质如何，当在磁饱和的程度比较低时其控制电流的特性一般是线性的同时为了避免误操作，一般将会设置饱和电抗器的规定电流值必须比它所能承受的最大电流要小。通常情况下，饱和电抗器的规定电流值应该设置在其线性范围以内。由图5可以看出，是一个大致的线性关系。2.2.2伏安特性衡量饱和电抗器性能指标的一个重要的标志就是伏安特性曲线，如图6所示，x轴表示的电流或磁场强度，y轴表示电压或磁感应［矶这些曲线被称为饱和电抗器的磁化曲线，都是在实验的基础上加以修正下所得出的。这条曲线是研究饱和电抗器的重要图表，曲线中有五种电流指标，分别对应不同的饱和电抗器的伏安特性曲线。

图5实测控制特性图6饱和电抗器的伏安特性2.2.3谐波分析饱和电抗器的工作电流中含有的谐波分为两种，一种是奇次谐波，另一种是偶次谐波。但是由于饱和电抗器的工作特性，使得饱和电抗器的工作电流中含有很多的奇次谐波，偶次谐波的含有量却非常少。奇次谐波从三开始，主要是三、五、七次谐波，这是通过实验数据得出的。在饱和电抗器的三项应用中通常会分为星形联结和角形联结，在角形连接中，奇次谐波出现的比较多。如图7所示。图7各次谐波与对应的基波比值2.3饱和电抗器应用的主要技术参数（1）整流变电所带4台整流变压器，直流侧总额定电流为80kA，直流电压为0-1050V可调，额定电压为1010V；（2）直流机组采用3+1运行方式，即正常情况4台并联运行，当一台故障时3台并联运行，并提供全部的负荷。（3）正常输出电压为Ue^N，调压深度大约为国=60~70V，为了保证输出的电流值不改变，通过饱和电抗器调压使得输出的直流电压大小控制在UdN+△〃间⑼。3饱和电抗器设计饱和电抗器结构的设计是根据直流负荷电流的大小，来确定电抗器铁心材料、磁路长度、磁路截面积等铁心结构尺寸；进而确定两套直流励磁系统励磁电流大小、励磁绕组匝数等参数［10］。3.1饱和电抗器铁心尺寸的计算由于整流变电所带4台整流变压器（4X75MVA），直流机组采用3+1运行方式，即正常情况4台并联运行，当一台故障时3台并联运行，并提供全部负荷。单台机组采用移相30。并联联结12脉波整流，整流变压器为Y/y12A11移相30。二重并联结构⑵。每台机组整流输出直流电流平均值Y侧和△侧各承担一半。因此应该按照3台直流机组来进行计算。以下则为饱和电抗器铁芯尺寸的计算过程：（1）电压调节深度AU=U-'dUdminUX—=70Vdmaxd+AUL/dNeXL%100

(2)选用DQ166-35,6=0.35mm的冷轧硅钢片并且用斜切口叠片，则最大磁感应强度可取1.6T,因此通max=2Bmax=3.27。冷轧硅钢片的磁感应强度可以比热轧硅钢片的磁感应强度取得大一些，但是，冷轧硅钢片的价格比较高。当冷轧硅钢片的磁感应强度取1.6T时，热轧硅钢片的磁感应强度只能取1.4T，这样就使两者的nAz积差为1.4/1.6之比，从而使两者的结构基数C的三次方的差值为0.9047倍。因此，，在价格上用冷轧硅钢片的比用热轧硅钢片的高出10%左右，但体积和重量上用冷轧硅钢片的比用热轧硅钢片的少5%左右。综合以上原因考虑，而选择了冷轧硅钢片。(3)由三相联结可得工作的横截面积:NA(3)由三相联结可得工作的横截面积:NA=竺A"dmax=0.146m2j3OABmax(4)饱和电抗器的工作电流：4=4X牛=13142A(5)结构基数C由公式决定C=4：竺里4W对于饱和电抗器有a7=0.3,%=0.95，采用自然空冷，铜线电流密度j=250AC2，因此求得C=19.18cm。根据冷却方式以及导线材料的要求，对于铜导线而言，自然空冷时，可取200~250，强迫风冷时，可取200~300，油浸自冷时，可取300~350，水内冷时，可取800~1000。(6)采用叠片厚度与柱片宽度之比为K1=2，窗口高度与窗口宽度之比为K3=2的斜切口铁心，按最低价格优化，有公式——u6K21b6+K2^1C2b4-G+K1"wC4b2(K]K3其中Sw—计价系数，S=a——u6K21WFCukCu，其中YCu=0.0089Kt=30,YFe=0.0076KFe=14得柱片宽度：b=0.611C=117.2mm，取b=118mm根据C=4、NAJ»和a=：NAz£x——]得窗口宽度：a=0.82C=157.3mm，取4aEEaj\K1K3a=158mm窗口高度：K3其中YCu=0.0089Kt=30,YFe=0.0076KFe=14硅钢片叠片厚度与柱片宽度之比的大小，决定着铁心截面的形状，当比值等于1时，铁心截面为正方形；当比值等于2时，铁心截面为矩形。这两种情况下硅钢片的宽度相差较大。但是，这两种情况下的截面积却差不多。而窗口高度与宽度之比的大小，决定窗口的形状。数值越大，窗口越高。

(7)(8)(9)铁柱截面：A=aFbKb=0.95x11.8x2x11.8cm2=264.6cm2工作绕组匝数：七=^^iA/k=14602646匝=55匝，取%=6匝工作绕组导线截面：A=jj=1314发5mm2=5256.8mm2，取(7)(8)(9)选用5mmX310mm的绝缘铜排，每柱绕3匝，分3层绕，采用连续绕法，同一柱上的3匝用一根铜排绕制，由铜排中间绕起，两端夹余量为5mm，因此工作绕组高度：h.=(310+5)mm=315mm，窗口高度：H=315+5=320mm和预选的316mm相近。图8饱和电抗器铁心示意图(10)铁心尺寸如图8所示：图8饱和电抗器铁心示意图磁路长度：l=2xG18+320+118+162)=718mmv7一6铁心重量：GFe=1000A、=1000x264.6x71.8kg=114.4kg则12个饱和电抗器的铁心总重量为：12G=12x114.4kg=1372.8kg对所采用的铁心材质和结构而言，驾B=1.6T时，对应的磁场强度H=3A/cm,因此控制绕组的总安匝是4Hl^=4x3x71.8A=861.6A而位移绕组的总安匝则是控制绕组的一半，为430.8A。采用50A作为最大控制电流和位移电流，则可得控制绕组和位移绕组的匝数：N=861'650匝=17.2(取20匝)，N=430.850=8.6(取10匝)两者的导线都采用$2.62mm双纱包圆铜线，其截面积为4mm2，每千米的重量为37kg。两者的绕法：控制绕组每柱绕20匝，位移绕组每柱绕5匝。绕组高度：h=(20+1)x2.62x3.2mm=177mmh=(5+1)x2.62x3.2mm=51mm绕组厚度：A=A=3mm绕组的平均匝长:

铁柱尺寸(mm)：118X236直流绕组绝缘内经(mm)：121X239直流绕组内径(mm):124X242直流绕组外径(mm):130X248工作绕组内径(mm):132X250工作绕组外径(mm):144X262绕组间的距离(118+162)-144=136lp=lYp=(130+248+124+242)mm=744mmljp=(132+250+144+262)mm=788mm(17)导线总长及总重：气=(12x20x0.744力=180mLy=(12x10x0.744m=90m七=(12x6x0.386m=28mGz=37x0.18kg=6.66kgG=37x0.09Rg=3.33kgyGj=1.07x28kg=30kgGCu=GGCu=G+G+Gj=39.99kg(18)铁与铜的比值及总重:=1372.8"39.99=34.3CuG=GFe+Gc=1412.79kg80.‘4)=10.4QRG=GFe+Gc=1412.79kg80.‘4)=10.4QR=0.231xy5.2QRj=0.231x[2%2x5260))=0.0001Q(20)饱和状态下的电抗：XLS=wNA^B-=314x6x264.6x10-4x「项*=0.001Q」y2454712(21)饱和电抗器在饱和状态下引起的压降AUdLS=AXx11AUdLS=AXx11+Rx112兀LS2dNj2dN3x0.00145471xI2兀2+0.0001x454712、V=13.64V3.2励磁系统的设计饱和电抗器系统包括两套直流励磁系统，其中一套励磁系统用于确定铁心磁路的初始磁导率，另一套励磁系统根据直流侧稳定电流的需要提供可变的励磁电流，改变饱和电抗器的铁心磁路的磁导率，从而改变了电抗器的电感值，以改变直流电压大小［11］。通过改变a角的大小，以此来改变输出直流平均电压Ud，因此调节了系统的励磁电流。控制角a范围为0°~120°。设整流器的理想空载直流电压为udV），则根据公式diUdNKg1+"100diUdNKg1+"100+钊TI100JCOSaminKg——要求整流器的强励过载倍数，取1.4；KX——电抗器漏抗或重叠角所引起的直流电压降对短路感抗电压百分值之比，三相桥式为0.5［3］；ex——短路电压e（百分值）的漏抗分量，在无具体参数数值时，对容量为几百千伏安的励磁装置取5；△Pp——铜耗百分比，粗算时略去不计；S——串联换相组数，三相桥式s=2；气——每臂串联元件数，取1；UT——晶闸管在额定运行条件下的通态电压降，在导通角为120°时，取元件平均电压降的2.5倍，设UtAv）=1V，则Ut=2.5V；£Us——附加压降，包括连接导线、熔断器等压降，一般为0.2%〜2.5%UdN，考虑本装置输出电流较大，取2%U；dNamin最小延迟角，考虑到触发脉冲的不对称度影响，一般取5°~10°，此处取b—-设备允许的电网电压负波动极限幅度对额定值的百分数，等于电网允许短暂波动与安全裕度之和，此处100-80=20；由Ud确定Ud时，换相电抗是一个主要因素。换相电抗X1=叫，式中换相电感L1是指使换相不能在较短内完成从而引起重叠角的有效电感，通常等于每相电感的两倍［1刃换相电抗的数值根据整流设备的要求来确定，电抗大，则电压降大，网侧功率因数低，但是换相电抗过小会使十,值过高和短路保护发生困难。调压稳流饱和电抗器的三相桥式整流励磁系统主电路结构如图9所示。图9励磁系统主电路图4饱和电抗器励磁控制电路的设计饱和电抗器励磁控制电路由单片机、直流电流采样电路、晶闸管同步信号电压采样电路以及晶闸管触发电路组成。单片机采用的是STC12C5A62D,该单片机自带模拟量与数字量的转换功能，通过这种功能，可以简化系统电路。4.1直流电流采样电路为了提高电压电流采样的精度，采用运算二放大器构成的精密整流电路［13,如图10所示，—它可以得到与理性二极管非常接近的整流性人7能，而且整流电路的温度特性也比普通二极管

整流电路好很多，从而具有较高的采样精度，以保证输出电压精度指标及极性信号的准确度，对控制电路起着重要作用。如图11，电流流经电流传感器，然后送往单片机AD转换口P1.2、P1.4、P1.5、P1.7进行AD转换与采样，采样的四路电流分别机组电流、总电流、控制电流、位移电流10］。电流互感器输出最大值为20mA。因此电流检测电路中选择AKH-0.66-L的电流互感器。图11直流电流采样电路图11直流电流采样电路4.2晶闸管同步信号电压采样电路图12给出了电压采样、过零及极性信号检测电路。输出电压经电压互感器输出小电压，然后经过运算放大器半波整流后输出正极性正弦半波电压［12］。电阻分压后，输出0-5V电压给单片机的AD转换口P1.0进行AD转换，用于采样。输入电压经过运算放大器半波整流后，经过运算放大器比较，输出与电源半周同步的方波信号，接单片机P3.2口用于电源半周极性判断。将转换后的数据计算出有效值后与输入电压做差，看差值是否在额定电压范围内，如果在范围内，则直接输出，否则通过改变晶闸管移相触发角从而起到调压控制作用。晶闸管同步信号电压采样电路图12晶闸管同步信号电压采样电路4.3晶闸管触发电路随着技术的进步，以半导体为主体的静止型励磁系统逐渐取代了旋转式励磁系统，增强了电力系统的稳定程度，历次系统的快速反应和控制精度。同时，也解决了直流励

磁系统的整流子保护交流励磁机的电刷维护难题。晶闸管的主要参数有：电压额定，电流额定等，不同的晶闸管处于反向稳态时，一定是处于阻断状态，而与电力二极管不同的是，晶闸管在正向工作时不但可能处于导通状态，也可能处于阻断状态。因此，采用晶闸管触发电路a］。晶闸管触发电路如图13所示，触发电路由V「七构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和它的附加电路构成的脉冲输出环节两部分构成。/以^N?N1图13晶闸管触发电路4.4电源电路控制电路中所用电源均为开关电源，图14给出给出了以电流型PWM控制芯片UC3844为中心的开关电源的原理图。采用这种控制有很多好处，首先系统的稳定性增强，主要是对干肉电流的抵抗能力增强，再有，就是方便控制电流，使其能够很方便的调控电流。但是采用电压型就会有缺点存在，比如系统反应快，频率低的波形不容易去掉。但才有电流型PWM控制，就可以完全消除这个问题。最后，其具有快速限制电流的能力。开关电源变压器EI33，采用高频磁芯，副边输出电压稳定，其具有多个输出绕组，可控制驱动多个IGBT，体积小等优点。图14电源