电力电子论文

./摘要电力电子装置的一个很重要的装置广泛使用于电力拖动系统中。电气传动又称电力拖动,是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。它是为了合理地使用电动机,通过对电动机的控制,使被拖动的机械按照某种预定的要求运行。无论是交流电机还是直流电机,再改变它们的输入电压时,电机的转速将会随之改变,调节电机的输入电压控制电机的转速,称为调压调速。调压和调速系统的差异就是所控制的对象和目标不一样。由电力拖动原理可知,当异步电机等效电路的参数不变时,在相同的转速下,电磁转矩与定子电压的平方成正比,因此,改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系,从而改变电机在一定负载转矩下的转速。本设计中采用晶闸管组成相控交流调速系统,确定了主电路的构成,双闭环的结构,以及触发电路的设计。关键词：交流调速、双闭环、触发脉冲、晶闸管晶闸管相控交流调压调速系统概述变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。由电力拖动原理可知,当异步电机等效电路的参数不变时,在相同的转速下,电磁转矩与定子电压的平方成正比,因此,改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系,从而改变电机在一定负载转矩下的转速。过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器,自从电力电子技术兴起以后,这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。目前,交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中,主电路接法有多种方案,用相位控制改变输出电压。为了保证相控电路的正常工作,很重要的一点是应保证按触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲,即相控电路的驱动控制。对于相控电路这样使用于晶闸管的场合,称为触发控制,相应的电路称为触发电路。本设计从晶闸管相控原理开始,先确定电路的主电路选用三相交流调压电路,双闭环按要求选择电压电流双闭环反馈系统,然后进一步确定了晶闸管触发脉冲形成电路,最后进行了晶闸管参数的计算,并有针对性的设计了保护电路。2.设计任务及要求2.1设计任务及要求采用集成触发器及调节器构成电压电流闭环的交流调速系统,设计绘制该系统的原理图,并且计算晶闸管的额定电压和额定电流2.3技术参数异步电动机：3.主电路选型和闭环系统的组成3.1.异步电动机的机械特性由电机学的知识可知,异步电机的机械特性方程式为：<3-1>式中,Pm为电磁功率,m1为同步机械角转速。它表明,当转速或转差率一定时,电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样,不同电压下的机械特性便如图5-4所示,图3-1中,UsN表示额定定子电压。图3-1异步电动机不同电压下的机械特性3.2.设计思路异步电动机定子供电频率不变时,其电磁转矩与输入电压有效值的平方成正比,利用交流调压电路,可以达到调速目的,但在实际系统中,还必须能控制异步电动机正、反向运转,一般可在主电路中串入两个接触器来改变供电电压相序。图2-1是一个简单的交流调压调速系统。它主要由给定电源、交流电压变换器、速度调节器、交流电流变换器、电流调节器,触发脉冲装置、晶闸管高压器、电动机等组成,该系统没有速度反馈,只有电压反馈,是个调压系统,用于对调速精度要求不高的场合,采用6只晶闸管组成调压器为异步电动机供电。图3-2晶闸管相控交流调压调速系统原理框图3.3.主电路的构成对于供电电路的选择决定采用三相交流电,通过三相交流调压器后接入异步电动机。调速时主要采用三相交流调压电路进行调压调速,三相交流调压电路具有多种形式,在这里选择星形连接的形式,交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中,主电路接法有多种方案,在每个半周波内通过对晶闸管开通相位的控制,可以方便地调节输出电压的有效值。在这里,选择的主电路可以为如图3-2所示电路：图3-3利用晶闸管交流调压器变压调速图中,TVC——双向晶闸管交流调压器3.4.双闭环系统构成开环交流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速,但是,对静差率有较高要求时,开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的简单的单个电压闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,如果对系统的动态性能要求较高,单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用电压、电流双环控制的交流调速系统。为了实现电压和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节电压和电流。二者之间实行嵌套〔串联联接。因此,控制系统采用电压、电流双闭环系统,电压负反馈环为外环,其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环,其作用是实现电动机的转矩控制,同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。3.5.确定系统原理图综合以上分析在结合所给的技术参数,可以将异步电动机的交流调速系统初步设计如图3-4所示：由图6.12可分析主要控制环节的工作原理。其中图6.12<a>部分为交流-直流电压器,变压器PT1原边接电机定子电压,副边输出经三相桥整流后,从2X2反馈一个与电机定子电压成正比的直流电压Uu至速度调节器。图6.12中<b>部分为速度调节器。它从2X1输入给定信号U0,并和电压反馈信号Uu相比较,经速度调节器里德比例积分调节,可改变2R7、2R8、2R5的值,达到最佳控制性能,速度调节器输出2X3接电流调节器的输入3X1。图6.12<c>部分是交流电流变换器,它的信号来自电流互感器<100A/0.1A>,经三相桥式整流后的直流信号从3X1至电流调节器。图6.12<d>部分为电流调节器,它的给定信号来自3X1<速度调节器的2X3>,反馈信号来自交流电流变换器3X2,两个信号经电流调节器比例放大后,从3X3输出控制信号来控制6脉冲触发器的控制角,即控制异步电动机的定子电压。4.触发驱动设计4.1.晶闸管集成触发电路本设计中采用晶闸管组成的星形连接的三相交流调压电路中,任一相在导通时必须和另一组构成回路,因此和三相桥式全控整流电路一样,电流流通路径中有两只晶闸管,所以采用双脉冲或宽脉冲触发,三相的触发脉冲应依次相差120度,同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差180度。因此,和三相桥式全控整流整流电路一样,触发脉冲顺序也是VT1～VT6,依次相差60度。对于触发电路来说,由于集成触发电路不仅成本低、体积小,而且还有可靠性高、技术性能好、功耗低、调式方便等优点,故本设计采用由3片集成触发电路芯片KJ004和1片集成双脉冲发生器芯片KJ041组成的集成触发电路。KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似。可分为同步、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4.1所示。图4-1晶闸管触发脉冲形成电路KJ041为6路双脉冲形成器,它是三相交流调压电路的触发器。如图4.1所示,它具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能。移相触发器输出脉冲加到该器件的1~6端,器件内部的12个输入二极管完成"或"功能,形成互补脉冲,即将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出,该脉冲经放大后输出。当控制端7接逻辑"0”4.2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是来自电网的,电网电压的频率不是固定不变的,而是会在允许范围内有一定的波动。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,还应保证每一个晶闸管的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,这即是触发电路的定相。为保证触发电路和主电路频率一致,利用一个同步变压器,将其一次侧接入为主电路供电的电网,由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。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。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图4.2三相调压电路中同步电压与主电路电压关系示意图如图4.2为主电路电压与同步电压的关系示意图。对于三相交流调压电路中的晶闸管VT1,其阳极与交流测电压Ua相接,可简单表示为所接主电路电压为+Ua,VT1的触发脉冲从0°至180°的范围为ωt1~ωt2。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的300°位置对应。对于其他5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°。对于共阴极组的VT4,VT6和VT2,他们的阴极分别与Ua、Ub和Uc相连,可简单表示他们的主电路电压分别为-Ua、-Ub和-Uc。表4-1各晶闸管的同步电压晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步电压-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb上述分析了同步电压与主电路电压的关系,一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法,即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。如图4.1所示,采用KJ004和KJ041组成的集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。则本设计主电路整流变压器采用D,y-11联结,同步变压器采用D,y-11,5联结。如图4.3所示。这时,同步电压选取的结果如表2所示。图4.3同步变压器和整流变压器接法5.晶闸管的选择及其保护5.1.晶闸管参数计算晶闸管主要构成相控交流调压调速系统是中的三相交流调压器,一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中,在每个半周波内通过对晶闸管开通相位的控制,可以方便地调节输出电压的有效值。当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通,并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。5.1.1

晶闸管额定电压根据电动机的额定电压的不同,三相交流调压电路的结构形式,,晶闸管承受的反向重复峰值电压URRM和断态重复峰值电压UDRM是额定输入电压的峰值,当额定输入电压U1N为220V时,峰值为311V,以及考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素,晶闸管额定电压UTN一般取1.5的峰值电压Um,另外再取2～3倍安全余量,故计算的晶闸管额定电压计算如下：=466.5V,=<933～1399.5>V,故可以取1200V。5.1.2.为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。若启动时定子电流被限定在3倍的额定电流,则：其中IN为14.5A。故I1=30.8A。=19.6A。5.2.晶闸管的保护设计5.2.1启动时,若给定电压淡零,电压调节器人使输出电压很高,电机的启动电流会是额定电流的4～7倍或更高,大电流和机械力的冲击可能损坏系统元件、部件和测试仪表,使系统不能正常工作。图6.13为零位启动保护电路,图中2X1给定电压由图6.12中<b>部分中零位保护电路2X1提供。当主接触器KM没通电时,其常闭触点K1断开,K1触点的接触器KM线圈串联,主接触器无法得电,系统不工作。只有Rp1在零位时,主接触器KM才能得电,常闭触点自动脱离给定电源,零位保护电路不再起作用,电机启动并运转。5.2.2输入缺相会使电机及主要部件因局部产生过载而烧坏,图6.14是缺相保护电路。系统正常工作时三相电路对称,M点电位和中性点N的电位接近,即M、N之间电位UMN近似等于零,后面电路不工作iv输入三相交流电源缺一相时,M、N间将产生电压,该电压经单相桥式整流、光电隔离,由中间继电器K2控制操作回路、报警电路,对系统进行保护。5.2.3三相调压器的最大输出电流可由电流调节器的设定值来限制。将速度调节器的最大输出值与电流变换器最大电流时的反馈量调至相等,即可实现限流。对于晶闸管,如无保护措施,晶闸管会因过热而损坏．因此要进行过电流保护。在电路中,对于晶闸管可采用快速熔断器进行过流保护,这是一种简单有效地过电流保护方法。快速熔断器是最简单有效的保护元件,是防止晶闸管过电流损坏的一种常用措施。通常流过5倍额定电流时,熔断时间小于20ms,其极限分断能力可达到数十千安。合理选择快速熔断器,就能保证在晶闸管损坏之前,切断过大的电流。晶闸管串联快速熔断器,流过快速熔断器和晶闸管的电流相等,对晶闸管的保护效果最好,所以被广泛采用。一般选取快速熔断器时,主要考虑以下几个方面：<1>快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。<2>熔断器<安装熔体的外壳>的额定电流应大于或等于熔体电流。<3>熔体的额定电流IRN通常按下式选取：式中,IT为晶闸管的实际工作电流有效值。对于本设计而言,由于=1200V,=14.5A,因此快速熔断器可取=1200V,=20A。小节与体会晶闸管相控交流调压调速系统这个课题具有很强的实用性,它除了在工业生产领域得到广泛应用,在我们日常生活中也无所不在,电力电子技术以发展成为一种应用极其广泛的技术。该课题属于电力电子方面,随着电力电子器件的不断向大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模块化、功率集成化的发展,它的应用将更为广泛。在本次