电力电子课程设计单相可控变流器

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书摘要电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。在电力电子技术中，可控整流是非常重要的一个章节。本设计为一个单相全控桥整流电路，阻感负载，其中条件R＝1.5Ω，最大电流Id＝40A。通过整定各部分参数，可实现可控角移相范围为32°~90°，实现电压0~60V可调，设计有锯齿波触发电路，同时还设计有过电流及过电压保护电路，保护晶闸管不会烧坏。关键词：单相全控桥阻感负载触发电路单相可控变流器的设计1概述整流电路尤其是单相全控桥式整流电路在电力电子中应用广泛，不仅运用于一般工业，也广泛运用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点；输出平均电压是半波的2倍，相同负载下流经晶闸管的平均电流减小一半，功率因数提高了一半。本设计要求设计一个单相全控桥式整流电路，阻感负载，其中R＝1.5Ω，最大电流Id＝40A。要求分析系统原理，这些课本上的资料已经很多了；整定主电路及变压器的参数，这些可以通过查找资料，计算实际情况的参数，讨论晶闸管对电网的影响及功率因数；设计晶闸管触发电路，包括选型及同步信号的定相，桥式电路要求任何时刻都有两个晶闸管是导通的，所以触发电路的设计和信号控制式相当重要的；设计晶闸管的过电压保护与过电流保护，晶闸管的过流过压能力比较差，需要采取过流保护及过压保护措施。2单相全控桥原理分析单相桥式全控整流电路阻感负载如图所示，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。负载中有大电感的存在使负载电流不能突变，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。晶闸管角移相范围为90°；导通角为180°，与触发角无关，承受的最大正反向电压均为。整流电压平均值为：直流电流平均值为：图1原理图及波形根据设计条件，，，计算可得。3参数整定3.1整流变压器参数的计算3.1.1二次侧相电压的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。U2的计算一般参照下式：（3-1）其中——整流电路输出电压最大值，此处为60V——电路回路经过的晶闸管的压降，为个数，单相全控桥为2——理想情况下=0º时整流电压与的比值，通常取0.9——控制角为时输出电压与的比值，通常取0.9——最小移相角，此处取0°——线路接线方式系数，单相全控桥为0.707——变压器阻抗电压比，10~100kVA的变压器一般取0.05——变压器二次侧实际工作电流与额定电流之比，此处取0.85根据已知参数，代入公式可得：可取为80V。又，根据，可得移相范围为32°~90°，可实现直流输出0~60V可调。又一次侧相电压，二次侧相电压同时可得变压器一次侧与二次侧匝数比。3.1.2二次侧相电流及一次侧相电流的计算（3-2）（3-3）单相全控桥中一般取1.11，即单相全控桥中一般取1.11，考虑到变压器的励磁电流，应乘以1.05左右的系数，即3.1.3变压器容量的计算二次侧容量单相全控桥中为1，即一次侧容量单相全控桥中为1，即变压器等效容量3.1.4功率因数的计算忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大时变压器二次电流波形近似为理想方波，将电流波形分解为傅里叶级数：(3-4)其中基波和各次谐波有效值为：(3-5)可得基波电流有效值为：(3-6)可得基波因数为：(3-7)所以功率因数为：（3-8）代入已知的范围，可得功率因数最大值即76.3%。3.2晶闸管参数的计算3.2.1晶闸管的额定电压晶闸管额定电压一般取正常工作时晶闸管所承受的峰值电压的2~3倍，在阻感负载的单相桥式全控整流电路中晶闸管承受的最大正反向电压均为。由二次侧相电压为80V，计算可得：可取晶闸管额定电压为300V。3.2.2晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，为了保证晶闸管不会因为过热而损坏，一般考虑1.5~2倍的裕量。可取晶闸管额定电流为30A。3.2.3晶闸管对电网的影响晶闸管换向时需要吸收无功功率，会对电网造成污染：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。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。同时晶闸管装置的电流中往往还含有高次谐波，会使电网电压造成波形畸变：谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低效率。谐波影响各种电气设备的正常工作，使变压器局部严重过热，是绝缘老化，寿命缩短以至损坏。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，使前述的危害大大增加。4触发电路的设计4.1触发电路的选择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转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：

1)

触发脉冲的宽度应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或脉冲列触发，对变流器的起动、双星形带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30o，三相全控桥式电路应采用宽于60o或采用相隔60o的双窄脉冲。

2)

触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达。

3)

所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

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。晶闸管可控整流电路就是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成触发电路和计算机数字触发电路等。其中集成触发器的可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，连线简单，故在此设计中使用集成触发器KJ004。4.1.1KJ004的介绍KJ004是一种双列直插式集成电路，适用于单相、三相全控桥式晶闸管电力电子设备中作晶闸管的双路脉冲触发，应用广泛，KJ004的基本设计特点有：1）KJ004能够输出相位互差180°的移相脉冲，可以方便的构成全桥式晶闸管触发器线路，刚好满足设计要求；2）KJ004负载能力大，移相范围好，正负半周脉冲相位均衡性好；3）KJ004移相范围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。KJ004内部结构见图2所示，由图可见，该电路是由同步监测电路、锯齿波形成电路、偏移电路、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组成。其工作原理：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RP1流出的充电电流和积分电容C1的取值，对于不同的偏移相位控制电压Vk，只要改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP，同时调节整个锯齿波斜率电位器RP1，便可以在不同的移相控制电压时获得整个移相范围内的移相，KJ004触发电路为正极性，即移相电压增大，导通角增大。图2KJ004内部结构4.1.2触发电路的设计图3触发电路4.2同步信号的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源一般来自电网，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，这就是触发电路的定相。为了保持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。接下来的问题是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位的正确。在单相全控桥电路中，相位为时VT1及VT4导通，相位为时VT2及VT3导通。5保护电路的设计在电路中，除了选择合适的元件参数，良好的触发电路之外，对元件采用适当的保护也是必要的。晶闸管一旦过流，温度将迅速上升而烧坏；反向电压一旦超过限度，反向击穿后，反向漏电流也会急剧增大，导致烧坏。5.1.1过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路时最为常见的，它利用电容两端电压不能突变的特性，这种电路能降低截流过电压及过电压上升陡度，还能在高频复燃时用电阻R吸收能量使高频振荡过程强烈衰减，因而有限制重复性高频过电压的作用。RC过电压抑制电路可接于供电变压器两侧(通常供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧）。具体连接方式如图4所示。过电流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况，快速熔断器是最常用，最有效的过电流保护措施，正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧快速熔断器只对负载短路或过载起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用，选择熔断时应考虑：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和驻电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联起来。3）快熔的I2t值应小于被保护器件允许的I2t值。4）为保证熔体在正常过载下不融化，应考虑其时间——电流特性。具体连接方式如图4所示。5.1.3缓冲电路缓冲电路又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt，减小器件的开关损耗。晶闸管在实际应用中一般也只承受换向过电压，没有关断过电压的问题，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路，具体连接方式如图4。图4保护电路的设计六总结这一周的课程设计，虽然时间很紧张，但是感觉收获不少。刚拿到设计的题目时候感觉无从下手，因为书本上大部分例子都是以三相电路而写的，经过几天在图书馆和网络上资料的查阅，综合各个方面的资料，才最终确定了方向；单相桥式可控整流电路在书本上原理的讲述虽然不难，但是真正要自己动手进行设计，结合实际进行参数整定，又牵涉了不少以前所学习的知识。这一周的课程设计，不仅仅是让我知道了单相桥式整流电路的原理和设计方法，更重要的是培养了我们用自己的专业知识解决问题的能力，进一步理解了理论必须运用于实际的重要性，加深对这门课程及专业