电力电子技术课程设计

武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告1课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程系题目：三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计初始条件：1．直流电动机额定参数：PN=10KW,UN=220V,IN=50A,nN=1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω，电流过载倍数λ＝1.5，电枢电感LD=7mH，励磁电压UL=220V励磁电流IL=1.6A.2.进线交流电源：三相380V3.性能指标：直流输出电压0-220V，最大输出电流75A，保证电流连续的最小电流为5A。使用三相可控整流电路，电动机负载，工作于电动状态。要求完成的主要任务：1.三相全控桥式主电路设计（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。2.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。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.提供系统电路图纸不少于一张。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.1.14～2011.1.15收集资料，确定设计方案2011.1.16～2011.1.17系统设计2011.1.18～2011.1.19撰写课程设计论文及答辩指导教师签名：年月日武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告2目录1三相全控桥式主电路设计1.1整流变压器设计..........................................................................31.1.1整流变压器设计原理..........................................................31.1.2变压器参数设定和选择.....................................................31.２平波电抗器参数计算即选择....................................................41.3整流电路......................................................................................51.3.1整流器件的定额计算和选择.............................................51.3.2晶闸管对电网的影响..........................................................61.3.3系统功率因数讨论............................................................72触发电路设计2.1芯片KJ004和KJ041介绍.................................................92.2工作原理.................................................................................92.3触发电路的定相3晶闸管保护电路设计3.1晶闸管过电压保护电路设计..............................................123.1.1、交流侧过电压保护........................................................123.1.2、直流侧的过电压保护...................................................143.1.3、晶闸管换相过电压的保护...........................................143.2晶闸管过电流保护电路设计..............................................153.2电流上升率、电压上升率的限制.....................................164设计心得17参考文献18附录三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计总电路图19武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告31三相全控桥式主电路设计1.1整流变压器设计1.1.1整流变压器设计原理在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压2U往往与电网电压不一致，这就需要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器把晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中，一般都需要设置整流变压器(仅当晶闸管交流侧电压和电网电压一致时可以省去)。1.1.2变压器参数设定和选择变压器的一次侧线电压为380V，整流电路使用的变压器是△-Y型连接。如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：1122IN=IN1122NUK==NU式中、——变压器一次和二次绕组的匝数；K——变压器的匝数比。即由上式可得变压器的匝数比为1.7。由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路形式有关。三相桥式半控整流电路计算如下：大电感负载时变压器二次电流的有效值为I2=0.816Id=40.8A若电动机额定工作时线路电流最大，由上式可得，二次侧电流有效值为234A，则变压器二次侧容量为S1=3U2I2=27KV.A变压器一次侧容量为（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告4S1=3U1I1=27KV.AS=(S1+S1)/2=27KV.A1.２平波电抗器参数计算即选择在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中，含有各种谐波成份。当控制角增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。一、若要求变流器在某一最小输出电流dminI时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算：2lldminULk(mH)I式中2U―交流测电源相电压有效至(V)。dminI―要求连续的最小负载电流平均值(A)。lk―与整流主电路形式有关的计算系数，见附表2-1中的序号2。对于不同控制角，所需的电感量lL为2lldminULKsin(mH)I(2.8)本设计中的参数为：2U210V，dminI5A，lK0.693，临界值0o。将以上所述参数代入式(2.8)可计算出本设计所需的临界电感参数值，即：l210L0.69329.1(mH)5二、整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感TL按下式计算：武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告5k2TLTdu%ULk(mH)100I(2.9)式中2U―变压器次级相电压有效值(V)。dI―晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)(A)。ku%―变压器的短路比。100KVA以下的变压器取ku%5；TLk―与整流主电路形式有关的系数，查附表2-1的序号3。本设计2U210V，dI50A，ku%5，TLk3.9。将以上所需参数代入式(2.9)中可计算出漏电感TL的值，即T5210L3.90.8(mH)10050综上所述，根据直流电动机的电枢电感为ML7mH，可得使输出电流连续的临界电感量lalMTLLLL21.3(mH)电抗器要选的值应比laL大，故选25mH的电感作为平波电抗器。1.3整流电路1.3.1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Idmax=75A)(35.433753IdmaxmaxAIIdTIT(AV)=IT/1.57=27.61AIN=(2～3)IT(AV)=55.22～82.83(A)经分析知，Um=2.45U2=539V则，UN=(2～3)Um=1078～1617(V)武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告6综上所述，选定额IN=60A，UN=1500V系列的晶闸管，通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。此设计电路需要六个晶闸管，三相桥式晶闸管主电路图如图1所示。图1三相桥式晶闸管主电路图1.3.2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，使变压器武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告7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，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。1.3.3系统功率因数讨论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，电动机工作在额定状态，64.7。此时，电流为正负半周各120o的方波，三相电流波形相同，且依次相差120o，其有效值与直流电流的关系为d2II3(2.10)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时间零点，则有ka1nn6k1k1,2,3i2Isint(1)2IsinntL(2.11)由式(2.11)可得电流基波和各次谐波有效值分别为1dnd6II6IIn6k1,k1,2,3nL,(2.12)由此可得以下结论：电流中仅含6k1(k为正整数)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。由式(2.10)和式(2.12)可得基波因数为武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告81I30.955I电流基波与电压的相位差仍为，故位移因数仍为11coscos功率因数即为111I3coscos0.955cos0.4081I可以看出越大，功率因数越小武汉理工大学华夏学院《电力电子技术》课程设计报告92触发电路设计2.1芯片KJ004和KJ041介绍KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相