《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)---三相可逆變流裝置

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè),交通運(yùn)輸,空間技術(shù),國(guó)防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬(wàn)人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域,進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對(duì)電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來(lái)越多電力電子應(yīng)用在國(guó)民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家,經(jīng)過(guò)電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。 本文主要介紹可逆變流裝置設(shè)計(jì)。

2、以三相全控橋式反并聯(lián)可逆線路為主體，加上觸發(fā)電路及保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載并實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。在Altium Designer上進(jìn)行畫圖，線路設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三相全控橋式反并聯(lián)可逆線路 四象限運(yùn)行 Altium Designer</p><p><b>　　可逆變流裝置的設(shè)計(jì)</b></p><p>

3、;　　1設(shè)計(jì)方案及原理介紹</p><p>　　1.1橋式全控整流電路</p><p>　　圖1-1 橋式全控整流電路原理圖</p><p>　　三相橋式全控整流電路習(xí)慣將其中陰極連接在一起的三個(gè)晶閘管(VT1、VT3、VT5)稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的三個(gè)晶閘管(VT4、VT6、VT2)稱為共陽(yáng)極組。晶閘管按圖1-1所示順序編號(hào)，則按次編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順

4、序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。</p><p>　　三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，當(dāng)，波形連續(xù)，電路工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓波形、晶閘管承受電壓波形等都一樣，區(qū)別僅是電流不同。阻感負(fù)載時(shí)由于電感作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大時(shí)，負(fù)載電流波形近似為一條水平線。如圖1-2和圖1-3所示。</p><p>　　圖1-

5、2三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載當(dāng)?shù)那闆r</p><p>　　圖1-3三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載當(dāng)?shù)那闆r</p><p>　　當(dāng)時(shí)，阻感負(fù)載的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖1-4給出了時(shí)的波形。若電感值足夠大，中正負(fù)面積將基本相等，平均值近似為零。這表明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為。&

6、lt;/p><p>　　圖1-4三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載當(dāng)?shù)那闆r</p><p>　　1.2橋式電路的分析計(jì)算</p><p>　　以線電壓過(guò)零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，于是可得到當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)(即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載時(shí))的平均值為 </p><p>　　帶電阻負(fù)載且時(shí)，整流電壓平均值為</p><p>

7、　　整流電流平均值為。當(dāng)整流變壓器為星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次電流波形如圖A1所示，為正負(fù)半周各寬、前沿相差的矩形波，其有效值為</p><p>　　2 主電路設(shè)計(jì)及原理說(shuō)明</p><p>　　2.1 主電路原理圖</p><p>　　主電路采用三相全控橋式反并聯(lián)可逆線路，原理圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1三相全控

8、橋式反并聯(lián)可逆線路</p><p>　　電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行時(shí)是由一組變流器供電的；反向運(yùn)行時(shí)，則由兩組變流器供電。根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即α=β工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無(wú)環(huán)流和錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流等。不論采用哪一種反并聯(lián)供電電路，都可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行，如果在任何時(shí)間內(nèi)，兩組變流器只有一組投入工作，則可根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)決定哪一組變流器工作及

9、其相應(yīng)的工作狀態(tài)：整流或逆變。</p><p>　　2.2 電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行</p><p>　　如圖2-2所示繪出了對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行時(shí)兩組變流器（簡(jiǎn)稱正組橋、反組橋）的工作情況。</p><p>　　第1象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，, (下表中有表示整流)。</p><p>　　第2象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)

10、行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，（）, (下表中有表示逆變)。</p><p>　　第3象限：反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，,。</p><p>　　第4象限：反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，（）, 。</p><p>　　圖2-2電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行</p><p>　　電動(dòng)機(jī)在第1象限正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)從正組橋取得電能。如

11、果需要反轉(zhuǎn)，先應(yīng)使電動(dòng)機(jī)迅速制動(dòng)，就必須改變電樞電流的方向，但對(duì)正組橋來(lái)說(shuō)，電流不能反向，需要切換到反組橋工作，并要求反組橋在逆變狀態(tài)下工作，保證與同極性相接，使得電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電流限制在容許范圍內(nèi)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第2象限做正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能經(jīng)反組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W(wǎng)。改變反組橋的逆變角，就可改變電動(dòng)機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了保持電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中有足夠的轉(zhuǎn)矩，一般應(yīng)隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，不斷地調(diào)節(jié)，使之由小

12、變大直至，如繼續(xù)增大，即，反組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動(dòng)運(yùn)行。以上是電動(dòng)機(jī)由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全過(guò)程。同樣，電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過(guò)程則由第3象限經(jīng)第4象限最終運(yùn)行在第1象限上。</p><p>　　3參數(shù)計(jì)算及元件選擇</p><p>　　3.1變壓器參數(shù)計(jì)算</p><p>　　由于我們的電路主要實(shí)現(xiàn)可逆變流，因而兩組變流器只有一組投入工

13、作，所以其計(jì)算與三相橋式全控相同。</p><p>　　3.2晶閘管參數(shù)計(jì)算及選擇</p><p>　　晶閘管承受的最大正、反向電壓為： </p><p>　　考慮裕值，晶閘管額定電壓： </p><p>　　晶閘管電流有效值： </p><p>　

14、　考慮裕值，晶閘管額定電流： </p><p>　　3.3 晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)及功率因數(shù)的影響</p><p>　　3.3.1 晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)的影響</p><p>　　引起諧振，造成熱損壞、振動(dòng)、閃爍等事故；對(duì)通信線路產(chǎn)生雜音；對(duì)變壓器鐵心產(chǎn)生噪音，損耗增加；影響電壓和電流的相位差，測(cè)量精確度下降；導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作等。</p>

15、;<p>　　3.3.2 晶閘管電路功率因數(shù)析</p><p>　　三相橋式全控電路三相電流 </p><p>　　電流基波和各次諧波分別為 </p><p>　　因此基波因數(shù)為 電流基波與電壓的相位差為，故位移因數(shù)為 功率因數(shù)即為</p><p><b>　　4觸發(fā)電

16、路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖，本設(shè)計(jì)利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。</p><p>　　本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖

17、，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如4-1所示。</p><p>　　圖4-1 KJ004原理圖</p><p>　　4.1 KJ004的工作原理</p><p>　　如圖電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，

18、它與分立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1～V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15V－R3－VD1－V1－地)；在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―(―15V))。因此，在正、負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS|＜0.7V時(shí)，V1～V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才

19、能導(dǎo)通。</p><p>　　電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15V－R6－C1－R22－RP1－(－15V))對(duì)C1充電，形成線性增長(zhǎng)的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過(guò)R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。</p&

20、gt;<p>　　V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當(dāng)ube6>+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。</p><p>　　V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng)

21、 V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過(guò) V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15V－R25－V6－地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2≥+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)R25和C2決定。</p><p>　　V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位差為180°的脈沖。脈沖分選通過(guò)同步電壓

22、的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來(lái)自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過(guò)二極管VD7，經(jīng)V9～V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13～V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說(shuō)明：</p><p>　　1) KJ004中穩(wěn)壓管VS6～VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD

23、1、VD2、VD6～VD8為隔離二極管。</p><p>　　2) 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1～VD12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管V1～V6進(jìn)行脈沖功率放大。</p><p>　　3) 由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個(gè)與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接

24、成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓uSa、uSb、uSc分別與同步變壓器的uSA、uSB、uSC相接 RP1～RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4～RP6為同步相位</p><p>　　4.2集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立

25、元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再</p><p>　　由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 集成觸發(fā)電路</p><p>　　5晶閘管的過(guò)電壓與過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在電力電子電路中，除了電力電子

26、期間參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)也是必要的。</p><p><b>　　5.1過(guò)電壓保護(hù)</b></p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括：</p><p>　　1）操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)

27、電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過(guò)電壓會(huì)由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過(guò)來(lái)。</p><p>　　2）雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。</p><p>　　內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括：換相過(guò)電壓，關(guān)斷過(guò)電壓。</p><p>　　1）換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)

28、由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓</p><p>　　2）關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用RC過(guò)電壓抑制電路連接方式，具體如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 RC過(guò)電壓抑制電路</p><p><b>　　5.2過(guò)電流保護(hù)</b&

29、gt;</p><p>　　電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。如圖5-2所示給出了各種過(guò)電流保護(hù)措施，其中快速熔斷器、直流快速熔斷器和過(guò)電流繼電器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。</p><p>　　圖5-2 過(guò)電流保護(hù)電路</p><p>　　6系統(tǒng)原理

30、與環(huán)流分析</p><p>　　本系統(tǒng)采用三相全控橋式反并聯(lián)線路設(shè)計(jì)，包括觸發(fā)電路，晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)以及主電路。本系統(tǒng)無(wú)論何時(shí)只有一組投入工作，所以相當(dāng)于三相全控橋式電路，原理前面已分析，此處不再敘述。本系統(tǒng)主電路為三相全控橋的無(wú)環(huán)流接線，因此系統(tǒng)沒(méi)有環(huán)流。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　電力電

31、子技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，需要我們不斷的在實(shí)踐中學(xué)習(xí)積累經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)半年的學(xué)習(xí)，我們有了一定的理論知識(shí)積累，但是我們的實(shí)踐能力很欠缺。本次課設(shè)給了我這樣一次機(jī)會(huì)，通過(guò)本次課設(shè)，我對(duì)三相橋式全控整流電路的原理又有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。明白了三相橋式整流電路反并聯(lián)構(gòu)成可逆變流器，它既可以工作在整流狀態(tài)又可以工作在逆變狀態(tài)。當(dāng)晶閘管的控制角在時(shí)工作在整流狀態(tài)，當(dāng)在時(shí)工作在逆變狀態(tài)?？刂平堑漠a(chǎn)生就靠觸發(fā)電路，因而需要進(jìn)行觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路可以采

32、用多種形式的電路，此次設(shè)計(jì)我采用了集成觸發(fā)器KJ004，因?yàn)樗哂锌煽啃愿撸夹g(shù)性能好，體積小，功耗低和調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行除了主電路和觸發(fā)電路外還需要保護(hù)電路。保護(hù)電路又包括過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，分別對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，一個(gè)完整的系統(tǒng)就設(shè)計(jì)完畢了。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中需要查詢大量資料，運(yùn)用Altium Designer等設(shè)計(jì)仿真軟件，期間出現(xiàn)大量問(wèn)題，需要和他人進(jìn)行討論，自己的水平

33、也得到不斷提高，本次課設(shè)使我的理論知識(shí)有了用武之地，相信對(duì)以后的工作學(xué)習(xí)有很大幫助。最后對(duì)李老師的幫助指導(dǎo)表達(dá)感激之情！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王兆安、黃俊,電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[2]王維平,現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用.南京：東南大學(xué)出版社，1999 &

34、lt;/p><p>　　[3]葉斌,電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置.北京：鐵道出版社，1999</p><p>　　[4]馬建國(guó),孟憲元.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社,2004[5]馬建國(guó),電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社,2004 [6]王鎖萍,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化教程.四川：電子科技大學(xué)出版社2002</p><p><b>　　附錄</b>