電力電子課程設(shè)計(jì)---三相可控變流器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1方案的論證與設(shè)計(jì)2</p><p>　　1.1方案的論證2</p><p>　　1.2方案的設(shè)計(jì)2</p><p>　　2主電路設(shè)計(jì)及原理3</p&g

2、t;<p>　　2.1主電路設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2 主電路原理說明3</p><p>　　2.3變壓器的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.3.1變壓器的概念及其工作原理7</p><p>　　2.3.2整流變壓器參數(shù)計(jì)算8</p><p>　　2.4晶閘管選擇及參數(shù)計(jì)算分析9<

3、/p><p>　　2.4.1晶閘管的主要參數(shù)9</p><p>　　2.4.2晶閘管的選擇原則10</p><p>　　2.4.3晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)的影響11</p><p>　　2.4.4系統(tǒng)功率因數(shù)的計(jì)算12</p><p>　　3 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 電路圖

4、的選擇13</p><p>　　3.2 觸發(fā)電路原理說明14</p><p>　　4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1過電壓保護(hù)16</p><p>　　4.2 過電流保護(hù)17</p><p><b>　　5小結(jié)19</b></p><p><

5、;b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　附錄21</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛

6、的應(yīng)用?，F(xiàn)如今電力電子技術(shù)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)、國防現(xiàn)代化、醫(yī)療、環(huán)保和億萬人們?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。近幾年越來越多電力電子應(yīng)用在國民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國家,經(jīng)過電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。</p><p>　　整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器

7、等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相

8、橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。</p><p>　　三相可控變流器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1方案的論證與設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1.1方案的論證</b></p><p>　　三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可

9、控整流電路，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路。它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種三相可控整流電路在帶阻感性負(fù)載的工作情況。 三相半波可控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單、調(diào)整方便。主要缺點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用；而三相橋式全控整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流對(duì)稱，沒有直流磁化問題，變壓器利用

10、率高的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為三相橋式全控整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。</p><p><b>　　1.2方案的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　我的選題是三相可控變流器的設(shè)計(jì)，初始條件是三相橋式全控整流電路，電阻-電感性（大電感）負(fù)載，R＝2.5Ω，額定負(fù)載電流Id＝20A。需要運(yùn)用的知識(shí)點(diǎn)有單相橋式全

11、控整流電路的原理及參數(shù)計(jì)算。</p><p>　　整流電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，在此設(shè)計(jì)中采用三相橋式全控整流電路接阻感性負(fù)載。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)原理方框圖</p><p><b>　　2主電路設(shè)計(jì)及原理</b></p><p><b>　

12、　2.1主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　其原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖2 三相橋式全控整理電路原理圖</p><p>　　目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理如圖1所示，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；陽極連接在一起的三個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱

13、為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p>　　2.2 主電路原理說明</p><p

14、>　　三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動(dòng)勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)），下面分析帶阻感負(fù)載時(shí)的情況。假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角α=0o時(shí)的情況。此時(shí)，對(duì)于共陰極組的三個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共陽極組的三個(gè)晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最?。ɑ蛘哒f負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某

15、一線電壓。此時(shí)電路工作波形如圖2所示。</p><p>　　圖3 反電動(dòng)勢α=0o時(shí)波形</p><p>　　α=0o時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。在分析 的波形時(shí)，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。</p><p>　　從相電壓波形看，以變壓器

16、二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓 為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓 為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓 = 是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。</p><p>　　直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的是最?。ㄘ?fù)得最多）的相電壓，

17、輸出整流電壓 為這兩個(gè)相電壓相減，是線電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓 波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。</p><p>　　由于負(fù)載端接得有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感對(duì)電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時(shí)，在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢Li，它的極性事阻止電流變化的。當(dāng)電流增加時(shí)，它的極性阻止電流增加，當(dāng)電流減小時(shí)，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無窮大時(shí)趨于一條平

18、直的直線。</p><p>　　為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個(gè)周期等分為6段，每段為60o，如圖3所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p>　　表1 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載α=0o時(shí)晶閘管工作情況</p><p>　　圖4 

19、給出了α=30o時(shí)的波形。從 角開始把一個(gè)周期等分為6段，每段為60o與α＝0o時(shí)的情況相比，一周期中 波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30o,組成 的每一段線電壓因此推遲30o， 平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中同時(shí)給出了變壓器二次側(cè)a相電流 的波形，該波形的特點(diǎn)是，在 處于通態(tài)的120o期間， 為正，由于大電感的作用， 波形的形狀近

20、似為一條直線，在 處于通態(tài)的120o期間， 波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。</p><p>　　圖4 α=30o時(shí)的波形</p><p>　　由以上分析可見，當(dāng)α≤60o時(shí)， 波形均連續(xù)，對(duì)于帶大電感的反電動(dòng)勢，id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當(dāng)α＞60o時(shí)，如α＝90o時(shí)電阻負(fù)載情況下的工作波形如圖5所示， 平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時(shí)刻

21、，使得 的值出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)電感足夠大時(shí)， 中正負(fù)面積基本相等， 平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動(dòng)勢的三相橋式全控整流電路的α角的移相范圍為90度。</p><p>　　圖5 α＝90o時(shí)的波形</p><p><b>　　2.3變壓器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.3.1變壓器的概念及其工作原理</p><p&g

22、t;　　變壓器是一種靜止電機(jī)，它可將一種電壓的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓的電能。從電力的生產(chǎn)、輸送、分配到各用電戶，采用著各式各樣的變壓器。首先，從電力系統(tǒng)來講，變壓器就是種主要設(shè)備。我們知道，要將大功率的電能輸送到很遠(yuǎn)的地方去，采用較低電壓即相應(yīng)的大電流來傳輸是不可能的。這是由于一方面大電流還將在輸電線上引起大的功率損耗；另一方面大電流還將在輸電線上的電壓降落，致使電能根本輸不過去。為此，需要變壓器來將發(fā)電機(jī)的端電壓升高，相應(yīng)電流就可減少。

23、一般來說，當(dāng)輸電距離越遠(yuǎn)，輸出功率越大時(shí)，要求的輸出電壓也越大。</p><p>　　在電力系統(tǒng)中變壓器的地位是非常重要的，不僅需要變壓器的數(shù)量多，而且要求性能好，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)，還要保證運(yùn)行安全可靠。</p><p>　　一二側(cè)電壓之比近似等于其匝數(shù)比。因此在原繞組不變的情況下改變副繞組的匝數(shù)，就可達(dá)到輸出電壓的目的。若將副繞組與負(fù)載相接，副邊就會(huì)有電流流過，這樣就把電能傳輸給了負(fù)載。

24、從而實(shí)現(xiàn)了傳輸電能，改變電壓的要求，就是變壓器工作的基本原理。</p><p>　　2.3.2整流變壓器參數(shù)計(jì)算</p><p>　　二次相電壓:平時(shí)我們在計(jì)算是在理想條件下進(jìn)行的，但實(shí)際上許多影響是不可忽略的。如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按下式計(jì)算：</p><p>　　式中 ——負(fù)載的額定電壓；</p&g

25、t;<p>　　——整流元件的正向?qū)▔航担话闳?V；</p><p>　　——電流回路所經(jīng)過的整流元件（VT及VD）的個(gè)數(shù)；</p><p>　　A ——理想情況下=0º時(shí)與的比值，查表可知；</p><p>　　——電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取0.9；</p><p>　　——最少移相角，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中總希望值留有

26、調(diào)節(jié)余量，對(duì)于可逆直流調(diào)速系統(tǒng)取（30°～35°），不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)?。?0°～15°）；</p><p>　　C ——線路接線方式系數(shù)，查表單相橋式C取0.5V； </p><p>　　——變壓器阻抗電壓比，100KV·A以下，取=0.05V，</p><p>　　100KV·A以上，取=0.05～0.

27、1V；</p><p>　　——二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比。</p><p>　　一次與二次額定電流及容量計(jì)算：如果不計(jì)變壓器的勵(lì)磁電流，根據(jù)變壓器磁動(dòng)勢平衡原理可得一次和二次電流關(guān)系式為：</p><p><b>　　K== </b></p><p>　　式中、——變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)；</p

28、><p>　　K——變壓器的匝數(shù)比。 </p><p>　　大電感負(fù)載時(shí)變壓器二次電流的有效值為</p><p>　　此時(shí)，α為0?？梢杂?jì)算出，</p><p>　　選擇整流變壓器的變比為：</p><p>　　變壓器二次側(cè)容量為=21.37×16.32=348.76VA</p><p>

29、　　2.4晶閘管選擇及參數(shù)計(jì)算分析</p><p>　　由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。</p><p>　　2.4.1晶閘管的主要參數(shù)</p><p><b>　　①額定電壓</b></p><p>　　通常取和中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為

30、晶閘管型的額定電壓。在選用晶閘管時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍，以保證電路的工作安全。</p><p><b>　　晶閘管的額定電壓 </b></p><p>　?。汗ぷ麟娐分屑釉诠茏由系淖畲笏矔r(shí)電壓 </p><p><b>　　②額定電流 </b></p><p>　　又稱為額定通

31、態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。</p><p>　　要注意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會(huì)超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞

32、。</p><p>　　在實(shí)際使用時(shí)不論流過管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。</p><p>　　:額定電流有效值，根據(jù)管子的換算出，</p><p>　　、、三者之間的關(guān)系：</p><p>　　考慮到晶閘管電流的安全裕量為，流過每個(gè)晶閘管的電流有效值為，晶閘

33、管的額定電流為 ，。</p><p>　　波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)，用表示：</p><p>　　額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù)為：</p><p>　　晶閘管承受最大反向電壓，所以晶閘管的額定電壓為</p><p><b>　　。&

34、lt;/b></p><p>　　2.4.2晶閘管的選擇原則</p><p>　　一、所選晶閘管電流有效值ITn 大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值。</p><p>　　二、 選擇時(shí)考慮（1.5～2）倍的安全余量。即＝0.707＝（1.5～2）</p><p>　　因?yàn)?則晶閘管的額定電流為=10A(輸出電流的有效值為最小值，

35、所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至少應(yīng)大于20A。</p><p>　　三、 若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。</p><p>　　通態(tài)平均管壓降。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.4～1.2V。</p><p>　　維持電流。指在常溫門極開路時(shí)，晶

36、閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。</p><p>　　門極觸發(fā)電流。在常溫下，陽極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門極電流，一般為毫安級(jí)。</p><p>　　斷態(tài)電壓臨界上升率。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。</p>&

37、lt;p>　　通態(tài)電流臨界上升率。在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。若晶閘管導(dǎo)通時(shí)電流上升太快，則會(huì)在晶閘管剛開通時(shí)，有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。</p><p>　　2.4.3晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)的影響</p><p>　　晶閘管變流設(shè)備一般都是通過變壓器與電網(wǎng)連接的，因此其工作頻率為工頻初級(jí)電壓即為交流電網(wǎng)電壓。經(jīng)過變壓器的耦合，

38、晶閘管主電路可以得到一個(gè)合適的輸入電壓，是晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分，減小電網(wǎng)污染。在變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓相差不多時(shí)，有時(shí)會(huì)采用自耦變壓器；當(dāng)變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓一致時(shí)，也可以不經(jīng)變壓器而直接與電網(wǎng)連接，不過要在輸入端串聯(lián)“進(jìn)線電抗器”以減少對(duì)電網(wǎng)的污染。</p><p>　　在分析整流電路工作原理時(shí)，我們曾經(jīng)假設(shè)晶閘管是理

39、想的開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)認(rèn)為其電阻為零，而關(guān)斷時(shí)，認(rèn)為其電阻無窮大。但事實(shí)上，晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降。</p><p>　　晶閘管裝置中的無功功率，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)帶來不利影響：</p><p>　　1) 無功功率會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。</p><p>　　2) 無功功率增加，會(huì)使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加

40、。</p><p>　　3) 使線路壓降增大，沖擊性無功功率負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)。</p><p>　　晶閘管裝置還會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害，包括：</p><p>　　1) 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。</p><p>　　2) 諧波影響各種

41、電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。</p><p>　　3) 諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會(huì)使上述1)和2)兩項(xiàng)的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。</p><p>　　4) 諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并使電氣測量儀表不準(zhǔn)確。</p><

42、;p>　　5) 諧波會(huì)對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。</p><p>　　為防止諧波危害，晶閘管裝置可以采取措施抑制諧波，其辦法大致有：（1）增加電流相數(shù)：一個(gè)改變變流裝置的電流波形的方法是增加交流裝置的脈動(dòng)數(shù)，諧波次數(shù)越高，其幅值就越小，增加供電的相數(shù)就能顯著減小諧波的次數(shù)。（2）安裝諧波濾波器：常采用的排除大中型變流裝置諧波的有效方法是在

43、交流裝置輸入端對(duì)這些諧波分量進(jìn)行濾波。（3）減小相位角。</p><p>　　2.4.4系統(tǒng)功率因數(shù)的計(jì)算</p><p>　　三相橋式全控整流電路中基波和各次諧波的有效值為：</p><p>　　n=6k1, k=1,2,3,…</p><p>　　由此可得以下結(jié)論：電流中僅含（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有

44、效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。</p><p>　　有上述式子可得基波因數(shù)為 </p><p>　　又因?yàn)?，電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數(shù)仍為 </p><p><b>　　功率因數(shù)即為</b></p><p><b>　　把代入計(jì)算得</b></p><p>

45、;　　整流電路的輸出視在功率為</p><p><b>　　有功功率為</b></p><p><b>　　3 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 電路圖的選擇</p><p>　　晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、

46、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性：</p><p>　　當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。</p><p>　　晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。</p><p>　　晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)

47、通后，門極失去作用。</p><p>　　晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。</p><p>　　圖6 雙脈沖觸發(fā)電路</p><p>　　根據(jù)晶閘管的這種特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻，就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動(dòng)過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸

48、發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)緊前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o ~30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。觸發(fā)電路如圖5所示。</p><p>　　3.2 觸發(fā)電路原理說明</p><p>　　如圖5所示，觸發(fā)電壓的形成用KJ004芯片完成。KJ004電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相

49、電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對(duì)不同的移相控制電壓VY,只有改變權(quán)電阻R1、R2的比例,調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓VP。同時(shí)調(diào)整鋸齒波斜率電位器RW1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個(gè)移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導(dǎo)通角增大，R7和C2形成微分電路,改變R7和C2的值可以獲得不同的脈沖輸出。KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

50、如圖6所示。</p><p>　　圖7 KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　雙脈沖信號(hào)的形成與控制用KJ041六路雙脈沖形成器完成，KJ041是三相全控橋式觸發(fā)線路中必備的電路，具有雙脈沖形成和電子開關(guān)控制封鎖功能。實(shí)用塊有電子開關(guān)控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。</p><p>　　如圖5所示，KJ041的1-6腳管為單脈沖信號(hào)輸

51、入。把單脈沖信號(hào)由10-15腳管兩兩同時(shí)輸出形成雙脈沖信號(hào)，10-15腳管兩兩同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)輸送給VT6-VT1晶閘管。</p><p>　　（1）假設(shè)在t1時(shí)刻15腳管開始給VT1晶閘管輸送脈沖信號(hào)，則經(jīng)過60度后14腳管開始給VT2晶閘管雙脈沖信號(hào)，即只有15腳管和14腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒信號(hào)輸出，則此時(shí)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　?。?）再過60度后，15腳管停止

52、輸出信號(hào)，而13腳管開始給VT3輸出信號(hào)，即只有14腳管和13腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒信號(hào)輸出，此時(shí)VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　?。?）再過60度后，14腳管停止輸出信號(hào)，而12腳管開始給VT4輸出信號(hào)，即只有13腳管和12腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒有輸出信號(hào)，此時(shí)VT3和VT4同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　?。?）再過60度后，13腳管停止輸出信號(hào)，而11腳管開始給VT

53、5輸出信號(hào)，即只有12腳管和11腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒有信號(hào)輸出，此時(shí)VT4和VT5同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　　（5）再過60度后，12腳管停止輸出信號(hào)，而10腳管開始給VT6輸出信號(hào)，即只有11腳管和10腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒有信號(hào)輸出，此時(shí)VT5和VT6同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　?。?）再過60度后，11腳管停止輸出信號(hào)，而15腳管開始給VT1輸出信號(hào)，即只有10腳管和

54、15腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒有信號(hào)輸出，此時(shí)VT6和VT1同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　　重復(fù)以上步驟即得到三相橋式全控整流電路要求的觸發(fā)信號(hào)。</p><p><b>　　4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　較之電工產(chǎn)品，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)導(dǎo)致器件永久性的損壞。因此電力電子

55、電路中過電壓和過電流的保護(hù)裝置是必不可少的，有時(shí)還要采取多重的保護(hù)措施。</p><p><b>　　4.1過電壓保護(hù)</b></p><p>　　晶閘管電路中可能發(fā)生的過電壓可分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。內(nèi)因過電壓主要來自晶閘管內(nèi)部的開關(guān)過程。，包括換相過電壓和關(guān)斷過電壓。</p><p&g

56、t;　　晶閘管電路過電壓保護(hù)主要防止內(nèi)因過電壓，一般情況下，外因過電壓出現(xiàn)的幾率比較小，這里主要分析內(nèi)因過電壓的電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　晶閘管內(nèi)因過電壓保護(hù)電路如圖7所示。</p><p>　　圖8 晶閘管過電壓保護(hù)電路</p><p>　　這種保護(hù)電路能有效的抑制內(nèi)因過電壓，從而保護(hù)晶閘管不受損壞。這種電路一般和抑制電路串聯(lián)使用，從而更好的保護(hù)晶閘管。&l

57、t;/p><p>　　圖9 晶閘管過電壓、di/dt抑制保護(hù)電路</p><p>　　如圖9所示，開通時(shí)刻緩沖電容先通過向V放電，使電流先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)橛幸种齐娐返?,的上升速度減慢。、是在關(guān)斷時(shí)刻為中的磁場能量提供放電回路設(shè)置的。在關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過向分流，減輕了的負(fù)擔(dān)，抑制了和過電壓。</p><p><b>　　4.2 過電流保護(hù)</b&

58、gt;</p><p>　　電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過電流。過電流有過載荷短路兩種情況。常用的過電路保護(hù)措施如圖10所示。一臺(tái)電力電子設(shè)備可選用其中的幾種保護(hù)措施。針對(duì)某種電力器件，可能有些保護(hù)措施是有效的而另外一些是無效的或不合適的，在選用時(shí)應(yīng)特別注意。</p><p>　　圖10 過流保護(hù)電路圖</p><p>　　交流斷路器保護(hù)是通

59、過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，當(dāng)交流電流超過整定值時(shí)，過流繼電器動(dòng)作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，切除故障電流。應(yīng)當(dāng)注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時(shí)值，否則如果電流達(dá)到了器件的最大電流過流繼電器才動(dòng)作，由于器件耐受過電流的時(shí)間極短，在繼電器和斷路器動(dòng)作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。 </p><p>　　來自電流互感器的信號(hào)還可作用于驅(qū)動(dòng)電路，

60、當(dāng)電流超過整定值時(shí)，將所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出封鎖，全控型器件會(huì)由于得不到驅(qū)動(dòng)信號(hào)而立即阻斷，過電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導(dǎo)通的晶閘管不再導(dǎo)通，而已導(dǎo)通的晶閘管由于電感的儲(chǔ)能器件不會(huì)立即關(guān)斷，但經(jīng)一定的時(shí)間后，電流衰減到 0，器件關(guān)斷。這種保護(hù)方式由電子電路來實(shí)現(xiàn)，又叫做電子保護(hù)。與斷路器保護(hù)類似，電子保護(hù)的電流整定值也一般應(yīng)該小于器件所能承受的電流最大值。 </p><p>　　快速熔斷器保

61、護(hù)一般作為最后一級(jí)保護(hù)措施，與其它保護(hù)措施配合使用。快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施，根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)（三相電源的每一相串接一個(gè)快速熔斷器） ，也可以接在負(fù)載側(cè)，還可電路中每一個(gè)電力電子器件都與一個(gè)快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護(hù)效果也有差異。熔斷器保護(hù)有可以對(duì)過載和短路過電流進(jìn)行“全保護(hù)”和僅對(duì)短路電流起作用的短路保護(hù)兩種類型。 </p><p>　　

62、撬杠保護(hù)多應(yīng)用于大型的電力電子設(shè)備，電路中電流檢測、電子保護(hù)都是必需的，同時(shí)還要在交流電源側(cè)加一個(gè)大容量的晶閘管。其保護(hù)原理如下：當(dāng)檢測到的電流信號(hào)超過整定值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)用的晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接一個(gè)小電感用以限制 di/dt；驅(qū)動(dòng)電路開通主電路中的所有電力電子器件，以分散短路能量，讓所有器件分擔(dān)短路電流；使交流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經(jīng)一段時(shí)間的衰減短路能量消失，起到保護(hù)作用。</p><

63、;p><b>　　5小結(jié)</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是電力電子技術(shù)中的交流變直流，即整流過程。本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)包括主電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，變壓器的參數(shù)計(jì)算，選擇整流元件的定額，觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)以及晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等，我通過查閱資料，認(rèn)真完成課每一個(gè)任務(wù)。</p><p>　　首先，對(duì)任務(wù)書進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，了解自己需

64、要完成的任務(wù)，搞清楚題目所涉及到的知識(shí)點(diǎn)，翻閱課本及資料，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，對(duì)接下來需要進(jìn)行的工作有初步的認(rèn)識(shí)及了解；</p><p>　　接下來的工作是對(duì)主電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，三相可控整流電路有多種設(shè)計(jì)，我所選用的電路是三相橋式全控整流電路接無窮大阻感負(fù)載，結(jié)合教材及相關(guān)資料，對(duì)電路的工作原理作了較為詳細(xì)的闡述；</p><p>　　這個(gè)環(huán)節(jié)主要是對(duì)變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并討

65、論了晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)的影響及其功率因數(shù)，該環(huán)節(jié)的知識(shí)點(diǎn)是我的薄弱之處，未完成這個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)，我查閱了大量的資料，并向同學(xué)和老師請教求解，最后難題得以解決，課設(shè)的工作得以順利進(jìn)行；</p><p>　　然后就是對(duì)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，這部分涉及到觸發(fā)電路的選型，同步信號(hào)的定相等。綜合相關(guān)知識(shí)后選用的觸發(fā)電路是有KJ004及KJ041構(gòu)成的六路雙脈沖輸出觸發(fā)電路，接著對(duì)晶閘管的過電壓保護(hù)及過電流保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)；<

66、/p><p>　　最后是對(duì)系統(tǒng)電路圖的繪制，在這個(gè)過程中遇到了諸多的麻煩，由于對(duì)軟件操作不夠熟悉，畫圖時(shí)浪費(fèi)了很多時(shí)間，不過最后總算完成了任務(wù)，在此過程中鍛煉了自己對(duì)軟件的操作能力及解決問題的能力，并學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的東西，收獲頗豐。</p><p>　　整個(gè)課程設(shè)計(jì)雖然花費(fèi)了我大量的時(shí)間、精力，但我從中也學(xué)會(huì)了不少知識(shí)。首先，在整個(gè)設(shè)計(jì)中必須知道自己要干什么，整流電路中還有很重要的驅(qū)動(dòng)

67、電路，保護(hù)電路之類的電路及參數(shù)需要選擇，然后明確首先得完成的基本要求；其次，學(xué)會(huì)查找資料，由于圖書館關(guān)于電力電子的書很少，所以開始基本上找不到有關(guān)濾波器等設(shè)計(jì)的資料及參考書籍，而網(wǎng)上的資源太多，太雜，不得不說，這方面做的仍然不太好，雖然查了很多書，但是相關(guān)的信息卻很少；最后，學(xué)會(huì)獨(dú)立完成一份設(shè)計(jì)，并從中獲得自信，也明了一個(gè)設(shè)計(jì)必須得有很堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

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