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电力电子课程设计-晶闸管并联谐振感应加热中频电源主电路的设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.31M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目 录
    《电力电子设计技术报告》 题 学 目：晶闸管并联谐振感应加热中频电源主电路的设计 院： 工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 0602 班 姓 名： 刘丹 指导教师： 2008 年 12 月 日
    目 录 1．课程设计目的………………………………………………………………1 2．课程设计题目描述和要求…………………………………………………1 2.1. 课程设计题目描述…………………………………………………1 2.2. 课程设计题目要求及技术指标……………………………………2 3.课程设计报告内容 …………………………………………………………3 3.1 设计方案的选定与说明 ……………………………………………3 3.2 论述方案的各部分工作原理及计算 ………………………………4 3.3 设计方案图表及其电路图 …………………………………………6 4．总结 …………………………………………………………………… 9 5．参考书目 …………………………………………………………………10
    晶闸管交流功率控制器是国际电工委员会（IEC）命名的“半导体交流功率 引言 控制器” （Semiconductor AC Power Controller）的一种，它以晶闸管（可控硅 SCR 或双向可控硅 TRIAC）为开关元件，是一种可以快速、精确地控制合闸时间 的无触点开关，是自动控制温度系统高精度及高动态指标必不可少的功率终端控 制设备。晶闸管交流调功器是在一个固定周期或变动周期里，以控制导通的交流 电周波数来控制输出功率的大小。晶闸管在正弦波过零时导通，在过零时关断， 输出为完整的正弦波。晶闸管交流调功器主要用于各种电阻炉、电加热器、扩散 炉、恒温槽、烘箱、熔炉等电热设备的温度自动、手动控制。 一．晶闸管并联谐振感应加热中频电源主电路的设计要求 主要技术数据： （1）输入交流电源：线电压有效值 UL=380V、电网波动范围 AV=0.95～1.1、 频率 f=50Hz （2）中频电源：额定输出功率 PH=100kw、最大输出功率 PHm=110kw、频率 f=1000Hz、负载基波位移角φ1=300。 二．整流电路的设计 1.整流电路的选择 很明显，单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小、功率因数高和变压器 利用率高等特点。然而值得注意的是，在大电感负载情况下，当控制角α接近π /2 时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小，且理想的大电感负载 是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线， 而且在α=π/2 之前电流就 会出现断续。电感量越小，电流开始断续的α值就越小。 单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻换 流，二极管则在电源电压过零时换流；由于自然续流的作用，整流输出电压 ud 的波形与全控桥式整流电路带电阻性负载时相同，α的移相范围为 0～180°， ud 、Id 的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流 都是宽度为 180°的方波且与α无关，交流侧电流为正、 负对称的交变方波。
    三相半波(又称三相零式)相控整流电路如图 2-7(a)所示。图中 TR 是整流变 压器，可直接由三相四线电源供电。 三只晶闸管的阴极连在一起， 称为共阴极 接法， 这在触发电路有公共线时连接比较方便，因此得到了广泛应用。 三相全控桥式可控整流电路与三相半波电路相比，若要求输出电压相同，则 三相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电压的要求降低一半；若输入电压相同， 则输出电压 Ud 比三相半波可控整流时高一倍。另外， 由于共阴极组在电源电压 正半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为正；共阳极组在电压负半周时导通， 流经变压器次级绕组的电流为负，因此在一个周期中变压器绕组不但提高了导电 时间，而且也无直流流过，克服了三相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器 利用率低的缺点。 三相全控桥式整流电路在任何时刻必须保证有两个不同组的晶闸管同时导 通才能构成回路。换流只在本组内进行， 每隔 120°换流一次。 由于共阴极组 与共阳极组换流点相隔 60°，所以每隔 60°有一个元件换流。 同组内各晶闸管 的触发脉冲相位差为 120°，接在同一相的两个元件的触发脉冲相位差为 180°， 而相邻两脉冲的相位差是 60°。 从以上比较中可看到：三相桥是可控整流电路从技术性能和经济性能两方面 综合指标考虑比其它可控整流电路有优势，故本次设计确定选择三相桥是可控整 流电路。 图 1-1 三相桥是可控整流电路 2.整流电路（直流侧）参数计算和元件选择 （1）.直流功率 Pdm： 设电源效率为 95％则
    Pdm=PHm/η=115.79 （2）直流电压 Udm： 已知输入电压 UL=380V,当控制角α=00 时，整流输出直流电压 Udm=1.35AVUL=487.35 - （2－1） （3）直流电流 Idm： Idm=Pdm/ Udm=237.59 （2－2） （4）晶闸管的选择 1）晶闸管额定电流 IT(AV) ： IT(AV)≥（1.5～2）KITIdm =174.39 （2－3） 式中：KIT－晶闸管电流计算因素，采用三相桥式整流电路 KIT=0.367 2）晶闸管额定电压 UTN： UTN =（1.5～2） 6 U2φ =1077.78 （2－4） （5）滤波电感 Ld 的选择 1）按保证直流电流连续选择 Ld（1）≥ KL1 U2φ103/IdL=3.77mH （2－5） 式中：KL1－系数，三相桥式 KL1=0.407s/rad； IdL－临界连续时 id 平均值，一般取 IdL =0.1 IdN（A）； U2φ－相电压有效值（V）； 2）按限制电流脉动选择 Ld（2）≥ KL2 U2φ/ KL3ωd IDn=4.52mH （2－6） 式中：KL2=Ud1/ U2φ KL3= Id1/ IDn=6.01mH ωd=mωd=m2πfN Ud1－最大的基波电压幅值； Id1－最大的基波电流幅值； fN－电网频率。 对三相桥式时 KL2=0.46, KL30.05,m=6, ωd=mωd=m2πfN； 3）按限制短路电流选择
    Ld（3）≥3.67 U2φ/（3－KdT）ωdN IdN （2－7） 式中：KDt= IdT/ IDn=1.1～1.2 IdT－电流动作值； 3.整流电路（直流侧）触发电路的选择 可控硅变流技术在电子电力系统中已经应用得极其广泛,而可控硅触发系统 则是变流装置中不可缺少的电路单元。集成电路 KJ 系列触发器具有移相性能好, 控制角与控制电压成比例,移相范围宽、抗干扰能力强、温漂小、输出功率大及 可靠性高等一系列优点。 集成电路 KJ 系列触发器利用在起动瞬间三相干扰触发脉冲同时存在的特 点，设计出抗干扰电路，消除了在按下起动按钮的瞬间出现的干扰触发脉冲。利 用电容的滤波作用，在变换电路的输入端加接滤波电容，消除了在移相至某区域 出现的低幅值超前干扰触发脉冲；利用电容的充电效应，使得每次起动时，移相 电压都由一较低值渐增至给定值，实现了限流起动的要求。 三．逆变电路的设计 1. 电路结构 逆变电路也称逆变器，是一种 DC/AC(直流电/交流电)的转换器，它将电池 组的直流电源转化成电压和频率稳定的交流电源。 图 3-1 是电流型逆变器的主电路图，主要由滤波电感、晶闸管、换相电容、 换相电感组成。图 2 左端的直流输入是交流整流后经大电感滤波，无功能量由滤 波电感 L 吸收，电流 id 方向保持不变、大小近于恒定．可以看作是直流电流源 供电。在逆变器工作时，负载电流近似为幅值为输入电流的方波电流。由于电流 恒定，主臂晶闸管 V1、V2、V3、V4 不需要并联反馈二极管。辅助晶闸管 V11、V12、 V13、V13 和换相电容 C1、C2 换相电感 L1、L2 构成换流环节。二极管 V5、V6，电容 C3，电阻 R 及电源 U 构成过电压抑制回路。
    图 3-1 电流型逆变器的主电路 2. 工作原理 滤波电感 L 滤波储能，换相电容 C1、C2 的容量为 C，换相电感 L1、L2 的电感 值为 L。在换流时输入电流 id 近似看作是恒流源，负载为电阻性负载。以下分析 V1、V4 导通，向 V2、V3 换流的过程。 (1)换流前状态 V1、V4 导通，电流经 V1、负载、V4 流通，负载电流 io=id，电压 uo=eo=Uo。电 容 C1、C2 被充电，电压为 uc1=uc2=uco，极性如图 2 中所示，为关断 V1、V4 作好准备。 (2)主晶闸管关断阶段 当触发 V11、V14 时，V11 导通，将 uc1 加到 V1，使 V1 关断；同理 V14 导通，uc2 使 V4 承受反压关断。此阶段换相电容电压为 (3)电容恒流放电、充电阶段 这个阶段从 V1，V4 关断开始，由于滤波电感 L 的作用，C1，C2 继续放电，电 流 id 经 V11、L1、C1、 负载、C2、L2、V14 流通，C1、C2 电压逐渐降为零，然后在恒 电流下反向充电。此阶段，换相电容 C1、C2 电压为 负载在恒流 id 的作用下，两端电压 uo 保持不变，即
    电压 eo 为 L1、C1、负载、C2、L2 的电压和，由于 id 恒定，L1、L2 的感应电压 值较小，约为零，暂不计，所以 在这阶段，当 eo 大于过压限制 U 时，恒流源将通过 V5 向电容 C3 充电，使 eo 降低，同时流过 V11、L1、C1、负载、C2、L2、V14 的电流将减少。 (4)主晶闸管开通阶段 触发 V2、V3 导通，电流将分三条支路流通，一条是经 V11、L1、C1、V3 支路， 此时 eO 大于-uc1，继续向电容 C1 充电，另一条是经 V2、C2、L2、V14 支路，由于 eo 大于-uc2，继续向电容 C2 充电，第三条是经 V2、负载、V3 支路，负载承受反向电 压-co，电流 io 迅速反向聚增。电压 eo 受恒流源 id 的限制，迅速减小到正常水平， 当 eo 小于-uc1=-uc2=Uco 时，V11、V14 自然关断，电容 C1、C2 充电完成，为下一次关 断 V13、V12 作好准备，此时换流完成，只剩余 V2、负载、V3 支路流通，负载电流 io=-id。 V2、V3 导通，向 V1、V4 换流过程与上述相似。 3. 逆变电路晶闸管参数计算和元件选择 （1）正向阻断电压 UDRM 不考虑换向过程时 UDRM= 2 KVUd/0.9cosφ=1276.96 （3－1） 式中：KV－电压安全裕量系数，KV=1.2～1.4。cosφ=0.866 （2）最大输出电流 ITm ITm=Ki Idm=413.8 式中：Ki－电流安全裕量系数，Ki=1.2 （3－2） 四．保护电路的设计 1. 过电压保护 当负载断开时或快熔断时，储存在变压器中的磁场能量会产生过电压，显然 在交流侧阻容吸收保护电路可以抑制这种过电压，但由于变压器过载时储存的能 量比空载时要大，还不能完全消除。措施：能常采用压敏吸收进行保护。
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