电力电子专业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

《电力电子设计技术报告》

题 目：晶闸管并联谐振感应加热中频电源主电路设计
学 院： 工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 0602班
姓 名： 刘丹
指引教师：

12月 日

目 录
1．课程设计目………………………………………………………………1
2．课程设计题目描述和规定…………………………………………………1
2.1. 课程设计题目描述…………………………………………………1
2.2. 课程设计题目规定及技术指标……………………………………2
3.课程设计报告内容 …………………………………………………………3
3.1 设计方案选定与阐明 ……………………………………………3
3.2阐述方案各某些工作原理及计算 ………………………………4
3.3设计方案图表及其电路图 …………………………………………6
4．总结 …………………………………………………………………… 9
5．参照书目 …………………………………………………………………10

引言
晶闸管交流功率控制器是国际电工委员会（IEC）命名“半导体交流功率控制器”
（Semiconductor AC Power Controller）一种，它以晶闸管（可控硅SCR或双向可控硅TRIAC）为开关元件，是一种可以迅速、精准地控制合闸时间无触点开关，是自动控制温度系统高精度及高动态指标必不可少功率终端控制设备。晶闸管交流调功器是在一种固定周期或变动周期里，以控制导通交流电周波数来控制输出功率大小。晶闸管在正弦波过零时导通，在过零时关断，输出为完整正弦波。晶闸管交流调功器重要用于各种电阻炉、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设计规定
重要技术数据：
（1）输入交流电源：线电压有效值UL=380V、电网波动范畴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．整流电路设计
1.整流电路选取
很明显，单相全控桥式整流电路具备输出电流脉动小、功率因数高和变压器运用率高等特点。然而值得注意是，在大电感负载状况下，当控制角α接近π/2时，输出电压平均值接近于零，负载上电压太小，且抱负大电感负载是不存在，故实际电流波形不也许是一条直线， 并且在α=π/2之前电流就会浮现断续。电感量越小，电流开始断续α值就越小。
单相半控桥式整流电路带大电感负载时工作特点是：晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源电压过零时换流；由于自然续流作用，整流输出电压ud波形与全控桥式整流电路带电阻性负载时相似，α移相范畴为0～180°，ud 、Id计算公式和全控桥带电阻性负载时相似；流过晶闸管和二极管电流都是宽度为180°方波且与α无关，交流侧电流为正、负对称交变方波。
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以便，因而得到了广泛应用。
三相全控桥式可控整流电路
与三相半波电路相比，若规定输出电压相似，则三相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电压规定减少一半；若输入电压相似，则输出电压Ud比三相半波可控整流时高一倍。此外， 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电流为负，因而在一种周期中变压器绕组不但提高了导电时间，并且也无直流流过，克服了三相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器运用率低缺陷。
三相全控桥式整流电路在任何时刻必要保证有两个不同组晶闸管同步导通才干构成回路。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°，因此每隔60°有一种元件换流。 同组内各晶闸管触发脉冲相位差为120°，接在同一相两个元件触发脉冲相位差为180°， 而相邻两脉冲相位差是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他可控整流电路有优势，故本次设计拟定选取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）参数计算和元件选取
（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）晶闸管选取
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） U2φ =1077.78 （2－4）
（5）滤波电感Ld选取
1）按保证直流电流持续选取
Ld（1）≥ KL1 U2φ103/IdL=3.77mH （2－5）
式中：KL1－系数，三相桥式KL1=0.407s/rad；
IdL－临界持续时id平均值，普通取IdL =0.1 IdN（A）；
U2φ－相电压有效值（V）；
2）按限制电流脉动选取
Ld（2）≥ KL2 U2φ/ KL3ωd IDn=4.52mH （2－6）
式中：KL2=Ud1/ U2φ
KL3= Id1/ IDn=6.01mH
ωd=mωd=m2πfN
Ud1－最大基波电压幅值；
Id1－最大基波电流幅值；
fN－电网频率。
对三相桥式时KL2=0.46，KL30.05,m=6，ωd=mωd=m2πfN；
3）按限制短路电流选取
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）触发电路选取
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电路单元。集成电路KJ系列触发器具备移相性能好,控制角与控制电压成比例,移相范畴宽、抗干扰能力强、温漂小、输出功率大及可靠性高等一系列长处。
集成电路KJ系列触发器运用在起动瞬间三相干扰触发脉冲同步存在特点，设计出抗干扰电路，消除了在按下起动按钮瞬间浮现干扰触发脉冲。运用电容滤波作用，在变换电路输入端加接滤波电容，消除了在移相至某区域浮现低幅值超前干扰触发脉冲；运用电容充电效应，使得每次起动时，移相电压都由一较低值渐增至给定值，实现了限流起动规定。
三．逆变电路设计
1. 电路构造
逆变电路也称逆变器，是一种DC/AC(直流电/交流电)转换器，它将电池组直流电源转化成电压和频率稳定交流电源。
图3-1是电流型逆变器主电路图，重要由滤波电感、晶闸管、换相电容、换相电感构成。图2左端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吸取，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 电流型逆变器主电路
2. 工作原理
滤波电感L滤波储能，换相电容C1、C2容量为C，换相电感L1、L2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。如下分析V1、V4导通，向V2、V3换流过程。
(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作用下，两端电压uo保持不变，即

电压eo为L1、C1、负载、C2、L2电压和，由于id恒定，L1、L2感应电压值较小，约为零，暂不计，因此

在这阶段，当eo不不大于过压限制U时，恒流源将通过V5向电容C3充电，使eo减少，同步流过V11、L1、C1、负载、C2、L2、V14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不不大于-uc1，继续向电容C1充电，另一条是经V2、C2、L2、V14支路，由于eo不不大于-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限制，迅速减小到正常水平，当eo不大于-uc1=-uc2=Uco时，V11、V14自然关断，电容C1、C2充电完毕，为下一次关断V13、V12作好准备，此时换流完毕，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取
（1）正向阻断电压UDRM 不考虑换向过程时
UDRM=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 （3－2）
式中：Ki－电流安全裕量系数，Ki=1.2
四．保护电路设计
1. 过电压保护
当负载断开时或快熔断时，储存在变压器中磁场能量会产生过电压，显然在交流侧阻容吸取保护电路可以抑制这种过电压，但由于变压器过载时储存能量比空载时要大，还不能完全消除。办法：能常采用压敏吸取进行保护。
由于交流侧电路在接通或断开时浮现暂态过程，会产生操作过电压。高压合闸瞬间，由于初次级之间存在分布电容，初级高压经电容耦合到次级，浮现瞬时过电压。办法：在三相变压器次级星形中点与地之间并联恰当电容，就可以明显减小这种过电压。与整流器并联其他负载切断时，因电源回路电感产生感应电势过电压。变压器空载且电源电压过零时，初级拉闸，因变压器激磁电流突变，在次级感生出很高瞬时电压，这种电压尖峰值可达工作电压6倍以上。交流电网遭雷击或电网侵入干扰过电压，即偶发性浪涌电压，都必要加阻容吸取路进行保护。
整流桥交流侧采用6个压敏电阻，具备桥臂正反过电压，线间过电压及直流侧过电压保护，。压敏电阻选取：
U1mA≥1.33 Um=413.8 （4－1）
式中：U1mA－压敏电阻额定电压；
Um－压敏电阻承受额定电压峰值；
IPm≥（20～50）I=5819.74 （4－2）
式中：IPm－压敏电阻通流容量；
I－交流电源侧电流有效值；三相桥I =IdN
（1）整流侧晶闸管元件过电压保护
晶闸管承受过电压能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，虽然时间极短，也容易反向击穿而损坏。如果正向电压超过其额定电压，还也许引起晶闸管误导通。这种误导通次数频繁时，如导通电流较大，也也许使器件特性变坏，甚至损坏。因而，除选用管子时，必要考虑一定电压安全系数外，还必要采用办法消除晶闸管上也许浮现过电压。
消除过电压现象普通可以采用阻容吸取电路。晶闸管过电压阻容保护电路是运用电容来吸取过电压，其实质是将引起过电压磁场能量变成电场能量储存在电容器之中，然后电容器通过电阻放电，把能量逐渐消耗在电阻中，这就是过电压保护基本办法。
晶闸管过电压保护普通采用RC吸取电路，该电路直接并联在器件阳极和阴极之间，既可吸取瞬态电压尖峰，又可抑制电压上升率du/dt。
1）RC吸取电路电路电容CS（μF）计算
CS=（2～4）×10－3IT（AV） （μF） (4－3)
CS交流耐压：UCSm=1.5Um
Um－晶闸管所承受Um最大电压；
（2）RC吸取电路电阻RS计算
RS=10～30（Ω）
电阻功率PRS≥fCS(UARM/nS)210-6 （4－4）
式中：f－电源频率（HZ）
UARM－臂反向工作峰值电压（V）
nS－每臂串联器件数
（3）逆变侧晶闸管过电压保护
采用RC吸取过电压保护电路
1）RC吸取电路电路电容CS（μF）计算
CS=（2～4）×10－3IT（AV） （μF）=0.7 （4－5）
CS交流耐压：UCSm=1.5Um
Um－晶闸管所承受Um最大电压；
2）RC吸取电路电阻RS计算
RS=10～30（Ω）
2. 过电流保护
（1）引起过流因素电力电子电路运营不正常或者发生故障时，也许会发生过电流。
（2）整流电路过电流保护用在可控硅整流装置中过电流保护方式诸多，如迅速熔断器保护、迅速电流继电器保护、自动空气断路器保护和电子回路保护等。其原理见图4-1所示。

图4-1 整流电路过电流保护原理
采用整流电路桥臂串联迅速容断器过电流保护。迅速容断器选取原则：
1）迅速熔断器额定电压应不不大于线路正常工作电压有效值。
2）迅速熔断器熔体额定电流IR是指电流有效值，晶闸管额定电流是指通态电流平均值。选用时规定
IR ≤IRN≤1.57 IT(AV) （4－3）
式中：IR－迅速容断器容体额定电流
IRN－迅速容断器额定电流
3）熔断器(安装熔体外壳)额定电流应不不大于或等于熔体额定电流值。（3）逆变电路过电流保护。

图4-2 短路保护电路，RP3设定恰当阀值，当采样值低于阀值时，IC2A输出高电平，使IC2B同相端为低，积分电路不工作，IC2C也输出低电平，此时OI由图4-2可知是高电平，PWM信号可通过非门送至驱动器件使逆变电路工作。当负载过载或发生短路时，采样值高于阀值，IC2A输出低电平，V3不导通，电流通过VD1和R5使IC2B同相端为高电平，积分电路开始工作，一定期间后，IC2B输出高电平，IC2C也输出高电平，使继电器KA2动作，主回路退出运营，并点亮故障批示灯VL2。此时OI为低电平，其后原理同短路保护。
积分电路作用是当过流信号较短时，保护电路并不动作，只有过流信号持续发生时，保护电路才动作。这样可防止误动作，提高了保护电路可靠性。为了防止积分电路震荡，可在积分电路电容两端并上一种2M电阻。 

图4-2 逆变电路过电流保护

结论
道谢
参照文献

附录1
序号
符号
设备元件名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
VT
晶闸管
KP1000－10.1000V，200A
只
6
整流桥
2
VT
晶闸管
KK300－10.1000V，300A
只
4
逆变桥
3

滤波电感
电感量为6.01mH
只
1
定制
4

压敏电阻
MY31－440/5.440V，5KV
只
6

5
C
晶闸管RC保护电容
CZJ－1000－1.1F，1000V
只
6
整流桥
6
R
晶闸管RC保护电阻
RX－10－15.10，15W
只
6
整流桥
7
C
晶闸管RC保护电容
RW－2－1.1F，V
只
4
逆变桥
8
R
晶闸管RC保护电阻
RX－10－1.10，100W
只
4
逆变桥
9
FUF
迅速熔断器
RS3－500－200.500V，200A
只
6
整流桥

附录2 晶闸管并联谐振感应加热中频电源主电路图