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样本.doc

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《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的设计
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
指导教师:

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

引言
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, 是一种能够快速、 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°, 因此每隔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) 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．能够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, 因此

在这阶段, 当eo大于过压限制U时, 恒流源将经过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=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能够抑制这种过电压, 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。
由于交流侧电路在接通或断开时出现暂态过程, 会产生操作过电压。高压合闸的瞬间, 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, 出现瞬时过电压。措施: 在三相变压器次级星形中点与地之间并联适当电容, 就能够显著减小这种过电压。与整流器并联的其它负载切断时, 因电源回路电感产生感应电势的过电压。变压器空载且电源电压过零时, 初级拉闸, 因变压器激磁电流的突变, 在次级感生出很高的瞬时电压, 这种电压尖峰值可达工作电压的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, 都必须加阻容吸收路进行保护。
整流桥交流侧采用6个压敏电阻, 具有桥臂正反过电压, 线间过电压及直流侧过电压保护, 。压敏电阻的选择:
U1mA≥1.33 Um=413.8 ( 4－1)
式中: U1mA－压敏电阻额定电压;
Um－压敏电阻承受的额定电压峰值;
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
晶闸管承受过电压的能力极差, 当电路中电压超过其反向击穿电压时, 即使时间极短, 也容易反向击穿而损坏。如果正向电压超过其额定电压, 还可能引起晶闸管误导通。这种误导通次数频繁时, 如导通电流较大, 也可能使器件特性变坏, 甚至损坏。因此, 除选用管子时, 必须考虑一定的电压安全系数外, 还必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。
消除过电压现象一般能够采用阻容吸收电路。晶闸管过电压阻容保护电路是利用电容来吸收过电压, 其实质是将引起过电压的磁场能量变成电场能量储存在电容器之中, 然后电容器经过电阻放电, 把能量逐渐消耗在电阻中, 这就是过电压保护的基本方法。
晶闸管过电压保护一般采用RC吸收电路, 该电路直接并联在器件阳极和阴极之间, 既可吸收瞬态电压尖峰, 又可抑制电压上升率du/dt。
1) RC吸收电路电路电容CS( μF) 的计算
CS=( 2～4) ×10－3IT( AV) ( μF) (4－3)
CS的交流耐压: UCSm=1.5Um
Um－晶闸管所承受的Um最大电压;
( 2) RC吸收电路电阻RS的计算
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吸收过电压保护电路
1) RC吸收电路电路电容CS( μF) 的计算
CS=( 2～4) ×10－3IT( AV) ( μF) =0.7 ( 4－5)
CS的交流耐压: UCSm=1.5Um
Um－晶闸管所承受的Um最大电压;
2) RC吸收电路电阻RS的计算
RS=10～30( Ω)
2. 过电流保护
( 1) 引起过流的原因电力电子电路运行不正常或者发生故障时, 可能会发生过电流。
( 2) 整流电路过电流保护用在可控硅整流装置中的过电流保护方式很多, 如快速熔断器保护、 快速电流继电器保护、 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快速容断器过电流保护。快速容断器的选择原则:
1) 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。
2) 快速熔断器熔体的额定电流IR是指电流有效值, 晶闸管额定电流是指通态电流平均值。选用时要求
IR ≤IRN≤1.57 IT(AV) ( 4－3)
式中: IR－快速容断器容体额定电流
IRN－快速容断器额定电流
3) 熔断器(安装熔体的外壳)的额定电流应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设定适当的阀值, 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信号可经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, 电流经过VD1和R5使IC2B同相端为高电平, 积分电路开始工作, 一定时间后, IC2B输出高电平, IC2C也输出高电平, 使继电器KA2动作, 主回路退出运行, 并点亮故障指示灯VL2。此时OI为低电平, 其后原理同短路保护。
积分电路的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, 提高了保护电路的可靠性。为了防止积分电路震荡, 可在积分电路的电容两端并上一个2M的电阻。 

图4-2 逆变电路过电流保护

结论
致谢
参考文献

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
快速熔断器
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