电力电子课程设计

电力电子变流技术。

课程设计**。

二о一二年六月八日。

第一章设计方案要求及分析。

1.1 设计题目：单相桥式全控整流电路有环流可逆直流电力拖动系统。

1.2 设计条件：

1电网：220v，50hz

2直流电动机额定功率5.5kw、额定电压220v、额定电流29.4a、额定转速3600r/min。

3变压器漏感：0.3mh

设计任务：1）电源变压器参数的计算。

2）晶闸管的选型。

3）平波电抗器的计算。

4）控制角移相范围的计算。

5）最小逆变角的计算。

6）主电路图的设计。

设计要求：1）根据设计条件计算晶闸管可能流过的最大有效电流，选择晶闸管额定电流。

2）分析晶闸管可能承受到的最大正向、反向电压，选择晶闸管的额定电压。

3）电源变压器变比，容量的计算。

4）计算平波电抗器的电感值，保证电流连续。

5）根据设计条件，计算换相重叠角，最小逆变角以及最小控制角，取得控制角移相范围。

画出完整的主电路图。

1.3 设计分析。

设计要求中提供的电动机为直流电动机，因此需要用到整流电路。整流电路是电力电子电路中经常用的一种电路，它将交流电转变为直流电。这里要求设计的主电路为单相全控桥式晶闸管电路，接电动机负载。

由于电动机是阻感负载，且工作时相当于反电动势负载，因此要分别予以分析考虑。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。且要求有环流可逆直流。

在电力电子电路中，可能会出现一些突发情况，比如电压过大、电流过大、电压电流变化速率过快等等，这些都会使晶闸管烧坏，导致整个电路不能正常工作，因此，需要额外的设计保护电路对晶闸管进行过电压过电流保护，从而保证电力电子电路正常工作。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动机工作，但为了保护晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。

第二章电动机系统。

晶闸管可控整流装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到的控制电路为单相桥式全控。

整流电路直流电压的平衡方程为：

式中，为电路总的阻抗，它包括变压器等效电阻、电枢电阻以及重叠角引起的阻抗。

第三章单相全控桥式整流电路分析。

3.1单相全控桥式整流电路。

在单相桥式全控整流电路中，晶闸管vt1和vt6组成一对桥臂，vt3和vt4组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位）,若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，ud也为零，vti、vt6串联承受电压u2，设vt1和vt6的漏电阻相等，则各承受u2的一半。若在触发角α处给vt1和vt6加触发脉冲，vt1和vt6即导通，电流从电源a端经vt1、r、vt6流回电源b端。

当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，vt1和vt6关断。

在u2负半周，仍在触发角α处触发vt3和vt4（vt3和vt4的α=0位于ωt=π处），vt3和vt4导通，电流从电源b端流出，经vt4、r、vt3流回电源a端。到u2过零时，电流又降为零，vt3和vt4关断。此后又是vt1和vt6导通，如此循环地工作下去，整流电压ud和晶闸管vt1、vt6两端电压波形分别如图3.

1所示。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为√2/2 u2和√2u2。

图3.1单相桥式全控整流电路电阻性负载。

由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u2一个周期内，整流电压波形脉动2次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，

由于电动机是阻感负载，并且带反电动势，因此需要对这两种情况分别予以考虑分析。

3.1.1 带阻感负载时的工作情况。

所谓阻感负载就是负载中既有电阻，又有电感。

其电路图如图3所示。

图3 单相全控桥带阻感负载。

为了便于讨论，假设电路已工作与稳态。

在正半周，触发角处给晶闸管和加触发脉冲使其开通，。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，其波形如图4所示。过零变负时，由于电感的作用晶闸管和中仍流过电流，并不关断。

至π+时刻，给和加触发脉冲，因和本已承受正电压，故两管导通。和导通后，通过和分别向和施加反压使和关断，流过和的电流迅速转移到和上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。

波形如图4所示。其平均值为：

单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为。

图4 单相全控桥式整流带阻感负载时的工作波形。

3.1.2 带反电动势负载时的工作情况。

所谓反电动势负载就是当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。

直流电动机工作时会产生反电动势，因此可以看作是反电动势负载。其电路图如图5所示。

图5 单相全控桥带电动机反电动势负载。

忽略主电路各部分的电感时，只有在瞬时值的绝对值大于反电动势即时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，，，直至，即降至0使得晶闸管关断，此后。与电阻负载相比，晶闸管提前了电角度停止导电。

第四章电路参数计算分析。

①负载电流连续时．输出电压平均值的计算公式：

通常取晶闸管的（断态重复峰值电压）和（反复重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍，即：

．负载电流平均值的计算公式：

4.1 计算换相压降。

m=4 当最大负载平均电流应当在电动机额定电流的2倍时。

又因为得

．最小逆向角的确定依据：

取可得到= 0.976921 得

取，所以

由于需满足°。

取=30 则

=187.06 所以不符合题意。

现在验证是否满足负载要求。

取可得到= 0.979485333 得

取，所以

由于需满足°。

不符合提议

调整裕量，获得新的值，进行重新计算。取得

取，所以

由于需满足°。

不符合提议

调整裕量，获得新的值，进行重新计算。

取可得到= 0.980900 得

取，所以

由于需满足°。

满足负载要求！

4.2晶闸管的选型。

．流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：

.因而晶闸管最大通态平均电流。

考虑裕量，晶闸管电流定额（一般取其平均电流的1.5~2倍）, 故晶闸管的额定电流取为45a

晶闸管承受的最大正反压为= =410v

4.3平波电抗器。

负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。导通角越小，则电流波形的底部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成比例的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势。

因此，当电流断续时，随着的增大，转速（与反电动势成比例）降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。

一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当小于时甚至值为负时，晶闸管仍可导通。

因此，带反电动机电动势负载时，要在直流输出侧串联一个大电感，平稳负载电流的脉动，保证整流电流连续，取额定值的5%

4.4 控制角移相范围。

根据逆变工作时，且需满足； 25.21°

所以控制角移相范围为：

4.5 主电路图：

第五章设计体会与小结。

本次课程设计主要考察对单相桥式全控晶闸管—电动机系统的了解，并设计出符合要求的晶闸管—电动机主电路，当然还需要设计出一些辅助电路，比如晶闸管触发电路，晶闸管过电压、过电流保护电路等等。整个系统可以先分成几个模块，然后再根据总体设计要求将各个单元模块电路组合，就可以设计出完整的单相桥式全控晶闸管—电动机系统。

设计过程可以看作一个信息梳理、信息处理、信息应用的过程。首先，需要认真思考设计要求，并认真查阅资料、收集资料；其次，需要对收集好的资料进行认真审核，确定整体设计思路，进而将整体思路分成几个小的模块，分别予以分析讨论，最终确定最佳设计方案；最后，将设计思路以书面形式描述出来，并完成设计报告。这个过程中，我遇到了很多难题，比如晶闸管触发电路的选定、保护电路的选择等等，但在我自己的努力和老师同学的帮助下，这些难题最终被克服，并顺利完成了设计报告。

这次课程设计时间非常紧凑，因为两个课程设计撞到了一起，两者都要顾及，因此很花费时间和精力。虽然，时间紧凑，但这并不影响我完成设计报告的质量，这对于我自己来说是一个挑战。

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