电力电子技术课程设计正文.docx
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电力电子技术课程设计正文
第一章主要技术数据和可控整流电路的选择
1.1主要技术数据
输入交流电源：
三相380V
10%、f=50Hz、直流输出电流连续的最小值为5A。
电动机额定参数：
额定功率PN=10kw、磁极对数P=2、额定转速nN=1000r/min,额定电压UMN=220V、额定电流IMN=54.8A、过载倍数1.5。
1.2可控整流电路的选择
晶闸管可控整流电路型式较多，各种整流电路的技术性能和经济性能个不相同。
单相可控整流电路电压脉动大、脉动频率低、影响电网三相平衡运行。
三相半波可控整流电路虽然对影响电网三相平衡运行没有影响，但其脉动仍然较大。
此外，整流变压器有直流分量磁势，利用率低。
当整流电压相同时，晶闸管元件的反峰压比三相桥式整流电路高，晶闸管价格高三相半波可控整流电路晶闸管数量比三相桥式可控整流电路少，投资比三相桥式可控整流电路少。
三相桥式可控整流电路它的脉动系数比三相半波可控整流电路少一半。
整流变压器没有直流分量磁势，变压器利用率高，晶闸管反峰压低。
这种可控整流电路晶闸管数量是三相半波可控整流电路的两倍。
总投资比三相半波可控整流电路多。
从上面几种可控整流电路比较中可以看到：
三相桥式可控整流电路从技术性能和经济性能两项指标综合考虑比其它可控整流电路优越，故本设计确定选择三相桥式可控整流电
路。
如图（1－1）所示
图1－1三相桥式可控整流电路
第二章可控整流电路的波形图
图1－2三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0时的波形
第三章整流电路参数计算和元件选择
3.1整流变压器的计算
整流变压器的作用是给晶闸管整流电路提供所需电源电压，同时将整流电路与交流电源隔离，增强安全性并减小整流电路对请其他用电设备的干扰。
（1）整流变压器的接线
变压器采用D,Yn11接线一次侧采用D接线的目的是个电流中三的整数倍高次谐波提供通路，以保证磁通和电压为正弦波，避免在变压器每相绕组中产生尖顶波电势。
这个电势有时将超过正常值的50％，对变压器绝缘不利。
此外电网波形畸变，对并接在电网的其他负载亦有很大影响。
例如：
对通讯检测信号的干扰，增加电器铁芯损耗，使保护装置误动作以及电子计算机无法工作。
（2）整流变压器二次电压U2的计算
采用三相桥式整流电路整流变压器二次侧相电压可用下式估算：
U2φ=（0.90～1.0）UMN/
（3－1）
式中：
U2φ－整流变压器二次侧相电压
UMN－直流电动机额定电压；
U2φ=（0.90～1.0）220/
=（114.5～127.2）V
取U2φ=120V
整流变压器一、二次电压比为：
K=U1φ/U2φ
=380/120=3.17
式中：
K－整流变压器变比
U1φ－整流变压器一次侧相电压；
U2φ－整流变压器二次侧相电压；
（3）.整流变压器一、二次电流I1、I2的计算
I2=
IdN（3－2）
=0.816IdN=0.816×54.8=44.7A
式中：
IdN－整流器额定直流值
I1=I2/K=44.7/3.17=14.1A
（4）整流变压器的容量的计算
ST=（S1+S2）/2=KSTKUVU2φIdN（3－3）
=1.05×2.34×120×54.8
=16.16KVA
取ST=17KVA
式中：
ST－整流变压器视在功率；
S1－整流变压器一次侧视在功率；
S2－整流变压器二次侧视在功率；
KST－视在功率计算因素；
KUV－整流变压器计算因素；
U2φ－整流变压器二次侧相电压；
IdN－整流器额定直流值；
（5）整流变压器的数据
相数：
三相；
接线：
D,Yn11；
容量：
17KVA；
一次侧相电压：
380V；
二次侧相电压：
120V；
一次侧相电流：
14.1A；
二次侧相电流：
44.7A；
3.2晶闸管元件的选择
（1）.额定电压的计算
UTN=（2～3）
U2φ（3－4）
=（2～3）
×120
=（588～882）V
取UTN=800V
（2）.额定电流的计算
IT（AV）≥（1.5～2）KITIdmax（3－5）
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
Idmax－最大整流电流（A）Idmax=电动机最大工作电流，取Idmax=1.5IN
IT（AV）≥（1.5～2）KITIdmax=（1.5～2）KIT×1.5IN
=（1.5～2）×0.367×1.5×54.8
=（45.2～60.3）A
取IT（AY）=50A
选晶闸管的型号规格为KP50-8
3.3平波电抗器的计算
（1）.电动机电枢电感LMa（mH）的计算
LMa=KMUMN103/2PnNIMN（3－6）
式中：
UMN－直流电动机额定电压（V）；
IMN－直流电动机额定电流（A）；
nN－电动机额定转速（r/min）；
P－电动机磁极对数；
KM－计算系数，一般无补偿电动机KM=8～12,快速无补偿电动机KM=6～8，有补偿电动机KM=5～6；
LMa=KMUMN103/2PnNIMN
=8×220×103/2×2×1000×54.8
=8.029（mH）
（2）变压器漏感LT（mH）的计算
LT=KTUdlU2φ/IdN（3－7）
式中：
KT－整流变压器漏感计算系数,三相全控KT=3.9；
Udl－整流变压器短路电压标么值,取Udl=0.05；
U2φ－整流变压器二次侧相电压（A）；
IdN－整流器额定直流值（A）；
LT=KTUdlU2φ/IdN
=3.9×0.05×120/54.8
=0.427（mH）
（3）平波电抗器电感的计算
1）保持电流连续所需的电感值Llx（mH）
Llx=L1－（2LT＋LMa）=K1U2φ/Idmin－（2LT＋LMa）（3－8）
式中：
L1－电流连续时的临界电感L1=K1U2φ/Idmin；
LT－整流变压器漏感；
LMa－电动机电枢电感；
U2φ－整流变压器二次侧相电压；
Idmin－电流连续的最小值；
K1－临界电感计算系数，三相全控桥K1=0.693；
Llx=K1U2φ/Idmin－（2LT＋LMa）
=0.693×120/5－（2×0.427＋8.029）
=7.749（mH）
2）限制电流脉动系数所需的电感值Lmd（mH）
Lmd=L2－（2LT＋LMa）
=（UdM/U2φ）·103/2πfd·U2φ/SiIdN（2LT＋LMa）（3－9）
式中：
L2－满足一定脉动要求的电感值；
UdM－整流输出电压最低频率的交流电压分量幅值，在三相全控桥整流电路中UdM/U2φ=0.46；
fd－输出最低频率分量的频率值，三相全控桥fd=300；
Si－给定的允许电流脉动系数，三相整流电路中Si为5％～10％；
Lmd=（UdM/U2φ）·103/2πfd·U2φ/SiIdN
=（0.46×103/2π×300）×120/0.05×54.8－（2×0.427＋7.749）
=1.78（mH）
所以，选取平波电抗器的电感量为8mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。
第四章保护电路的设计
4.1整流电路的过电压保护
（1）引起过压的原因
1）操作过电压：
由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
2）浪涌过压：
由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过压。
3）电力电子器件关断过电压：
电力电子器件关断时产生的过压。
4）在电力电子变换器-电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧直流电过高产生过压，也称为泵升电压。
过电压保护有操作过电压和浪涌过电压两种。
操作过电压是由于变压器合闸，拉闸以及晶闸管本身关断所引起的。
浪涌过电压是由于雷击等原因，从电网侵入的偶然过电压。
晶闸管元件承受过电压能力较差，发生过电压时，会使元件损坏，因此必须采取有效措施。
（2）交流侧过电压保护
1）.交流侧阻容吸收过电压保护（如图4－1）
图4－1交流侧阻容吸收过电压保护
RC吸收电路电容Ca（μF）的计算
Ca=17320ξ/U2L（4－1）
式中：
ξ－变压器励磁电流对额定电流标么值，一般为0.02～0.05；
U2L－变压器二次侧线电压；
Ca=17320ξ/U2L=17320×0.05/
×120=4.17（μF）
取Ca=4.7μF
Ca的交流耐压：
UCam=1.5Um=1.5×
×120=441（V）
Um－晶闸管所承受的最大电压；
选：
金属化纸介质电容CZJ-500-4.74.7μF，500V，3只。
RC吸收电路电阻Ra（Ω）的计算
Ra=0.17U2L/ξI2（4－2）
=0.17
×120/0.05×44.7=15.8（Ω）
取Ra=16Ω
电阻功率PRa=（
ξI2）2Ra（4－3）
=（
×0.05×44.7）2×16=5.02（W）
选：
线绕电阻RX-10-10.10Ω10W3只.
2）.交流侧压敏电阻过电压保护（如图4－2）
图4－2交流侧压敏电阻过电压保护
压敏电阻额定电压U1mA的选择
U1mA≥1.33Um（4－4）
式中：
Um－压敏电阻承受的额定电压峰值（V）；
U1mA≥1.33
U2L≥1.33
×120=391（V）
压敏电阻通流容量IPm的选择
IPm≥（20～50）I2（4－5）
=（20～50）×44.7=894～2235（A）
选用MY31-440/3型压敏电阻；额定电压440V，通流容量3KA，3只，Δ接。
（2）直流侧过电压保护
直流侧采用压敏电阻过电压保护（如图4－3）
图4－3直流侧压敏电阻过电压保护
压敏电阻额定电压U1mA的选择
U1mA≥1.33Um=1.33×1.35×
×120=304.8（V）
式中：
Um－压敏电阻承受的额定电压峰值V；
压敏电阻通流容量IPm的选择
IPm≥（20～50）IdN=（20～50）×54.8=1096～2740（A）
选用MY31-330/3型压敏电阻；额定电压330V，通流容量3KA，1只
（3）晶闸管元件过电压保护（如图4－4）
图4－4晶闸管元件过电压保护
晶闸管过电压保护通常采用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吸收电路电容CS（μF）的计算
CS=（2～4）×10－3IT（AV）（μF）（4－6）
CS=（2～4）×10－3IT（AV）=（2～4）×10－3×50=0.1～0.2（μF）
取CS=0.2μF
CS的交流耐压：
UCSm=1.5Um=1.5×
×120=441（V）
Um－晶闸管所承受的Um最大电压；
选：
金属化纸介质电容CZJ-500-0.2，0.2μF，500V，6只。
2）RC吸收电路电阻RS的计算
RS=10～30（Ω）
取RS=10Ω
电阻功率PRS≥fCS（UARM/nS）210-6（4－7）
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
PRS≥fCS（UARM/nS）210-6
=50×0.2（
U2φ/1）2×10-6=50×0.2（
×120/1）2×10-6=0.86（W）
选：
线绕电阻RX-10-2.10Ω，1W，6只。
4.2整流电路的过电流保护
（1）引起过流的原因
当电力电子变流器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变流器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。
由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变流器进行适当的过流保护。
变流器的过流一般主要分为两类：
过载过流和短路过流。
（2）整流电路桥臂串联快速容断器过电流保护（如图4－5）
图4－5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≤1.57IT（AV）（4－7）
式中：
IR－快速容断器容体额定电流
IRN－快速容断器额定电流
取IR=IT（AV）=50（A）
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。
故选择RS3-250-50型快速容断器：
额定电压250V，额定电流50A。
（3）直流侧过电流继电器的选择：
过电流继电器的选择原则：
过电流继电器动作电流小于或等于1.2IN。
第五章触发电路的选择
晶闸管触发电路有单结晶体管触发电路；正弦波触发电路；锯齿波触发电路；集成触发电路。
单结晶体管触发电路具有简单、可靠，触发脉冲前沿陡、抗干扰能力强等优点，但输出功率小，不能很好的满足电感性或反电动势负载的需要，移相范围也受到限制。
所以只在单相与要求不高的三相晶闸管装置中使用。
正弦波同步触发电路它的优点：
是整流装置在负载连续时直流输出电压与控制电压成线性关系；能部分补偿电源电压波动对输出电压的影响。
缺点是：
同步电压直接受电网电压的波动及干扰影响较大，特别是电源电压波形畸变时，控制电压与同步电压波形交点不稳定，导致整个装置工作不稳定；正弦波移相电路理论上分析移相范围可达00～1800，实际上由于正弦波顶部平坦与控制电压交点不明确而无法工作，实际移相范围最多只能达到00～1500。
为防止各种可能出现的意外情况，电路中必须设置对最小控制角αmin与最小逆变角βmin限制。
锯齿波同步触发电路，具有双脉冲，强触发的特点，由于同步电压采用锯齿波，不直接受电网电压波动畸变的影响，移相范围宽，克服了正弦波移相的缺点应用广泛。
集成触发电路与分立元件相比，提高了电路的可靠性和通用性，具有体积小，成本低，调试方便等优点，得到了越来越广泛的应用。
因此，本设计采用KJ01集成触发电路。
第六章结论
电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。
因此，电力电子装置的应用也是十分重要的。
本文在熟悉三相桥式全控整流电路基本原理的基础上。
总结了一些主电路参数整定方法，讨论了不同整定方案对系统性能的影响。
以及根据参数选择各个电路部分。
第七章心得体会
设计，给人以创作的冲动。
但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。
我就是以此心态对待此次《电子技术》课程设计的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：
一、温故而知新。
课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。
二、思路即出路。
当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。
在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。
顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。
三、在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可。
四、在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
参考文献
1.王兆安黄俊主编《电力电子技术》机械工业出版社，2002年出版。
2．王兆安张明勋主编《电力电子设备设计和应用手册》机械工业出版社，2002年出版。
3.王维平,现代电力电子技术及应用.南京：
东南大学出版社，1999
4．叶斌,电力电子应用技术及装置.北京：
铁道出版社，1999
5.马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,2004
6.马建国,电子系统设计.北京：
高等教育出版社,2004
7.王锁萍,电子设计自动化教程.四川：
电子科技大学出版社2002
附录
附录1设备元件明细表
序号
符号
设备元件名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
TR
整流变压器
D,YN11.17KVA,380V/120V
台
1
定制
2
VT
晶闸管
KP50-8.800V,50A
只
6
3
LD
平波电抗器
电感量为8mH
台
1
定制
4
Ca
交流侧RC保护电容
CZJ-500-4.7.4.7μF,500V
只
3
5
Ra
交流侧RC保护电阻
RX-10-10.10Ω,10W
只
3
6
RU
交流侧压敏电阻
MY31-440/3.440V,3KV
只
3
7
RUd
直流侧压敏电阻
MY31-330/3.330V,3KV
只
1
8
CS
晶闸管RC保护电容
CZJ-500-0.2.0.2μF,500V
只
6
9
RS
晶闸管RC保护电阻
RX-10-1.10Ω,1W
只
6
10
FUF
快速熔断器
RS3-250-50.250V,50A
只
6
附录2直流电动机调压调速可控整流电路原理图
主电路接线图
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