1、 電氣自動化專業電 力 電 子 技 術課程設計指導書 二0一四年十一月65前 言本電力電子技術課程設計指導書是根據長春工業大學電氣與電子工程學院2006年最新修訂的自動化專業電力電子技術課程教學大綱并結合本專業實際教學情況而編寫的，內容包括電力電子技術課程設計的基本要求、主要內容及相關技術資料。電力電子技術是我院自動化專業教學計劃中一門十分重要的專業基礎課，對于本專業學生進一步學習電力拖動自動控制系統等后續專業課及完成畢業設計都具有重要指導作用。近年來電力電子技術發展非常迅速，新型元器件層出不窮，應用領域不斷擴大。電力電子技術在生產自動化、節能降耗、信息技術和家用電器等許多方面越來越產生著舉足

2、輕重的影響。目前，電力電子技術已成為各工科院校相關專業的一門實踐性很強的專業課程，在實際教學中普遍安排了課程設計或綜合性實驗等實踐性環節。結合我院的實際情況，本專業在第五學期和第七學期分別安排了電力電子技術課程設計及相關內容的綜合實驗，目的是使學生理論聯系實際，培養靈活運用基礎知識和獨立分析、設計及解決實際問題的能力。本課程設計指導書包括課程設計內容、設計要求和有關設計步驟，盡可能使學生對于本課程設計有一個清晰的思路，因篇幅的限制，為避免重復，對于本課程相關教材中已有詳細敘述的基本理論知識，本指導書僅做概要提示，具體內容請參考有關教材。另外，本指導書后附有相關設計資料，供同學們參考。希望同學們

3、在課程設計之前，一定要通讀本指導書，做好預習，避免設計中的盲目。同時在課程設計過程中，提倡大家在獨立思考的前提下，互相探討，積極鉆研，勇于提出創新的見解和方案。對書中不足之處，敬請提出寶貴意見。自動化教研室 二0一四年十一月目 錄 第一章 緒論11.1 課程設計的目的和要求11.2 課程設計過程及方式11.3 時間安排及考核方法3第二章電力電子技術課程設計內容62.1 設計方案的確定62.2 主電路計算152.3 觸發電路的選擇與校驗33附 錄38附錄1 整流變壓器的計算系數38附錄2 直流電動機技術數據表40附錄3 常用小功率電力電子元器件技術數據46 第一章 緒 論 1.1 課程設計的目的

4、和要求 電力電子技術課程設計是電力電子電路設計是我院自動化、電氣工程及其自動化專業學生在學完電力電子技術課程之后的應完成的一個實踐性教學環節，可使學生在理論聯系實際、綜合分析、理論計算、歸納整理和實驗研究等方面得到綜合訓練和提高，從而培養學生具有獨立解決實際問題和從事科學研究的初步能力。通過一個指定課題的設計過程，使學生初步建立正確的設計思想，熟悉工程設計的一般順序、規范和方法，提高正確使用技術資料、標準、手冊等工具書的獨立工作能力。通過設計工作還可培養學生嚴肅認真、一絲不茍和實事求是的工作作風，樹立正確的生產觀點、經濟觀點和全局觀點，為后續課程的學習和畢業設計乃至畢業后向工程技術人員過渡打下

5、基礎。電力電子技術課程設計應在學生學完電力電子技術課程之后進行，現安排在第五學期期末進行，時間為一周。通過本課程設計，應使學生對本課程達到以下要求：1 熟悉和掌握可控整流電路的基本工作原理及參數計算方法。2 掌握晶閘管在相關電路中的工作特點，并能根據設計要求，正確計算晶閘管參數，合理選擇晶閘管型號。3 了解常用晶閘管觸發電路的特點，并能根據實際電路選擇合理的觸發電路形式。4 對常用的晶閘管保護電路具有一定的分析和設計能力。5 對逆變電路、斬波電路及交流調壓電路具有一定的分析設計能力。6 具有初步發現和解決設計中出現的問題的能力。1.2 課程設計過程及方式1.2.1課程設計過程本課程設計分指導教

6、師講解和同學們獨立設計兩個過程。指導教師講解內容包括：（1） 講解本課程設計的目的及意義。（2） 講解本課程設計的內容與要求。（3） 分組，布置設計任務書（4） 介紹設計步驟和重點設計環節。（5） 說明本課程設計時間安排、紀律要求及考核方法。 除了指導教師講授以上的內容外，其它時間由學生自己按要求獨立完成課程設計，指導教師進行有針對性的輔導，隨時解答學生們的疑問，及時處理設計中遇到的問題。1.2.2課程設計方式為了提高效率、講求實效、取得預期的收獲，本課程設計建議按以下方式進行。（一） 設計前預習 預習是課程設計前的重要準備工作，是保證課程設計順利進行的必要步驟，也是培養學生獨立工作能力、提高

7、課程設計質量與效率的重要環節，要求做到：（1） 復習相關課程的內容，熟悉有關理論知識。（2） 認真閱讀課程設計指導書，了解本課程設計的內容、方法、步驟及要求。（3） 查找和借閱有關設計資料和手冊。（4） 預習期間進行學生分組，每組3人，安排組長1人，明確組內合理分工，預習需人人進行，由組長負責檢查，設計前每組應就有關設計內容進行討論，做到心中有數，同時上交預習報告一份（二） 設計進行 整個課程設計過程中必須嚴肅認真，集中精力按時完成工作。 （1）預習檢查、嚴格把關 本課程設計開始前應由指導教師檢查預習質量（包括對本課程設計的理解、認識及預習報告），當確認已做好了課程設計前的準備工作方可開始設計

8、，對于因沒有預習而對本次設計的目的、內容、方法、要求了解很差的同學，應拒絕其參加設計。 （2）獨立設計，協調工作 本課程設計要求每名同學獨立完成，同時也提倡同學之間積極討論，大膽提出新思路、新見解，對于設計中采用創新的設計方法、設計電路及新型元器件的同學，在最后評定成績時從優掌握。 （3）認真負責、按時完成（三） 設計報告 設計報告是課程設計工作的最后成果和總結提高，是課程設計的重要環節，也是對學生分析、歸納等工作能力的進一步培養和鍛煉，因此必須獨立書寫，每人一份，應按照設計任務書的要求和相關設計步驟，完成詳細設計設計過程，包括方案論證、參數計算及元器件選擇等，最后寫出心得體會，以便積累一定的

9、實際設計經驗。 撰寫設計報告應具有嚴肅認真的態度，報告要求條理清楚、簡明扼要，字跡端正、圖表規范，分析認真、結論明確。課程設計報告內容應主要包括以下幾方面（1） 課程設計名稱、專業、班級、組別、姓名、學號、設計日期。（2） 設計目的和要求。（3） 根據設計任務書，進行方案論證。（4） 寫出詳細的設計過程，包括相關參數計算及元器件選擇等。（5） 按照工程繪圖標準，繪制系統的電氣原理圖，列出元器件明細表。（6） 分析討論設計過程中遇到的問題，寫出心得體會以及合理化建議和改進措施。1.3 時間安排及考核方法1.3.1課程設計的時間安排 根據本專業的教學計劃，電力電子技術課程設計的時間為一周。具體時間

10、安排見表1-1。表1-1 課程設計的時間安排1.3.2課程設計的考核 在課程設計進行期間，指導教師每天都要對學生的出勤情況、學習態度及工作完成情況進行檢查督促，并做好記錄。課程設計結束后，指導教師要組織對學生進行考核，根據學生在整個課程設計期間的紀律情況、工作態度，設計報告及圖紙的質量并結合其基礎知識掌握的情況（口試），綜合確定學生的課程設計成績（按五級評分制優，良，中，及格，不及格計），無課程設計報告或無故不參加課程設計者成績按不及格計，有缺勤、遲到、早退、違紀等情況酌情降低成績。每項考核內容占總成績的分數如表1-2所示。時間內容安排周一上午課程設計動員、講解設計內容、步驟、要求及注意事項，

11、并進行學生分組下午 熟悉設計題目，查找資料，方案論證周二周四根據課程設計任務書的要求，按步驟認真完成課程設計的各部分內容周五上午考核（口試）下午 設計總結，完成設計報告表1-2每項考核內容所占比重考核內容 評分標準（100滿分）備注設計方案的正確與合理性1090100分為優8089分為良7079分為中6069分為及格60分以下為不及格系統參數計算的準確性10元器件選擇的合理性10設計報告及圖紙的完成質量20基礎知識掌握情況（口試）20出勤情況、學習態度20 創新10第二章電力電子技術課程設計內容 本課程設計的內容是利用所學過的電力電子技術課程的相關理論知識和給定設計指標（具體設計參數見設計任務

12、書），設計一個滿足性能要求的小功率電力電子電路。具體應包括以下內容：1. 根據設計要求確定電氣系統方案；2. 繪制系統框圖和電氣原理草圖；3. 主電路參數計算和元器件選擇；4. 系統保護環節設計；5. 觸發電路選擇和校驗；6. 繪制系統電氣原理總圖，列出元器件明細表；7. 完成設計報告；8. 對設計進行全面總結2.1 設計方案的確定設計一個電力電子變流裝置（電路），必需滿足用戶要求，首先要考慮技術性能指標；第二是經濟指標；第三是先進性、合理性和可行性。因此，為使一個控制系統設計確保技術指標先進、合理，經濟指標良好，又為今后的發展和進一步技術改造留有余地，就必須對設備的使用條件，被控制設備的工藝

13、要求進行充分調研，搜集與設計有關的技術資料，了解國內外同類產品的技術水平和發展趨勢，然后對系統設計的總體方案進行必要的比較和論證，使之變成一個可以付諸實施的技術方案。2.1.1對電氣控制系統的技術要求(根部不同類型的設計電路,由指導教師給出)輸出一定的直流電壓和電流。輸出電壓的脈動指標在允許范圍內。具有自動穩壓功能和一定的穩壓精度。 對調速系統應有靜態技術指標和動態技術指標的要求。 靜態技術指標是指系統的調速范圍D和靜差率s。不同的生產機械要求也不同，表2-1給出了常見生產機械的靜態調速指標。調速系統的動態指標是指系統在穩定的前提下，對階躍給定信號的跟隨性能指標和在擾動信號作用下的抗擾動性能指

14、標，如超調量、過渡過程時間、動態速降及振蕩次數等。此外，在設計一個實際系統時，還要考慮系統的可靠性、使用壽命、工作環境以及盡量做到體積小、重量輕、外形美觀、使用維護方便等。設計步驟如下:2.1.2直流電動機選擇設計一個電力拖動系統時，需要根據被控對象的特點和技術要求，合理選擇電動機。 1.電動機類型的選擇 要根據負載性質來選定。對起動、制動及調速有較高要求的生產機械，宜選用直流他勵電動機；而需要較大起動轉矩和恒功率調速的機械 (如電車、蓄電池車、牽引機械等)常用直流串勵電動機或直流積復勵電動機。表2-1 幾種常見生產機械的靜態調速指標2.電動機容量的選擇要根據生產機械的負載功率、電力拖動系統的

15、運行情況(連續、斷續、短時)、電動機發熱是否超過允許的溫升限度、電動機的過載能力和起動轉矩是否滿足要求進行選擇。常用的有兩種方法，一種是分析計算法，即按照生產機械的功率、工作情況，預選一臺電動機，然后按照電動機的實際負載情況作出負載圖，根據負載圖進行發熱校驗以及過載能力校驗，從而確定預選電動機是否合格，直至合格為止。另一種是調查統計類比法。它是在調查研究了經過長期運行的同類生產機械的電動機容量后，然后通過對主要參量、工作條件類比的方法來確定電動機容量。3.電動機轉速的選擇直流電動機的最高轉速應與生產機械的最高轉速相適應，同時還應考慮調速方式，即減壓調速還是調磁調速，以便充分利用電動機功率。4.

16、電動機結構型式的選擇在正常環境條件下，可采用防護式電動機；在空氣中有較多粉塵的場所，宜用封閉式電動機；在濕熱帶地區或比較潮濕的場所，應選用濕熱帶型電動機；在露天場所，宜用戶外電動機；在高溫車間，應選用絕緣等級與周圍環境相適應的電動機；在有爆炸危險的場所，應選用防爆型電動機；在有腐蝕性氣體或游離物的場所，應選用防腐式電動機。除上述四點外，還應考慮直流電動機的額定電壓(如11OV、220V、 440V 等)，是單端出軸還是兩端出軸，是立式安裝還是臥式安裝，電動機轉速較高時還應考慮機械減速裝置等，這些都必須在設計時根據具體條件，經過經濟核算，合理地選擇電動機。2.1.3主電路的選擇一般說來，對于晶閘

17、管整流裝置在整流器功率很小時(4KW 以下)，用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。在單相整流電路中，全波電路比半波電路脈動成分小，濾波容易。所以，全波電路比半波電路用得多， 但對脈動要求不高的場合(如小型充電機)也可采用半波整流電路。在全波電路里，單相橋式電路比雙半波電路具有變壓器利用率高、加在器件上的反向電壓低等優點，因此多采用單相橋式整流電路。在需要有源逆變的場合應采用單相全控橋式整流電路。雙半波整流電路由于使用的整流器件少，在電壓不高的小功率電路中也被采用。在三相整流電路中，三相零式電路突出的優點是電路簡單，用的晶閘管少，觸發器也少，對需要220V 電壓的用電設備直接用380V電網

18、供電，而不需要另設整流變壓器。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大，往往需要從變壓器單獨敷設零線。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時，電源相電壓可較零式整流電路小一半，因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量，利用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可小一些。三相橋式整流電路的缺點是整流器件用得多，全控橋需要六個觸發電路，需要220V電壓的設備也不能用380V電網直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶

19、閘管、三個觸發電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合，故在要求較高的場合還應選擇三相全控橋式整流電路。在需要低電壓大電流供電的場合(如電解、電鍍)，可采用帶平衡電抗器的雙反星形晶閘管整流電路。對于特大功率的整流裝置(數千千瓦) ，為了減輕對電網的干擾，特別是減輕整流裝置對電網的影響，可采用12相及12相以上的多相整流電路。對于電動機可逆運行系統，根據容量不同可選擇不同的可逆運行方案。4KW以下的小容量直流電動機，可采用接觸器實現反轉的電樞可逆系統。容量較大的電動機，可采用兩套反并聯結或交叉聯結的晶閘管整流裝置來實現電樞反接的可逆系統。在可逆系統中多采用容量對稱兩套晶閘管裝置實

20、現。只有在電動機正反向負載電流相差十分懸殊的場合，需要根據正反兩個方向實際負載電流大小分別選擇兩套整流裝置的容量，這對大系統來說可以達到節省投資的目的。對于磁場可逆方案，其優點就是磁場回路可用兩套小容量晶閘管整流裝置供電，可節省投資。其缺點是控制電路復雜，過渡過程時間長，電動機換向條件惡化，因此只適用于大容量系統和對快速性要求不高的場合。2.1.4觸發電路的選擇晶閘管的門極電壓又叫觸發電壓，產生觸發信號的電路叫觸發電路。觸發電路性能的好壞，直接影響到系統工作的可靠性。因此觸發電路必須保證迅速、準確、可靠地送出脈沖。為達到這個目的，正確選用或設計觸發電路是非常重要的，一個觸發電路性能的優劣常用下

21、列幾點來衡量：1觸發脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個周期都在相同的延遲角處觸發導通晶閘管。2觸發脈沖應能在一定的范圍內移相。對于不同的主電路要求的移相范圍也不同。例如對于三相半波電路、電阻性負載，要求的移相范圍為0° 150°；大電感負載(電流連續)，只要求整流，則移相范圍為0° 90°；如既要求整流又要逆變，則為30° 150°；三相全控橋式電路，電阻負載時為0° 120°，既要整流又要逆變時，其移相范圍為30° 150°，為保證逆變可靠，對最小逆變角min 應加以限制；三相半控

22、橋式電路，移相范圍為0° 180°。3觸發信號應有足夠的功率（電壓與電流）。為使所有合格的器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發，觸發電路送出的觸發電壓和電流，必須大于器件門極規定的觸發電壓UGT 與觸發電流IGT 。例如 KP50 就要求觸發電壓不小于3.5V，電流不小于l00mA；KP200 則要求觸發電壓不小于4V，電流不小于200mA 。故觸發電壓在4V以上、1OV以下為宜，這樣就能保證任何一個合格的器件換上去都能正常工作。在觸發信號為脈沖形式時，只要觸發功率不超過規定值，觸發電壓、電流的幅值在短時間內可大大超過額定值。4不該觸發時，觸發電路的漏電壓應小于0.150

23、.2V，以防誤觸發。5觸發脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時將造成晶閘管的觸發時間不準確。設脈沖的幅值為Um， 脈沖前沿是指由0.1Um上升到0.9Um所需要的時間，一般要在10s以內為宜。6觸發脈沖應有一定的寬度。一般晶閘管的開通時間為6s左右， 故觸發脈沖的寬度至少應在6s以上，最好應有2050s。對于電感負載，觸發脈沖的寬度應加大，否則在脈沖終止時主電路電流還上升不到晶閘管的擎住電流，則晶閘管又重新關斷。因此脈沖寬度不應小于100s，最好達到1ms，相當于5OHz 正弦波的18°，對于三相橋式全控整流電路，若采用寬脈沖觸發，則脈沖寬度應大于60°，

24、一般設計成90°（5ms），對于較寬的觸發信號也可用脈沖列的形式代替。圖2-1表示常用的三種觸發脈沖波形。 圖2-1 三種常用觸發脈沖波形 圖2-2 強觸發脈沖波形在功率較大的系統中，或者主回路有電容放電以及晶閘管串、并聯使用的場合，均可能造成通過晶閘管的電流上升率di/dt過高，若導通面積的擴展速度不夠快時，將引起局部結溫過高而損壞器件。提高門極電流的電平和前沿陡度，能夠有效地提高導通面積的擴展速度，提高器件承受di/dt的能力。因此在晶閘管電流上升率di/dt較大的場合，必須采用強觸發。強觸發脈沖的幅值Igm 可取最大觸發電流IG的5倍，前沿寬度t1在幾微秒以內，強觸發脈沖寬度t

25、2應大于5Os （但也不能太大，以防超過門極允許功率），脈沖持續時間t3應大于550s（如圖2-2）。晶閘管的觸發電路種類很多，表2-2列出了幾種常用的觸發電路類型、優缺點和適用范圍，可供設計時參考。觸發電路名稱優點缺點適用范圍阻容移相橋觸發電路結構簡單、成本低、工作可靠、調節方便觸發電壓為正弦波，上升前措不陡，受電網波動影響大，觸發準確性與可靠性差，由于不是脈沖觸發，門極電流大，增加了晶閘管損耗，而且調節范圍也受到限制僅適用于小功率晶閘管整流裝置，且控制精度要求低的場合單結晶體管觸發電路電路簡單、成本低、觸發脈沖前沿陡，工作可靠、抗干擾能力強，易于調試脈沖寬度窄，輸出功率小，控制線性度差，移

26、相范圍一般小于180°。電路參數差異大，在多相電路中使用不易一致不附加放大環節，可觸發5OA以下的晶閘管，常用于要求不高的小功率單相或三相半波電路中，但在大電感負載中不易采用用小晶閘管放大脈沖功率的觸發電路電路簡單、可靠，觸發功率大，可獲得寬脈沖需要單結晶體管電路觸發小晶閘管、用的器件相應增多用于觸發大功率晶閘管或多只晶閘管串并聯的場合正弦波同步觸發路觸發電路簡單，易于調整， 能輸出寬脈沖，直流輸出電壓Ud與控制電壓Uc為線性關系，能部分補償電網電壓波動對輸出電壓的影響。在引入正反饋 時，脈沖前沿陡度可提高由于同步信號為正弦波，故受電網電壓的波動及干擾影響大，實際移相范圍只有150&

27、#176;左右不適用于電網電壓波動較大的場合。可用于功率較大的晶閘管裝置中鋸齒波同步觸發電路不受電網電壓波動與波形 畸變的直接影響，抗干擾能力 強，移相范圍寬。具有強觸發、雙脈沖和脈沖封鎖等環節，可觸發20OA的晶閘管整流輸出電壓Ud與控制電壓Uc 間不是線性關系，電路比較復雜在大中容量晶閘管裝置中得到廣泛的應用集成觸發電路體積小、功耗低、調試方便、性能穩定可靠移相范圍小于180°，為保證觸發脈沖對稱度，要求交流電網波形畸變率小于5%廣泛應用于各種晶閘管裝置中數字式觸發電路觸發準確、精度高線路復雜、成本高用于要求較高的場合表2-2 常用觸發電路比較表 2.1.5保護電路的設置晶閘管有

28、許多優點，但是它承受過電壓和過電流的能力很差，短時間過壓過流就會使器件損壞。晶閘管能承受電壓和電流上升率是有一定限制的，當電流上升率過大時，會使器件局部燒穿而損壞。當電壓上升率太大時，又會導致晶閘管誤導通，使運行不正常。為了使器件可靠地長期運行，除了合理選擇晶閘管外，還必須針對過電壓和過電流采取恰當的保護措施。所謂過電壓，就是指超過整流電路正常工作時的最大峰值電壓，分操作和浪涌過電壓兩種。操作過電壓是指晶閘管裝置拉閘、合閘和晶閘管關斷等電磁過程引起的過電壓。浪涌過電壓是由于雷擊等原因從電網侵入的偶然性過電壓。阻容吸收裝置可將操作過電壓抑制在規定范圍之內，但對浪涌過電壓不能有效的抑制，還需設置非

29、線性電阻元件來吸收浪涌過電壓。目前常用的非線性電阻元件有硒堆和壓敏電阻兩種。壓敏電阻是一種新型的過電壓保護元件，是由氧化鋅、氧化錫等燒結制成。壓敏電阻具有很陡的正反向對稱的穩壓管特性，平時漏電流很小（微安級），而放電時可通過高達數千安的沖擊電流，抑制過電壓的能力很強。對浪涌過電壓反應快，而且本身體積小，是一種較好的過電壓保護元件，目前已基本取代硒堆。晶閘管裝置在運行時，有可能產生過電流。其原因可能是生產機械過載、輸出端短路、某一器件被擊穿短路、器件誤觸發或逆變失敗等。如不采取措施就會燒毀晶閘管，影響電路的正常工作。常用的過電流保護措施有如圖2-3 所示的幾種： 圖2-3 過電流保護措施1在交流

30、側串入電抗器（圖2-3 中的A）或采用漏抗較大的變壓器可以有效地限制短路電流，從而限制了晶閘管中的電流。但在負載電流較大時會產生較大的電壓降。 2在控制電路中設置電流調節器或電流截止反饋環節，把過電流限制在一定的數值之內。或用拉入逆變的方法，使整流器轉為逆變狀態工作，把整流電路中的能量回送到電網，使故障電流迅速下降。3采用過電流繼電器和斷路器的方法。可在交流側經過電流互感器接入過電流繼電器(圖2-3中的B)或者在直流側接入過電流繼電器（圖2-3中的F）。當發生過電流故障時，過電流繼電器動作，引起交流輸入端的斷路器跳閘。由于過電流繼電器和斷路器的動作時間需幾百毫秒，故只保護過載電流。4用直流快速

31、斷路器作過電流保護(圖2-3中的G)。直流快速斷路器的動作時間僅有2ms，全部斷孤時間不超過2530ms，是目前較好的直流側過電流保護裝置，多用于大容量系統中。5采用快速熔斷器作過電流保護(圖2-3中的C、D、E)。快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，其熔斷時間一般都小于1Oms，一旦發生過電流可及時熔斷，保護晶閘管。在設計晶閘管裝置過電流保護環節時， 可根據需要選擇其中一種或幾種進行過電流保護。 此外，由于電路中電感的存在，器件關斷時易產生過電壓和大的du/dt，給器件安全運行帶來威脅。同時在器件開通時又可能產生過大的 di/dt 而燒毀器件。為此，設置緩沖保護電路是必要的。緩沖保護電路各不相同

32、，經常采用的方法是利用串聯電感來限制dt/dt，利用并聯電容來抑制過電壓和du/dt。2.2 主電路計算2.2.1晶閘管整流主電路計算主電路計算所包含的具體內容是： 整流變壓器額定參數計算。 整流元件的計算與選擇。 晶閘管保護電路的計算。 電抗器的參數計算。（一）整流變壓器額定參數的計算一般情況下，整流裝置所要求的交流供電電壓與電網電壓不一致，因此需要使用整流變壓器。此外，整流變壓器還可減小電網和整流裝置的相互干擾。已知條件：一次電壓；整流電路接線方式和負載性質；整流輸出電壓和電流。計算參數：二次相電壓U2和相電流I2；一次相電流I1；一次側容量S1、二次側容量S2和平均容量S。1. U2的計

33、算U2是一個重要參數，選擇過低，無法保證輸出額定電壓。選擇過高，又會造成延遲角加大，功率因數變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： 式中，Udmax 整流電路輸出電壓最大值； nUT 主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；C 線路接線方式系數，見附錄一；Ush 變壓器的短路比，對10100KV·A變壓器，Ush= 0.050.l；I2/ I2N 變壓器二次實際工作電流與額定電流之比，應取最大值。在要求不高的場合或近似估算時，用下式計算則更加方便，即： 式中 A 理想情況下，=0°時整流電壓Udo與二次電壓U2之比，即 A=Udo/ U2，見附錄一；B

34、 延遲角為時， 輸出電壓 Ud 與 Udo 之比，即 B= Ud / Udo ， 見附錄一，考慮10°裕量，B=cos=cos10°=0.985； 電網波動系數，通常取= 0.9l1.2 考慮各種因素的安全系數。2. 二次相電流I2和一次相電流I1。I1 = KI1Id / K I2 = KI2Id式中，K 變壓器變比；KI1、KI2 由附錄一選取，對于三相全控橋 KI1=KI2=0.816；K=N1/N2 變壓器一次與二次匝數比。考慮變壓器的勵磁電流時，I1應乘以1.05左右的系數。3. 變壓器的容量計算S1 = m1U1I1 S2 = m2U2I2 S = 1/2(S1

35、 + S2 )式中，m1、m2為一次側、二次側繞組的相數，對不同接線方式可由附錄一查得。在已知整流功率 Pd = Ud Id 的情況下，也可應用附錄一中的容量比值對變壓器進行計算。（二） 整流元件的選擇晶閘管和整流管的選擇主要指合理地選擇器件的額定電壓和電流。1.晶閘管的額定電壓在已知U2的條件下，由根據晶閘管實際承受的最大峰值電壓UTm，乘以(23)倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓UTN。即：UTN =（23）UTm2. 晶閘管的額定電流 選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值ITN大于實際流過管子電流最大有效值IT，即：或考慮（1.52）倍的裕

36、量 IT（AV） = （1.52）K Id式中,K=IT/（1.57Id）電流計算系數，可查表得，對三相全控橋，K=0.367。選擇K值時應注意負載的性質，除恒流負載應按max 來選擇外，其它均以min 來選擇。整流二極管的選擇與計算和晶閘管相同，故可參照晶閘管的選擇與計算方法進行，這里不再重述。此外，還需注意以下幾點: 當周圍環境溫度超過+40時，應降低元件的額定電流值。 當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。 鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。目前由于品閘管元件制造工藝水平不斷改進，元件的耐壓和電流容量都有較大提高，對于中、小功率品閘管整流裝置來說，采用品閘管串且并聯

37、情況已逐步減少，故這里不再介紹串、并聯問題。如果設計者采用串、并聯方式，一定要注意晶閘管元件串聯時的均壓問題和并聯時的均流問題，相關內容請參考教材。（三）晶閘管保護環節的設計與計算1. 過電壓保護設計要求 : 把操作過電壓抑制在元件額定電壓UTN以下；把浪涌過電壓抑制在元件的斷態和反向不重復峰值電壓 UDSM 和 URSM 以下。以過電壓保護部位來分，有交流側過電壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。(1) 交流側過電壓保護措施1）阻容保護在變壓器二次并聯電阻R和電容C進行保護，各接線方式如圖2-4所示。圖 2-4 阻容保護的接法a）單相 b）三相變壓器二次側 Y 聯結，阻容保護

38、 Y 聯結 c）三相變壓器二次側 Y 聯結，阻容保護 D 聯結 對于三相電路，如圖2-4b)、c)中R和C的數值可按表2-3進行換算。表2-3 變壓器和阻容裝置不同接法時電阻和電容的數值 變壓器接法單相三相、二次Y聯結三相、二次D聯結阻容裝置接法與變壓器二次側并聯Y聯結D聯結Y聯結D聯結電容CC1/3C3CC電阻RR3R1/3RR對于大容量的晶閘管裝置，三相阻容保護裝置比較龐大，這時，可以采用圖2-5所示的整流式接法。雖然多了一個三相整流橋，但只用了一個電解電容，從而可以減小了保護裝置的體積。 圖2-5 三相整流式阻容保護的接法電容C的選擇與圖2-4中單相電路電容的計算方法相同，耐壓值應大于1

39、.5倍交流線電壓的峰值。 Rc、R的數值可按下式計算，單位為。在電阻R中，平時幾乎沒有電流，只在過電壓時流過瞬時電流，所以電阻R的功率可以不必專門考慮，一般可取4lOW。2）非線性元件保護阻容吸收保護簡單可靠，應用較廣泛，但會發生雷擊或從電網侵入很大的浪涌電壓，對于這種能量較大的過電壓就不能完全抑制。根據穩壓管的穩壓原理，目前較多采用非線性元件吸收裝置，接入整流變壓器二次側，以吸收較大的過電壓能量。常用的非線性元件有硒堆和壓敏電阻等。 硒堆通常用的硒堆就是成組串聯的硒整流片。單相時用兩組對接后再與電源、并聯，三相時用三組對接成Y形或用六組接成形，如圖2-6所示。圖 2-6 硒堆保護的接法a）單

40、相 b）三相Y接 c）三相接當電源電壓正負交變時，總有一組曬堆處在反向受壓狀態。在正常工作情況下，受反壓的硒堆工作在伏安特性（如圖2-7）的A點，漏電流很小。B 點對應的電壓UB是阻容保護裝置限制的操作過電壓峰值， 硒片允許最大反向電流密度(2.54)mA/cm2，這時一切都正常。在阻容保護裝置抑制過電壓的同時，硒堆也能吸收掉一部分變壓器磁場釋放出來的能量。當出現異常的浪涌電壓時，硒堆工作點繼續上升到C點，造成硒片擊穿，如同電源經硒堆作瞬時的短路，硒堆吸收浪涌的能量，從而限制了過電壓的數值。硒片由于面積較大，擊穿時只是燒焦幾點，待浪涌電壓消失后，整個硒片仍能恢復正常，繼續起過電壓保護作用。圖2

41、-7 硒堆伏安持性及其保護作用UA 正常電壓峰值 UB 操作過電壓峰值IB 硒片允許最大反向電流 Uc 擊穿電壓每片硒片的額定反向電壓有效值可由產品目錄查得，一般為203OV。考慮到電網電壓的可能升高和硒片特性的分散性，通常用（1.11.3）倍的正常工作線電壓U2l除以每片額定電壓，即得每組所需硒片數。硒片的面積有16 ×16、 22×22、40×40、60×60 、100×100 mm2等規格，可根據裝置來選用。通常1OKW以下用16×16、22×22 mm2的曬片，203OKW可用40×40 mm2的，3010

42、0KW采用60×60 mm2的硒片。采用硒堆保護的優點是它能吸收較大的浪涌能量，缺點是硒堆的體積大，反向伏安特性不陡，并且長期放置不用會產生“貯存老化”，即正向電阻增大，反向電阻降低，性能變壞，失去效用。使用前必須先經過“化成”，才能復原。“化成”的方法是：先加50%的額定交流電壓10分鐘，再加額定交流電壓2小時。由此可見，硒堆并不是一種理想的保護元件。 壓敏電阻金屬氧化物壓敏電阻是近幾年發展的一種新型過電壓保護元件。它是由氧化鋅、氧化鉍等燒結制成的非線性電阻元件，在每一顆氧化鋅晶粒外面裹著一層薄的氧化鉍，構成類似硅穩壓管的半導體結構，具有正反向都很陡的穩壓特性，其伏安特性如圖 2-

43、8所示。 圖2-8 壓敏電阻的伏安特性正常工作時壓敏電阻沒有擊穿，漏電流極小（A級），故損耗小； 遇到尖峰過電壓時，可通過高達數千安培的放電電流，因此抑制過電壓的能力強。此外還具有反應快、體積小、價格便宜等優點，是一種較理想的保護元件，目前已逐步取代硒堆保護。 用硒堆或壓敏電阻抑制過電壓時的電流、電壓變化情況，如圖2-9所示。圖2-9 用硒堆或壓敏電阻抑制過電壓沒有任何保護時浪涌電壓為U0 ；如用曬堆保護，電壓只能抑制到Ux，如用壓敏電阻保護，電壓被抑制到殘壓UY，由于通過較大的放電電流IY， 所以能把浪涌量消耗。浪涌以后，又可恢復正常。壓敏電阻承受的電壓應低于額定電壓U1mA。由于壓敏電阻正

44、反向特性對稱，因此在單相電路中用一個壓敏電阻，而在三相電路中用三個壓敏電阻接成Y形或D形，常用的幾種按法如圖2-10 所示。壓敏電阻的主要缺點是平均功率太小，僅有數瓦，一旦工作電壓超過它的額定電壓，很短時間內就被燒毀。圖 2-10 壓敏電阻保護的接法a）單相板 b）三相Y聯接 c）三相D聯接壓敏電阻的主要參數為：a. 標稱電壓U1mA：指漏電流為1mA時壓敏電阻上的電壓；b. 通流量：在規定沖擊電流波形(前沿8s，波形寬20s)下，允許通過的浪涌峰值電流；c. 殘壓：壓敏電阻通過浪涌電流時在其兩端的電壓降。壓敏電阻的選擇為：a）標稱電壓UlmAU1mA=1.3U 式中U 壓敏電阻兩端正常工作電

45、壓有效值(V)。b) 通流量：應大于實際可能產生的浪涌電流值，一般取5kA以上。c) 殘壓：由被保護元件的耐壓決定，對于晶閘管，應使得在通過浪涌電流時，殘壓抑制在晶閘管額定電壓以下，并留有一定裕量。3）直流側過電壓保護措施直流側保護可采用與交流側保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統的快速性，并且會造成 di/dt 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護，如圖2-11所示。圖2-11 直流側壓敏電阻保護電路 圖2-12 晶閘管兩端阻容保護電路壓敏電阻的標稱電壓UlmA，一般用下面公式計算，即：UlmA （1.82）UDC式中,UDC為正常工作

46、時加在壓敏電阻兩端的直流電壓(V)。通流量和殘壓的選擇同交流側。4）晶閘管兩端的過電壓保護措施抑制晶閘管的關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路的方法，如圖 2-12 所示。阻容保護的數值一般根據經驗選定，見表 2-4。 表 2-4 與晶閘管并聯的阻容經驗數據晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.l0.150.20.250.512電阻/100840201052電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值Um 的1.11.5倍。電阻功率PR 為： PR = （f CUm2×10-6）W式中：f 電源頻率（Hz）；C 與電阻串聯電容值（f）；Um 晶閘管工

47、作電壓峰值(V)。目前阻容保護參數計算還沒有一個比較理想的公式，因此在選用阻容保護元件時，在根據上述介紹公式計算出數據后，還要參照以往用得較好且相近的裝置中的阻容保護元件參數進行確定。2.過電流保護過電流保護措施很多，如過電流繼電器、斷路器和快速熔斷器等。這里主要介紹快速熔斷器的選擇方法。快速熔斷器簡稱快熔，其斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施。快速熔斷器可以安裝在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯，如圖 2-13 所示。 圖2-13 快速熔斷器的接法 a）交流側快熔 b）元件串聯快熔 c）直流側快熔其中以圖b接法時保護晶閘管最為有效；圖c只能在直流側過載、短路時起作用，圖a對

48、交流、直流側過流均起作用，但正常運行時通過快熔的有效值電流往往大于流過晶閘管中的有效值電流，故在產生過電流時對晶閘管的保護作用就差些，使用時可根據實際情況選用其中的一、二種甚至三種全用上。目前常用的快速熔斷器有RLS系列和RS3系列，它們的特性見附錄二。快速熔斷器的選擇主要考慮下述兩個方面。快速熔斷器的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。快速熔斷器熔體的額定電流（有效值）Im 應小于1.57 IT（AV）（IT（AV）為被保護晶閘管的通態平均電流）。同時又應大于正常運行時晶閘管（或線路）通過的電流有效值IT，即：1.57 IT（AV）IFUIT（或I2、I）3.電壓和電流上升率的限制1)電

49、壓上升率 du/dt的限制 正向電壓上升率du/dt較大時，會使晶閘管誤導通。因此作用于晶閘管的正向電壓上升率應有一定的限制。造成電壓上升率 du/dt 過大的原因一般有兩點： 電網侵入的過電壓。 由于晶閘管換相時相當于線電壓短路，換相結束后線電壓又升高， 每一次換相都可能造成 du/dt 過大。限制 du/dt 過大可在電源輸入端串聯電感和在晶閘管每個橋臂上串聯電感，利用電感的濾波特性，使du/dt 降低。串聯電感后的電路如圖 2-14、2-15所示。圖2-14 串聯進線電感直接接入電網 a） 單相電路 b） 三相電路 圖2-15 晶閘管串接橋臂電抗器2）電流上升率di/dt的限制導通時電流

50、上升率di/dt太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此，對晶閘管的電流上升率di/dt必須有所限制。產生di/dt過大的原因，一般有： 晶閘管導通時，與晶閘管并聯的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電。 交流電源通過晶閘管向直流側保護電容充電。 直流側負載突然短路等等。限制di/dt，除在阻容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制 du/dt相同的措施，即在每個橋臂上串聯一個電感。限制du/dt和di/dt 的電感，可采用空心電抗器，要求L (2030 )H；也可采用鐵心電抗器，L值可偏大些。在容量較小系統中，也可把接晶閘管的導線繞上一定圈數，或在導線上套上一個或幾個磁環來代替橋臂電抗

51、器。（四）電抗器參數計算為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器Ld，稱平波電抗器。其主要參數有流過電抗器的電流，一般是已知的，因此電抗器參數計算主要是電感量的計算。1.使輸出電流連續的臨界電感量 L1對于電動機負載的晶閘管可控整流電路，當負載電流小到一定程度，會出現輸出電流斷續的現象，這將使直流電動機的機械特性變軟。為了使輸出電流在最小負載電流Idm時仍能連續，所需的臨界電感量L1可用下式計算，單位為mH。L1= k1 式中 K1 與整流電路形式有關的系數，由表2-5查得；Idmin 最小負載電流，常取電動機額定電流的5%10%計算。2.限制輸出電流脈動

52、的電感量 L2由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量L2（單位為 mH ）可用下式計算： L2= K2式中，K2 系數，與整流電路形式有關，可查表2-5Si 電流最大允許脈動系數，通常單相電路Si20%，三相電路 Si（510）%。表2-5 平波電抗器系數表輸出端形式系數整流電路形式單相半波單相全波單相半控橋用管一的個單晶相閘橋單相全控橋三相半波三相半控橋三相全控橋六相半波帶雙平反衡量抗形器輸出端有續流二極管K12.71.671.671.671.671.031.780.6550.3780.325K25.052.82.82.82.81.662.880.9250.560.338KT6.376.373.183.183.186.753.93.95.517.8輸出端沒有續流二極管K11.672.861.461.780.6950.4010.348K22.84.52.252.881.0450.6050.523KT3.183.186.753.93.95.517.8 L