电力电子课程设计中频电源主电路设计样本.doc

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辽宁石油化工大学

课 程 设 计

信控 学院 电气工程及其机动化专业
电气1103班

题 目 中频电源主电路设计
学 生
指导老师

二零一一年六月

课程设计任务书
题 目
中频电源主电路设计
学生姓名
马宗亮
学号

专业班级
电气1103
设
计
内
容
与
要
求
设计数据:
( 1) 额定中频电源输出功率PH=100kW, 极限中频电源输出功率PHM=1.1PH=110kW;
( 2) 电源额定频率f =1kHz;
( 3) 逆变电路效率h=95%
( 4) 逆变电路功率因数: cosj =0.81, j =36º;
( 5) 整流电路最小控制角amin =15º;
( 6) 无整流变压器, 电网线电压UL=380V;
( 7) 电网波动系数A=0.95~1.10。

设计要求:
( 1) 画出中频感应加热电源主电路原理图;
( 2) 完成整流侧电参数计算;
( 3) 完成逆变侧电参数计算。

/起止时间
年 6 月3 日 至 年 6 月9 日
指导教师签名
年 月 日
系( 教研室) 主任签名
年 月 日
学生签名
马宗亮 6月25日

目 录

1.1 课程设计的题目……………………………………………… ( 1)
1.2 设计思想及内容……………………………………………… ( 2)
1.3 主电路原理图………………………………………………… ( 6)
1.4 元器件清单…………………………………..………………… ( 7)
1.5 设计总结……………………………………………………..… ( 8)
参考文献………………………………………………………………… ( 8)

电力电子技术课程设计

1.1 课程设计的题目
1. 原始数据及资料:

( 1) 额定中频电源输出功率PH=100kW, 极限中频电源输出功率PHM=1.1PH=110kW;
( 2) 电源额定频率f =1kHz;
( 3) 逆变电路效率h=95%;
( 4) 逆变电路功率因数: cosj =0.81, j =36º;
( 5) 整流电路最小控制角amin =15º;
( 6) 无整流变压器, 电网线电压UL=380V;
( 7) 电网波动系数A=0.95~1.10。

2. 设计要求

( 1) 画出中频感应加热电源主电路原理图;
( 2) 完成整流侧电参数计算;
( 3) 完成逆变侧电参数计算。

1.2 设计思想及内容
1.设计思想
中频电源装置的基本工作原理, 就是经过一个整流电路把工频交流电变为直流电, 经过直流电抗器最后经逆变器变为单相中频交流电供给负载, 因此中频电源装置实际上是交流电-直流电-交流电-负载。

2．设计内容:
一． 整流电路的设计

1. 整流电路的选择:
本设计不用整流变压器而直接由380V三相交流接入再整流为直流电源。常见的三相可控整流的电路有三相半波三相半控桥三相全控桥双反星形等。
三相全控桥整流电压脉动小, 脉动频率高, 基波频率为300Hz, 因此串入的平波电抗器电感量小, 动态响应快, 系统调整及时, 而且三相全控桥电路能够实现有源逆变, 把能量回送电网或者采用触发脉冲快速后移至逆变区, 使电路瞬间进入有源逆变状态进行过电流保护。
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电压的要求降低一半; 若输入电压相同, 则输出电压比三相半波可控整流是高一倍。而且三相全控桥式可控整流电路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。
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式可控的整流电路。因为电源额定频率f为1KHZ,因此三相桥式可控整流电路中的晶闸管选择快速晶闸管。

2. 整流侧参数计算:
(1)直流侧最大输出功率:
Pdm==1.1=1.1×=115.79Kw
(2)整流侧输出电压:
Ud=1.35UL cosa=1.35×380×cos15°=495.52V
(3)整流侧输出电流:
Id= =115.79× =233.67A
(4)晶闸管额定电压:
UTN=(1+10%)×380××2=1182.28V

(5)晶闸管额定电流:
ITN=2×× =171.87A

3. 整流侧电路图:
三相桥式全控整流电路是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联, 在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导通回路, 其中一个晶闸管是共阴极组, 另一个晶闸管是共阳极组。六个晶闸管导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6, 每隔60°一个晶闸管换相。为了保证在任意时刻都必须有两个晶闸管导通, 采用了双脉冲触发电路, 在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次, 两次脉冲前沿的间隔为60°。
电路图如下:

二． 逆变电路的设计
逆变电路也称逆变器, 它与整流相对应, 把直流电变成交流电, 本次设计采用电流型逆变电路, 主要由滤波电容、 晶闸管、 换相电容、 换
相电感组成。整流电路的输出电压作为逆变电路的直流侧输入电压, 且本次设计不考虑换相过程。整流之后的直流电压相当于逆变电路的电源, 经过大电感的滤波, 使得流经电路的电流的方向不变, 大小恒定。因为电感反馈无功能量时直流电流并不反向, 因此不需要并联反馈二极管。

1.逆变侧参数计算:

(1)直流电压:
因为整流电路的输出电压为逆变电路的直流电压, 因此
Ud=495.52V
(2)负载两端基波电压有效值:
Uo=1.11 =679.05V
(3)负载电流基波有效值:
Io=0.9Id=210.30A
(4)晶闸管额定电压:
UTN=2×Uo=2××679.05=1920.35V
(5)晶闸管额定电流:
ITN=2× =2× =210.52

2. 逆变侧电路图

三． 保护系统

由于晶闸管中频电源装置的工作受供电电网及负载的影响较大, 而且晶闸管元件的超载能力又较小, 故要使电路可靠工作, 必须要有完善的保护措施。
当整流桥输出失控或逆变桥输出发生短路以及外界的其它因素, 会使电路中的电压和电流在极短时间内上升到极大值, , 故需要设计过电压过电流保护电路。消除过电压现象一般能够采用阻容吸收电路, 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中, 然后电容器经过电阻放电, 把能量逐渐消耗在电阻中。

1.整流侧晶闸管过电压保护:

(1)RC吸收电路电容:
Cs =(2.5~5)×10-3×IT(AV)=2.5×10-3×ITN =0.53µF
Cs的交流耐压: Ucsm=1.5UTN=1773.15V

(2)RC吸收电路电阻:
Rs =10~30(W)
电阻的功率:PR =fC(Um)2×10-6=1000×0.19×(2.45×Ud)2×10-6=279.3W

2.逆变侧晶闸管过电压保护:

(1)RC吸收电路电容:
Cs=(2.5~5)×10-3×ITN = 2.5×10-3×210.52=0.53mF

(2)RC吸收电路电阻:
Rs=10~30(W)
电阻的功率:PR =fC(Um)2×10-6=1000×0.29×(×Ud)2×10-6=142.1W

1.3主电路原理

1.4 元器件清单
序号
器件名称
数量
备注
1
晶闸管
6
整流桥
2
晶闸管
4
逆变桥
3
晶闸管RC
保护电容
6
整流桥
4
晶闸管RC
保护电阻
6
整流桥
5
晶闸管RC
保护电容
4
逆变桥
6
晶闸管RC
保护电阻
4
逆变桥
7
电感
4

8
电阻
1
负载
9
电容
1
负载

1.5 设计总结
经过这次的课程设计能够及时掌握和巩固所学的基本知识, 了解中频电源的工作原理, 学会分析电路和设计电路的方法和步骤, 同时培养我们一定的制图能力。PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件, 在电子行业的CAD软件中, 它当之无愧地排在众多EDA软件的前面, 是电子设计者的首选软件, 使用它来进行电路图的绘制既方便又美观准确。另外, 还使用了公式编辑器。总之, 获益良多。
在此期间我们也失落过, 也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情, 点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样, 汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。经过实习, 我才真正领略到”艰苦奋斗”这一词的真正含义, 我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说, 设计确实有些辛苦, 但苦中也有乐, 在如今单一的理论学习中, 很少有机会能有实践的机会, 但我们能够, 而且设计也是一个团队的任务, 一起的工作能够让我们有说有笑, 相互帮助, 配合默契, 多少人间欢乐在这里洒下, 大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作, 我感觉我和同学们之间的距离更加近了; 我想说, 确实很累, 但当我们看到自己所做的成果时, 心中也不免产生兴奋; 正所谓”三百六十行, 行行出状元”。我们同样能够为社会作出我们应该做的一切, 这有什么不好? 我们不断的反问自己。可能有人不喜欢这类的工作, 可能有人认为设计的工作有些枯燥, 但我们认为无论干什么, 只要人生活的有意义就可。社会需要我们, 我们也能够为社会而工作。既然如此, 那还有什么必要失落呢? 于是我们决定沿着自己的路, 执着的走下去。
同时我认为我们的工作是一个团队的工作, 团队需要个人, 个人也离不开团队, 必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的, 必须让每个人都知道, 否则一个人的错误, 就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点, 这也是非常宝贵的。对我们而言, 知识上的收获重要, 精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富, 经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!

参考文献
[1]. 王兆安 刘进军《电力电子技术》( 第五版) 机械工程出版社
[2]. 张华 《电类专业毕业设计指导》机械工业出版社