中頻電源主電路設(shè)計(jì)

1、引言晶閘管交流功率控制器是國際電工委員會(huì)（IEC）命名的“半導(dǎo)體交流功率控制器”（Semiconductor AC Power Controller）的一種，它以晶閘管（可控硅SCR或雙向可控硅TRIAC）為開關(guān)元件，是一種可以快速、精確地控制合閘時(shí)間的無觸點(diǎn)開關(guān)，是自動(dòng)控制溫度系統(tǒng)高精度及高動(dòng)態(tài)指標(biāo)必不可少的功率終端控制設(shè)備。晶閘管交流調(diào)功器是在一個(gè)固定周期或變動(dòng)周期里，以控制導(dǎo)通的交流電周波數(shù)來控制輸出功率的大小。晶閘管在正弦波過零時(shí)導(dǎo)通，在過零時(shí)關(guān)斷，輸出為完整的正弦波。晶閘管交流調(diào)功器主要用于各種電阻爐、電加熱器、擴(kuò)散爐、恒溫槽、烘箱、熔爐等電熱設(shè)備的溫度自動(dòng)、手動(dòng)控制。目 錄1 課程

2、設(shè)計(jì)目的12 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求12.1.課程設(shè)計(jì)題目描述12.2.課程設(shè)計(jì)題目要求及技術(shù)指標(biāo)23. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容 33.1 設(shè)計(jì)方案的選定與說明 33.2論述方案的各部分工作原理及計(jì)算 43.3設(shè)計(jì)方案圖表及其電路圖 64 總結(jié) 95 參考書目 10 任務(wù)書一 設(shè)計(jì)題目中頻電源主電路設(shè)計(jì)二 設(shè)計(jì)目的通過電力電子變流技術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的：1、培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用仿真工具的能力和方法。5、提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水

3、平。三 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（1）額定中頻電源輸出功率PH=100kW，極限中頻電源輸出功率PHM=1.1PH=110kW；（2）電源額定頻率f =1kHz；（3）逆變電路效率h=95%（4）逆變電路功率因數(shù)：cosj =0.81，j =36º；（5）整流電路最小控制角amin =15º；（6）無整流變壓器，電網(wǎng)線電壓UL=380V；（7）電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)A=0.951.10。四 設(shè)計(jì)內(nèi)容直流電動(dòng)機(jī)選擇根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)和技術(shù)要求，綜合設(shè)計(jì)題目給出的參數(shù)選用電動(dòng)機(jī)。主電路的選擇五 設(shè)計(jì)要求（1）畫出中頻感應(yīng)加熱電源主電路原理圖；（2）完成整流側(cè)電參數(shù)計(jì)算；（3）完成逆變側(cè)電參數(shù)計(jì)算。六 課

4、程設(shè)計(jì)報(bào)告格式要求課程設(shè)計(jì)用紙和格式統(tǒng)一，要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強(qiáng)。設(shè)計(jì)報(bào)告不少于20頁。1. 設(shè)計(jì)的基本要求（給出所要設(shè)計(jì)的裝置的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)裝置要達(dá)到的要求（包括性能指標(biāo)），最好簡述所設(shè)計(jì)裝置的主要用途）2. 總體方案的確定(包括調(diào)制方式，PWM控制方法，主電路形式確定等)3. 具體電路設(shè)計(jì)（主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算等）4. 附錄（電路圖，仿真結(jié)果圖等）5. 參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)思想及內(nèi)容1.設(shè)計(jì)思想中頻電源裝置的基本工作原理，就是通過一個(gè)整流電路把中頻交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過直流電抗器最后經(jīng)逆變器變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電供給負(fù)載，所以中頻電源裝置實(shí)際上是交流電-直流電-交流電-

5、負(fù)載。2設(shè)計(jì)內(nèi)容：一 整流電路的設(shè)計(jì)1. 整流電路的選擇：本設(shè)計(jì)不用整流變壓器而直接由380V三相交流接入再整流為直流電源。常用的三相可控整流的電路有三相半波三相半控橋三相全控橋雙反星形等。三相全控橋整流電壓脈動(dòng)小，脈動(dòng)頻率高，基波頻率為300Hz，所以串入的平波電抗器電感量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)調(diào)整及時(shí)，并且三相全控橋電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，把能量回送電網(wǎng)或者采用觸發(fā)脈沖快速后移至逆變區(qū)，使電路瞬間進(jìn)入有源逆變狀態(tài)進(jìn)行過電流保護(hù)。三相全控橋式可控整流電路與三相半波電路相比，若要求輸出電壓相同，則三相橋式整流電路對(duì)晶閘管最大正反向電電壓的要求降低一半；若輸入電壓相同，則輸出電壓比三相半波可控整流是

6、高一倍。而且三相全控橋式可控整流電路在一個(gè)周期中變壓器繞組不但提高了導(dǎo)電時(shí)間，而且也無直流流過，克服了三相半波可控整流電路存在直流磁化和變壓器利用率低的缺點(diǎn)。從以上比較中可看到：三相橋是可控整流電路從技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能兩方面綜合指標(biāo)考慮比其他可控整流電路有優(yōu)勢，故本次設(shè)計(jì)確定選擇三相橋式可控的整流電路。因?yàn)殡娫搭~定頻率f為1KHZ,所以三相橋式可控整流電路中的晶閘管選擇快速晶閘管。2. 整流側(cè)參數(shù)計(jì)算：(1)直流側(cè)最大輸出功率：Pdm=1.1=1.1×=115.79Kw(2)整壓：Ud=1.35UL cosa=1.35×380×cos15°=495.52

7、V(3)整流側(cè)輸出電流：流側(cè)輸出電Id= =115.79× =233.67A(4)晶閘管額定電壓：UTN=(1+10%)×380××2=1182.28V(5)晶閘管額定電流：ITN=2×× =171.87A3.整流側(cè)電路圖：三相橋式全控整流電路是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)，在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能形成導(dǎo)通回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組，另一個(gè)晶閘管是共陽極組。六個(gè)晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，每隔60°一個(gè)晶閘管換相。為了保證在任意時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，采用了

8、雙脈沖觸發(fā)電路，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為60°。電路圖如下：二 逆變電路的設(shè)計(jì)逆變電路也稱逆變器，它與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電，本次設(shè)計(jì)采用電流型逆變電路，主要由濾波電容、晶閘管、換相電容、換相電感組成。整流電路的輸出電壓作為逆變電路的直流側(cè)輸入電壓，且本次設(shè)計(jì)不考慮換相過程。整流之后的直流電壓相當(dāng)于逆變電路的電源，經(jīng)過大電感的濾波，使得流經(jīng)電路的電流的方向不變，大小恒定。因?yàn)殡姼蟹答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不需要并聯(lián)反饋二極管。1.逆變側(cè)參數(shù)計(jì)算：(1)直流電壓：因?yàn)檎麟娐返妮敵鲭妷簽槟孀冸娐返闹绷麟妷海訳d=495.52V(2

9、)負(fù)載兩端基波電壓有效值：Uo=1.11 =679.05V(3)負(fù)載電流基波有效值：Io=0.9Id=210.30A(4)晶閘管額定電壓：UTN=2×Uo=2××679.05=1920.35V(5)晶閘管額定電流：ITN=2× =2× =210.522. 逆變側(cè)電路圖三 保護(hù)系統(tǒng)由于晶閘管中頻電源裝置的工作受供電電網(wǎng)及負(fù)載的影響較大，而且晶閘管元件的超載能力又較小，故要使電路可靠工作，必須要有完善的保護(hù)措施。當(dāng)整流橋輸出失控或逆變橋輸出發(fā)生短路以及外界的其他因素，會(huì)使電路中的電壓和電流在極短時(shí)間內(nèi)上升到極大值，故需要設(shè)計(jì)過電壓過電流保護(hù)電路。消

10、除過電壓現(xiàn)象通常可以采用阻容吸收電路，其實(shí)質(zhì)是將引起過電壓的磁場能量變成電場能量儲(chǔ)存在電容器中，然后電容器通過電阻放電，把能量逐漸消耗在電阻中。1.整流側(cè)晶閘管過電壓保護(hù)：(1)RC吸收電路電容：Cs =(2.55)×10-3×IT(AV)=2.5×10-3×ITN =0.53µFCs的交流耐壓：Ucsm=1.5UTN=1773.15V(2)RC吸收電路電阻：Rs =1030(W) 電阻的功率:PR =fC(Um)2×10-6=1000×0.19×(2.45×Ud)2×10-6=279.3W2.

11、逆變側(cè)晶閘管過電壓保護(hù)：(1)RC吸收電路電容：Cs=(2.55)×10-3×ITN = 2.5×10-3×210.52=0.53mF(2)RC吸收電路電阻：Rs=1030(W)電阻的功率:PR =fC(Um)2×10-6=1000×0.29×(×Ud)2×10-6=142.1W三、主電路原理圖 圖示：中頻感應(yīng)加熱電源主電路原理圖四、 元器件清單序號(hào)器件名稱數(shù)量備注1晶閘管6整流橋2晶閘管4逆變橋3晶閘管RC保護(hù)電容6整流橋4晶閘管RC保護(hù)電阻6整流橋5晶閘管RC保護(hù)電容4逆變橋6晶閘管RC保護(hù)電阻4逆變橋7電感48電阻1負(fù)載9電容1負(fù)載五、 設(shè)計(jì)總結(jié)與心得在這次電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)中，我可以及時(shí)掌握和鞏固所學(xué)的基本知識(shí)，了解中頻電源的工作原理，學(xué)會(huì)分析電路和設(shè)計(jì)電路的方法和步驟，同時(shí)培養(yǎng)我們一定的制圖能力。PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行