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串联谐振单相全桥逆变电路的设计.doc

串联谐振单相全桥逆变电路的设计

张行思
2019-02-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《串联谐振单相全桥逆变电路的设计doc》,可适用于IT/计算机领域

摘要本次课程设计的主要目的是设计一个输出电压可调的串联谐振单向全桥逆变电路然后可以用于对工件的感应加热、感应加热电源等方面。本次设计的单相全桥逆变电路由四只晶闸管构成将直流电压Ud逆变为中频方波电压并将它加到负载电路。负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路对工件进行感应加热通过电感的电流接近正弦波形。而晶闸管的导通则由TCA组成的触发电路产生的触发脉冲来触发其导通。通过移相方式来调节主电路输出电压脉冲的宽度。由于晶闸管逆变装置在逆变过程中会产生过电压、过电流故又对单相交流调压电路设计了一套保护电路。在进行主电路的设计时根据主电路的输入、输出参数来确定各个电力电子器件的参数并进行器件的选择以使设计的主电路能够达到要求的技术指标并完成相应的功能。关键词:单相全桥逆变电路、晶闸管、触发电路、保护电路、电压累加目录引言………………………………………………………………问题的提出………………………………………………技术指标和设计要求…………………………………………技术指标………………………………………………设计要求………………………………………………串联谐振单相全桥逆变电路的设计…………………………主电路及其工作原理………………………………………串联谐振逆变电路的电压累加……………………………主电路电力电子器件参数的计算………………………………主电路电阻、电容、电感的取值……………………………晶闸管额定值的计算………………………………………触发电路的设计………………………………………………保护电路的设计………………………………………………过电压保护…………………………………………………过电流保护…………………………………………………总结……………………………………………………………心得体会………………………………………………………参考文献………………………………………………………引言问题的提出随着工厂对工件加热设备的温度控制精度不断提高普通的加热设备已经不能满足要求。因此就需要对设备的加热原理进行改进。本次设计的串联谐振单相全桥逆变电路的负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路对工件进行感应加热其功能与一般的单相全桥逆变电路有所不同而且它的触发电路与其他电路的触发电路相比起来有更优良的性能达到对晶闸管通断的更好控制。技术指标和设计要求技术指标()输入参数:三相交流电压、、()输出参数:交流电压设计要求串联谐振单相全桥逆变电路的设计晶闸管额定电压、电流表达式的推导触发电路的设计保护电路的设计绘制主电路、触发电路和保护电路的电路图串联谐振单相全桥逆变电路的设计主电路及其工作原理串联补偿逆变电路的结构如图所示。它由三相晶闸管全控整流桥、平波电感、滤波电容、单相全控桥式逆变电路、续流二极管、串联谐振逆变器负载构成。三相晶闸管全控整流桥将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电,可通过调节直流电压来调节负载电流。平波电感在此起切断直流通路的作用。图串联谐振单相全桥逆变电路由于要求恒压源供电,所以需要一个很大的滤波电容,当足够大时,可以认为输入电压是恒压。在电路还没开始工作前,电容就通过电网储能,以便于启动逆变电路。由四只晶闸管构成的单相全控桥式逆变电路将直流电压逆变为中频方波电压,并将它加到负载电路。负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路,对工件进行感应加热。通过电感的电流接近正弦波形。与并联补偿逆变电路的强迫换流工作方式不同,串联补偿逆变电路是通过自然换流来实现工作晶闸管之间转换的,其工作原理如下:第一阶段:首先触发晶闸管SCR、SCR,电流通过正端流入,经过SCR、串联振荡负载、SCR,再由负端流出,此时补偿电容C充上了左正右负的电压。第二阶段:由于电流波形为正弦波,当电流变为负的时候,电流就通过与SCR、SCR同桥臂的续流二极管D、D续流,同时给SCR、SCR加上了反压,使SCR、SCR关断。第三阶段:经过一段时间,当SCR、SCR完全关断后,我们同时触发晶闸管SCR和SCR。此时由于晶闸管SCR、SCR两端均加有正压,因此马上就能导通。电容C通过续流二极管D、晶闸管SCR回路和续流二极管D、晶闸管SCR回路放电。当电容C放电完成后,续流二极管D、D中不再通过电流,整个回路电流走向为:正端流入,经过SCR、串联振荡负载、SCR,负端流出。电容C开始反充电,充上左负右正的电压。第四阶段:当电流再一次变为负时,电流将通过续流二极管D、D续流,同时给SCR、SCR加上反压,使晶闸管SCR、SCR关断。第五阶段:当SCR、SCR关断后,我们触发SCR、SCR,电容C通过D、SCR回路和D、SCR回路放电。当电容C放电完成后,续流二极管D、D中不再通过电流,整个回路电流走向为:正端流入,经过SCR、串联振荡负载、SCR,负端流出。电容C开始充电,充上左正右负的电压。以后开始重复以上过程。由上述分析可知,不管有没有触发脉冲,工作的两只晶闸管都会自动关断,而另外两只晶闸管在前两只晶闸管关断后才被触发导通,因此串联补偿逆变电路为自然换流过程。串联谐振逆变电路的电压累加要讨论串联补偿逆变电路的电压累加,先得从它的等效电路分析着手:图串联补偿逆变电路等效电路图 串联补偿逆变电路的等效电路图为分析其工作过程我们首先对简单串联逆变电路进行计算分析如图所示其中为炉体的等效电阻为补偿电容为炉体电感。为输入电流。输入电压。由电路方程有:()带入各电压表达式有:()对()式做拉普拉斯变换可得:()化简可得:()其特征方程为:()当时方程式()的解为衰减解RLC回路不能形成振荡,不能满足工作需要。因此必须满足:即令代入()式有:()对()式进行拉普拉斯逆变换,代入初始条件:可得:()()t时刻C上的电压:()在这里,我们假设在电流过零的时刻就进行工作晶闸管的转换,即假设此时负载电路不经过反并联二极管续流,工作的晶闸管就能立刻关断,并且在关断同时触发另外两只晶闸管。则充电时间代入()式可得,第一轮充电结束后,电容C的电压为:()第二轮充电,其初值条件变化为:        ()同理列出方程:()由此可得,当第二轮充电结束后电容C的电压为:()同理,我们可得到第n轮充电后(即第n个半波后)谐振电容C上的电压为:()当电路达到稳态时将有:()此时稳态电容C上的电压为:()电感上L上的电压为:()由以上分析可以看出,串联补偿逆变电路有电压累加,谐振电容上的电压每半波都有一个叠加过程,直到逆变回路工作于稳态。电容C和电感L上的电压会逐渐升高,最后的稳态电压会是电源电压的倍。(上边计算中,我们把负载等效电路等效为等效电阻R与感应线圈L串联,只是为了证明谐振电容上的电压积累过程,如果将电阻等效为与电感并联,计算过程比较麻烦,不容易得出方程的解。为此,我们假设等效电阻与电感串联,来简化计算过程。)这是串联补偿逆变电路的第一个特性:电压累加。由串联补偿逆变电路的工作原理可知,串联补偿逆变电路的第二个特点为:自然换流。每一次电流反向以后,通过续流二极管的续流过程给工作的晶闸管加上反压,使其关断。任何时候最多只有两只晶闸管处于导通工作状态。因为是自然换流过程,所以串联补偿逆变电路不存在临界阻尼影响起振的现象,这是串联补偿逆变电路的一个优势。主电路电力电子器件参数的计算主电路电阻、电容、电感的取值根据主电路中发生串联谐振的条件可得:当感抗等于容抗即:主电路发生串联谐振。晶闸管额定值的计算把幅值为矩形波展开成傅里叶级数得:其中基波的幅值和基波有效值分别为:晶闸管两端电压在一个周期内的波形图为:前半个周期电压为后半个周期电压为因此晶闸管两端承受的电压有效值为:晶闸管承受的最大电压为:因此计算可得晶闸管的额定电压为:由()式可得晶闸管电流有效值:式中晶闸管的额定电流为:触发电路的设计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。晶闸管触发电路往往包括:对其触发时刻进行控制的相位控制电路、触发脉冲的放大和输出电路。在本文晶闸管变流装置中要使主电路正常工作必须要有触发电路与之正确可靠的配合才能实现。因此就要设计一个合理的触发电路。本次设计的主电路采用的控制方式为移相调压即通过移相的方式来调节输出电压脉冲的宽度实现主电路的调压功能。该主电路对触发电路的要求有以下几点:)触发脉冲必须有足够的功率保证在允许的工作温度范围内对所有合格的元件都可靠触发。)触发脉冲应有足够的宽度。)触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。)触发脉冲与主电路电源电压必须同步。)触发电路与主电路之间有必要的电气隔离。由主电路的设计可知触发电路输出的触发信号是用来控制各个晶闸管的导通根据以上主电路对触发电路的要求设计出如图()所示的触发电路。这里采用了TCA触发电路该电路内部由脉冲形成与放大环节、锯齿波的形成和脉冲移相环节、同步环节、脉冲相位控制。它可以有效的控制晶闸管的通断即可有效的控制逆变输出电压、电流的大小。保护电路的设计由于晶闸管变流装置在运行过程中会不可避免的产生过电流、过电压。故就需要对其加相应的保护电路。过电压保护主电路的过电压保护措施有:阻容保护、压敏电阻保护、浪涌过电压保护。阻容保护又分为交流侧阻容保护和器件侧阻容保护。对于晶闸管关断过程中产生的尖峰状的瞬时过电压保护采用的就是器件侧阻容保护。加上阻容后当晶闸管关断时变压器电流可通过RC续流减小从而抑制了过电压。各种过电压保护电路如图()所示。图 过电压保护电路过电流保护可用作过电流保护的电器有:快速熔断器、交流断路器、直流快速熔断器。图()给出了这些过电流保护措施以及它们在电路中的位置。图 过电流保护电路图如图交流断路器、快速熔断器、直流快速熔断器都是串联在主电路中的。总结本次设计的串联谐振单向全桥逆变电路的输出电压可调它可以用于对工件的感应加热、感应加热电源等方面。该串联谐振单向全桥逆变电路最大的特点是:在原有的单相全桥逆变电路的基础上将直流电压Ud逆变为中频方波电压并将它加到负载电路。而负载电路则由原来的电阻、电感组成的电路改为感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路对工件进行感应加热通过电感的电流接近正弦波形。本次设计的另一特点是:触发电路。与普通单结晶体管组成的触发电路、晶体管组成的触发电路相比本次设计采用了TCA构成的脉冲触发电路具有同步更可靠脉冲输出的整齐度更好移相范围更宽且它的输出脉冲宽度可自由调节。心得体会通过本次课程设计加深了我对课程《电力电子技术》理论知识的理解特别是有关逆变电路方面的知识。同时也培养了以下几点能力:第一:提高了自己撰写课程设计报告水平提高了自己的书面表达能力。具备了文献检索的能力特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。第二:提高了运用所学的各门知识解决问题的能力在本次课程设计中涉及到很多学科包括:《电力电子技术》、《电路原理》、《高等数学》等学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。第三:深刻理解了单相全桥逆变电路的原理及应用参考文献王兆安黄俊电力电子技术机械工业出版社周守昌电路原理高等教育出版社索育串联补偿逆变电路的电压累加现象研究济宁师范专科学校学报江思敏姚鹏翼胡荣Protel电路设计教程清华大学出版社杨嘉昌鲁五一张宏亮采用TCA对晶闸管触发电路改造

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