中频电源主电路设计

引言
晶闸管交流功率控制器是国际电工委员会（IEC）命名的“半导体交流功率控制器”
（Semiconductor AC Power Controller）的一种，它以晶闸管（可控硅SCR或双向可控硅TRIAC）为开关元件，是一种可以快速、精确地控制合闸时间的无触点开关，是自动控制温度系统高精度及高动态指标必不可少的功率终端控制设备。

晶闸管交流调功器是在一个固定周期或变动周期里，以控制导通的交流电周波数来控制输出功率的大小。

晶闸管在正弦波过零时导通，在过零时关断，输出为完整的正弦波。

晶闸管交流调功器主要用于各种电阻炉、电加热器、扩散炉、恒温槽、烘箱、熔炉等电热设备的温度自动、手动控制。

目录
1．课程设计目的 (1)
2．课程设计题目描述和要求 (1)
2.1.课程设计题目描述 (1)
2.2.课程设计题目要求及技术指标 (2)
3. 课程设计报告内容 (3)
3.1 设计方案的选定与说明 (3)
3.2论述方案的各部分工作原理及计算 (4)
3.3设计方案图表及其电路图 (6)
4．总结 (9)
5．参考书目 (10)
任务书
一设计题目
中频电源主电路设计
二设计目的
通过电力电子变流技术的课程设计达到以下几个目的：
1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

三设计数据
（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η=95%
（4）逆变电路功率因数：cosϕ =0.81，ϕ=36º；
（5）整流电路最小控制角αmin =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。

四设计内容
直流电动机选择
根据被控对象的特点和技术要求，综合设计题目给出的参数选用电动机。

主电路的选择
五设计要求
（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。

六课程设计报告格式要求
课程设计用纸和格式统一，要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。

设计报告不少于20页。

1. 设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）
2. 总体方案的确定(包括调制方式，PWM控制方法，主电路形式确定等)
3. 具体电路设计（主电路设计、控制电路设计以及参数计算等）
4. 附录（电路图，仿真结果图等）
5. 参考文献
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，就是通过一个整流电路把中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，所以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。

常用的三相可控整流的电路有○1三相半波○2三相半控桥○3三相全控桥○4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，所以串入的平波电抗器电感量小，动态响应快，系统调整及时，并且三相全控桥电路可以实现有源逆变，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他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,所以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：
P dm =HM P η=1.1H
P η=1.1×1000.95
=115.79Kw (2)整压：
U d =1.35U L cos α=1.35×380×cos15°=495.52V
(3)整流侧输出电流：
流侧输出电I d = dm d
P U =115.79×1000495.52 =233.67A (4)晶闸管额定电压：
U TN =(1+10%)×380
2=1182.28V
(5)晶闸管额定电流：
I TN =2
×d I 1.57
=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，所以
U d =495.52V
(2)负载两端基波电压有效值：
U o =1.11 d U cos ϕ
=679.05V (3)负载电流基波有效值：
I o =0.9I d =210.30A
(4)晶闸管额定电压：
U TN =2o =2679.05=1920.35V
(5)晶闸管额定电流：
I TN =2×
T I
1.57 =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他因素，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。

消除过电压现象通常可以采用阻容吸收电路，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，然后电容器通过电阻放电，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×I
T(AV)=2.5×10-3×I
TN
=0.53µF
Cs的交流耐压：U
csm =1.5U
TN
=1773.15V
(2)RC吸收电路电阻：Rs =10~30( )
电阻的功率:P
R =fC(U
m
)2×10-6=1000×0.19×(2.45×U
d
)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×I TN = 2.5×10-3×210.52=0.53μF
(2)RC 吸收电路电阻：
Rs=10~30(Ω)
电阻的功率:P R =fC(U m )2×10-6=1000×0.29×U d )2×10-6=142.1W
三、主电路原理图
图示：中频感应加热电源主电路原理图
四、元器件清单
五、设计总结与心得
在这次电力电子技术的课程设计中，我可以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绘图软件中，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，在编辑公式时我还使用了公式编辑器，进行整流侧和逆变侧的计算。

同时，我们还设计了过电流保护，来让我们的设计更完美。

总之，我们在这次设计中加强了实践能力，知识得到了巩固。

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。