电力电子课程设计--中频电源主电路设计

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

目录

1.1 课程设计的题目 (1)

1.2 设计思想及容 (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P H=100kW，极限中频电源输出功率P HM=1.1P H=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U L=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，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

=1.1

H

P η

=1.1×

100

0.95

=115.79Kw (2)整流侧输出电压：

U d =1.35U L cos α=1.35×380×cos15°=495.52V (3)整流侧输出电流： 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=1.11d U

cosϕ

=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=2×2U o=2×2×679.05=1920.35V (5)晶闸管额定电流：

I TN=2×T I

1.57=2×d

1.572

⨯

=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(Ω)

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

=fC(U m)2×10-6=1000×0.29×(×U d)2×

10-6=142.1W