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1、第三章 变流器主电路和保护环节设计直流调速系统根据其基本组成部分，可分为 主电路和控制电路两大部 分。在系统设计确定主电路的接线方式和系统的控制方案后，就应着手分别对主电 路进行参数计算和元件选择，它是系统设计中极其重要的一环。主电路参数计算和元件选择的具体内容是： 整流变压器额 定参数计算、晶闸管整流元件（或功率晶体管）的选择与 联结、晶闸管的保护、电抗器参数的计算。第一节 整流变压器额定参数的计算在一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网供电电压是不一 致的，并考虑尽可能减少电网和晶闸管装置间的相互干扰，要求晶闸管主电路与电 网隔离，所以需配置整流变压器。计算整流变压器额定参数
2、时，首先根据整流电路的型式和负载所要求的整流电 压U取值过高，则晶闸管运行时的控制角Q过大，会造成直流电压谐波分量增大, d功率因数变坏，无功功率增加；若U选择过低，则有可能在控制角为a 时整流2 min桥输出的直流电压U仍达不到负载要求的额定值。d整流变压器参数的计算，首先根据整流电路的型式和 负载所要求的整流电压U和整流电流I，计算二次电压U、 d d 2 二次电流I和一次电流I，进而计算其一次、二次容量S、2 1 1S及平均计算容量S。最后根据上述数据选用现有电力变压器系列产品或自行设计。、二次侧相电压乞变压器二次测相电压J的计算公式为U + RI + nAUd maxd VTAe (c
3、os a Cu 2)min k I2N在要求不太精确的情况下，U2可由简化式确定:U = （1.2 1.5）U/ A2d max式中，U为变流装置的最大整流输出电压（V）; R为整流变压器内阻和平波电d max抗器之和（O）； I为电动机额定电流（A）； nAU为主电路中电流经过几个串联 dVT晶闸管的正向压降（V）； A为a = 0时U与U之比，见表3-1； e为电网波动系数, d2通常取e = 0.9 ；a 为最小控制角，一般可逆系统a min = 3035。，不可逆系统 minmina = 10。15。； C为线路接线方式系数，见表3-1； u为变压器短路电压比， mink100KV -
4、 A 以下u广0.05，100 1000KV - A 取 u = .5 .8，1000KV - A 以上U广08；12 /12N为变压器二次实际工作电流与二次额定电流之比。表 3-1 几种整流线路变压器电压计算系统电路型式AC电路型式A单相全波0.90.707三相半波1.17单相桥式0.90.707二相桥式2.340.8660.5线路型式负载性质电阻性负载单相半波电感性负载电阻性负载单相全波电感性负载单相半控单相全控晶闸管在负载侧的单相桥式三相半波三相半控三相全控电阻性负载电感性负载电阻性负载电感性负载电阻性负载电感性负载电阻性负载电感性负载电阻性负载电感性负载电阻性负载电感性负载表 3-2
5、整流变压器计算参数Ud0U0.450.450.90.90.90.90.90.90.90.91.171.172.342.342.342.34S1U Id dS2UTd d0.6371.1411.271.410.90.90.91.731.731.221.221.221.222.683.483.081.111.571.341.251.751.51.111.571.341.231.231.231.111.111.111.231.231.231.111.111.111.231.231.231.111.111.111.241.211.951.051.051.051.511.481.051.051.051.
6、051.381.341.051.051.051.05双反星形带平衡电抗器电阻性负载1.173.401.051.51电感性负载1.173.461.051.481.26二、二次测相电压I和一次测相电压I21对不同型式的整流线路，变压器二次、一次电流有效值I、I与负载电流I的 2 1 d关系见表3-2。如三相全控桥式电路有I 0.816/ ， I 0.816/ / K ；三相零式2 d 1 d电路，I 0.5771，I 0.471I / K。K 为变压器匝数比(K N / N )。2 d 1 d 1 2三、变压器容量计算变压器二次容量、一次容量、平均计算容量(视在容量)分别为S m U I2 2 2
7、 2S mU I1 1 1 11S (S + S )2 1 2式中， m 和 m 为整流变压器一次侧、二次侧的相数。12例3-1某晶闸管直流调速系统，其电动机的额定值为U 220V，NI 287A， P 55kW ，采用三相全控桥式整流电路供电，电网电压波动系数NN 0.9，变压器短路电压比U 0.05，管压降AU 1V , n 2，I /1 1，kVT22 N变压器和平波电抗器的电阻不计。电网相电压U 220V，试确定整流变压器各额1定参数。解:查表 3-1 得，A 2.34 ,C 0.5， 3, cosa cos30。 0.866，min min忽略R时有：U + RI + nAUU d
8、maxdVT2IA& (cos a - Cu 2 )mink I2NV = 125 V220 + 2 x 12.34 x 0.9 x (0.866 - 0.5 x 0.05 x 1)所以变压器电压比为：U /U = 220/125 = 1.7612二次侧相电流：I 二 I /1.22 二 I /1.22 二 287A/1.22 235A2 d N一次侧相电流：I 二丄 x1 1.76 1.22沁 133.5 A二次容量：S = m U I = 3 x 125 x 235VA 沁 88kVA2 2 2 2一次容量：S = mUI = 3 x 220 x 133.5VA 沁 88kVA1 1 1
9、11平均计算容量：S =（S + S ） = 88kVA2 1 2由表 3-2可直接求出变压器的额定参数。第二节 主电路器件的计算与选择正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。所谓正确合理地选择元件，系指晶闸管元件额定电流 （通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流储备 和电压储备系数，通常称安全系数。从设计和使用的经验 来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠， 特别是对某些生产上的关键设备更应如此。、整流元件的额定电压UTNU = (2 3)UTNTm式中，Utn为晶闸管元件的额定电压（V）； UTm为晶闸管元件在电路中实际承 受的最大电压（V）。对于不同型
10、式整流电路的示于表3-3内，表中U为整流变压器2 二次侧相电压有效值。二、整流元件额定电流1TNI = （1.5 2）K ITN fb d式中，1为晶闸管的额定电流（A）； K为计算系数，示于表3-3内；1为TN fb d 最大负载电流。表3-3整流元件的最大峰值电压U和额定电流的计算系数KTm fb例 3-2 根据上例所给数据，确定晶闸管的电压额定和电流额定。解：由例3-1知，变压器二次侧相电压U =125V，负载最大电流2I 二九I = 1.5 x 287A = 430.5A，乂查表 3-3 知,因此 U = = 306VdNTm2K = 0.368，因此fbU 二（2 3）U 二（23）
11、 x 306V 二 712 918VTNTmI 二（1.5 2） x 0.308 x 430.5A 二 237 316ATN取 U 二 800V , I 二 300A，选择 KP300-8 晶闸管 6 只。TN TN使用中还须注意的是，当周围环境温度超过40 C或元件的冷却条件低于标准要求时，均应降低元件的额定值来使用。（三）GTR的选择对于PWM变换器主电路大功率晶体管（GTR）的选择，则需要根据电动机的 额定电压和额定电流来选择。晶体管的最大集电极电流应大于最大工作电流；晶体 管的耐压应根据反向击穿电压来估算。工程实践中，可按下式选择晶体管的电流和 耐压I （1.5 2）九 ICMNU （
12、2 3）U（ BR）CEON式中，九为电动机允许过载倍数；I、U分别为电动机额定电流（A）、额定电压NN（ V ）。（四）晶闸管和晶体管的串并联运行1）在高电压和大电流的场合，往往因为单个晶闸管的电压和电流定额远不能满足要求，必须把晶闸管串联或并联起来使用，或者把晶闸管装置成串联或并联起来 使用。晶闸管串联、并联应用时，均压、均流是必须解决的两个问题，其具体实施 方案和参数选择，可查阅有关资料，这里不再赘述。随着晶闸管制造工艺的改进， 元件的电压等级和电流容量不断提高，因此对中小功率的晶闸管整流装置，采用元 件串并联的情况会逐步减少。在大功率设备中广泛采用整流变压器二次侧绕组分组，分别对独立的
13、整流装置 供电，然后成组串联或成组并联，如图3 1a、b所示。整流组串联可提高输出电压, 且两套装置之间不存在均压问题。整流组并联可提高输出电流，但一般需设置平衡 电抗器以实现均流。如变压器漏抗合适可省去平衡电抗器。变压器两套二次侧绕组通常分别以Y、D形式联结，串联后整流电压波形每周 期脉动 12 次，即为等效的12 相整流电路。由于脉动频率较高，故使整流电源质量 大为提高，又可减小平波电抗器的体积。2）由于GTR对过压和敏感，故一般不宜进行串联运行。GTR并联运行时，应 采取一定的均流措施。电流较小时，用接入发射极电阻的方法来均流较好；电流较a)b)3-1 晶闸管装置和晶体管的串联与并联a）晶闸管装置成组串联b）晶闸管装置成组并联 c） GTR的并联大的场合，可采用均流电抗。具体电路如图3-1C所示。另外，并联应用时，应仔细 匹配好并联GTR的参数，并使并联支路布线尽量对称，每个GTR集电极和基极支 路中的电阻和电感应尽可能小而且一致。第三节 主电路保护环节的设计与计算由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，所以短 时间的过压或过流就会造成元件损坏。因此在系统主电路 设计中，对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的 设计与计算，应予以足够的重视。为使系统能长期可靠地 运行，除了合理地选择晶闸管外，必须针对过电压、过电 流和电压、电流上升率的发生原因采取恰当的保护措施。一
