基于晶闸管的AC-DC变换器保护研究与设计

论文摘要

晶闸管是大功率电力变换较理想器件。晶闸管具有容量大、耐压高、效率高、反应快、可控制、可靠性好等优点,成为了变流技术发展的基础。晶闸管变流装置在现代工业中的各行各业仍得到广泛的应用,如冶金、电解、电镀、超高压直流输电等。基于晶闸管的AC-DC变换器工作在大功率环境中,过电流、短路和过电压等故障是不可避免的。因此,晶闸管AC-DC变换器必须要有可靠的保护系统。晶闸管AC-DC变换器的保护分为两种情况：一种是基于器件的保护,例如,阻容缓冲器、过流继电器、快速开关、限流电感、快速熔断器、压敏电阻等；再一种则是采用电子保护电路。晶闸管AC-DC变换器保护参数的选取在国内大部分仅依靠经验公式,致使参数有时产生很大偏差。保护参数选取的不合理,便会产生很高的尖峰电压造成电力电子器件绝缘降低,间歇性放电甚至器件损坏。因此,针对大功率晶闸管AC-DC变换器的保护进行研究具有理论和现实意义。本文首先针对大功率12脉波晶闸管AC-DC变换器从过电流、过电压和过载故障进行研究,提出了过电流保护的参数设计方法及过电压保护阻容缓冲器参数最优的设计方法,设计出了基于晶闸管的12脉波AC-DC变换器的器件保护。其次,针对过电压保护阻容缓冲器电阻常因温度过高而烧损的现象,采用Saber仿真软件对试验电路进行仿真及实际测量的方法,研究阻容缓冲器电阻的温升特性。在相同电容值,不同电阻值的情况下进行仿真,得出阻值越大温度上升越快,稳定后的温度阻值大者略高,与实测温度基本一致。此方法对于大功率RC阻容缓冲器设计具有一定的指导意义。最后,设计出了基于晶闸管的12脉波AC-DC变换器保护系统的软件、硬件设计。其保护系统的硬件设计包括直流电源、缺相检测、电压采样、电流采样、过欠压保护电路、数字I／O口和串口通信的设计。软件包括ADC采样、I／o口、保护功能。对本文提出的基于晶闸管的AC-DC变换器的过电流保护、过电压保护方法进行验证。将此方法计算得出的保护参数用Saber仿真软件搭建仿真模型,进行了仿真验证。同时,又进行了12脉波晶闸管AC-DC变换器保护的试验验证,实测波形与仿真波形基本一致,说明由仿真系统能替代试验平台实现无RC缓冲器的直流输出电压波形测试。通过波形对比,带RC缓冲器电压波形明显优于无RC缓冲器的电压波形,即说明了该阻容参数对AC-DC变换器能起到较好的保护作用,同时也验证了过电压保护RC缓冲器参数的优化方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外现状及发展趋势
• 1.3 论文主要内容
• 第2章 基于晶闸管的AC-DC变换器保护研究
• 2.1 AC-DC故障研究
• 2.1.1 短路故障
• 2.1.2 过电压故障
• 2.2 AC-DC短路电流计算
• 2.3 晶闸管过电流保护
• 2.3.1 器件保护
• 2.3.2 电子保护
• 2.4 晶闸管过电压保护
• 2.4.1 换相过电压及其保护
• 2.4.2 交流侧过电压及其保护
• 2.5 电流/电压变化率的抑制
• 2.6 过热保护
• 2.7 本章小结
• 第3章 阻容（RC）缓冲器的优化设计
• 3.1 阻容缓冲器电阻温升特性研究
• 3.1.1 电阻温度变化特性研究
• 3.1.2 温升特性仿真
• 3.1.3 实际温度测量
• 3.2 阻容缓冲器参数的优化方法
• 3.2.1 晶闸管换相过电压研究
• 3.2.2 阻容缓冲器参数设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 12脉波晶闸管AC-DC变换器保护设计
• 4.1 过流保护与过压保护设计
• 4.1.1 过流保护设计
• 4.1.2 交流侧抑制过压保护设计
• 4.1.3 直流侧抑制过压保护设计
• 4.1.4 整流桥内RC缓冲器设计
• 4.2 保护系统的硬件设计与实现
• 4.2.1 直流电源的设计
• 4.2.2 缺相检测电路设计
• 4.2.3 电压检测电路设计
• 4.2.4 电流检测电路设计
• 4.2.5 过压欠压保护电路设计
• 4.2.6 数字I/O硬件电路设计
• 4.2.7 串口（SCI）通信设计
• 4.2.8 抗干扰设计
• 4.3 保护系统的软件设计与实现
• 4.3.1 抗干扰设计集成开发环境（CCS3.3）
• 4.3.2 模数（A/D）转换模块
• 4.3.3 数字I/O口软件设计
• 4.3.4 保护功能的软件实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真和试验结果
• 5.1 仿真软件介绍
• 5.2 12脉波晶闸管AC-DC仿真模型
• 5.3 阻容缓冲器的参数验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录