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1、目录绪论 .01设计方案 . .21.1设计条件与要求 . .22主电路设计及原理 . .32.1主电路设计 . .32.2主电路原理说明 .32.3变压器的设计 . .62.4晶闸管选择及参数计算分析 .73触发电路的设计 . .93.1电路图的选择 .94保护电路的设计 .114.1晶闸管的过电压保护 .114.2晶闸管的过电流保护 .115MATLAB 建模与仿真 .125.1 MATLAB 建模 . .126总结 . .15参考文献.16附录：总电路图 .17课程设计任务书学生姓名：罗刚专业班级：自动化1204指导教师：李向明工作单位：自动化学院题目：三相可控变流器的设计与仿真初始条件
2、：采用三相可控整流电路（三相全控桥、三相半控桥或三相半波整流电路），电阻-电感性负载， R2，电感 L=0.02H，额定负载 I d20A, 电流最大负载电流I dmax 25A。进线交流电源：三相380V。要求完成的主要任务：1. 三相可控主电路设计及参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额，讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。2. 触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3. 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4. 系统原理分析、 设计与仿真。 给出仿真模型及晶闸管， 直流侧的电压电流仿真波形。5. 提供系统总电路图。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全
3、，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2014.12.21 2014.12.22收集资料2014.12.23 2014.12.25系统设计与仿真2014.12.26 2014.12.27撰写课程设计论文及答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日绪论电力技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。电力电子技术中所变换的“电力”和“电力系统”所指的“电力”是有一定差别的。两者都指“电能”，但后者更具体，特指电力网的“电力”，前者更一般些。具体地说，电力电子技术就是使用电子器件对电能进行变换
4、和控制的技术。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪 70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电
5、路、三相桥式全控整流电路等。三相可控变流器的设计与仿真1 设计方案1.1 设计条件与要求1.1.1 设计条件采用三相可控整流电路（三相全控桥、三相半控桥或三相半波整流电路），电阻- 电感性负载， R 2 ，电感 L=0.02H，额定负载 I d 20A,电流最大负载电流I dmax25A。进线交流电源：三相380V。1.1.2 设计要求1. 三相可控主电路设计及参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额，讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。2. 触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3. 晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4. 系统原理分析、 设计与仿真。 给出仿真
6、模型及晶闸管， 直流侧的电压电流仿真波形。5. 提供系统总电路图。2 主电路设计及原理2.1 主电路设计图 2三相桥式全控整理电路原理图原理如图 2 所示，将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与 a、b、c 三相电源相接的3 个晶闸管分别为VT1、VT3、 VT5， 共阳极组中与 a、 b、 c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。2.2主电路原理说明1. 每个时刻均需两个晶闸
7、管同时导通，形成向负载供电的回路 , 其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2. 对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序，相位依次差 60°；共阴极组 VT1， VT3，VT5的脉冲依次差 120°，共阳极组 VT4， VT6，VT2也依次差 120°；同一相的上下两个桥臂脉冲相差 180°。3. 整流输出电压 Ud一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。2.2 .1 阻感负载时的波形分析当 60 度时， ud 波形连续，电路的工作情况与带电阻负
8、载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud 波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上， 得到的负载电流id波形不同，电阻负载时 ud波形与 id的波形形状一样。 而阻感负载时， 由于电感的作用， 使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图3 和图 4 分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载 =0 度和 =30 度的波形。图 3 反电动势 =0o 时波形图 4 =30o 时的波形当 60 度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud 波形不会出现负的部分， 而阻感负载时， 由于电感 L 的
9、作用， ud 波形会出现负的部分。 图 5 是=90度时的波形。若电感L 值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为90 度。o图 5 90 时的波形2.3 变压器的设计2.3.1 变压器参数计算由变压器原理可知K= N1 =U1N2U2式中 N1 、 N 2 变压器一次和二次绕组的匝数；K 变压器的匝数比。因为 L=6.28 大于 2 欧，所以为大电感电路。大电感负载时变压器二次电流的有效值为I 22 / 3I d16.32A由条件可以计算出， UdId max R25250V当 为 0°时U 2 Ud / 2
10、.3450/ 2.34 16.32V选择整流变压器的变比为：U 122010.295K21.37U 2变压器二次侧容量为 S2U 2 I 2 =21.37×16.32=348.76VA2.4 晶闸管选择及参数计算分析2.4.1 晶闸管的主要参数1 电压定额 U选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作是晶闸管所承受峰值电压的 2到 3倍。晶闸管承受最大反向电压 U m6U 2 2.45 16.32V 39.98V ，所以晶闸管的额定电压为U N 3U m 119.93V选取 150V 左右的晶闸管。2 额定电流 IT (AV )通态平均电流国标规定通态平局电流为晶闸管在
11、环境温度为40 度和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过最大工频正弦半波电流的平均值。考虑到晶闸管电流的安全裕量为1.5 2，取裕量为 2 流过每个晶闸管的电流有效值为，晶闸管的额定电流为选取 20A 左右的晶闸管。I VTI d20A 11.55A33I N2(I VT /1.57)14.71A2.4.2 晶闸管电路对电网的影响晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产
12、生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的 3 次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1) 和2) 两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无
13、法正常工作。为防止谐波危害，晶闸管装置可以采取措施抑制谐波，其办法大致有：（ 1）增加电流相数：一个改变变流装置的电流波形的方法是增加交流装置的脉动数，谐波次数越高，其幅值就越小，增加供电的相数就能显著减小谐波的次数。（ 2）安装谐波滤波器：常采用的排除大中型变流装置谐波的有效方法是在交流装置输入端对这些谐波分量进行滤波。（ 3）减小相位角 。2.4.4 系统功率因数的计算三相桥式全控整流电路中基波I 1和各次谐波 I n 的有效值为：I16 I dI n6 I dn=6k1, k=1,2,3,n由此可得以下结论：电流中仅含6k1 （k 为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基
14、波有效值的比值为谐波次数的倒数。有上述式子可得基波因数为I13I0.955又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，故位移因数仍为1cos 1cos功率因数即为1I1 cos13 cos0.955cosI把300 代入计算得0.955COS30.95520.8整流电路的输出视在功率为SU d I d50 201000W有功功率为 P S 10000.8800W3 触发电路的设计设计利用 KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。3.1电路图的设计三相桥式全控触发电路由3 个 KJ004集成块和 1 个 KJ041集成块（ KJ041内部是由 12个二极管构成的6 个或门）
15、及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1， VT2，VT3，VT4，VT5，VT6 的门极。 6 路双脉冲模拟集成触发电路图如图6 所示：图 6 双脉冲触发电路4 保护电路的设计保护电路包括过电流与过电流保护。过电流保护主要包括短路保护和过载保护两种类型。短路保护的特点是整定电流大、瞬时动作。电磁式电流脱扣器( 或继电器 ) 、熔断器常用作短路保护元件。过载保护的特点是整定电流较小、反时限动作。热继电器、延时型电磁式电流继电器常用作过载保护元件。通常过电压保护是在线圈两端并联一个电阻、电阻串电容或二极管串电阻，以形成一个放电回路，实现过电压的保护。4
16、.1 晶闸管的过电压保护对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如7 所示：图 7 阻容保护电路4.2 晶闸管的过电流保护方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。图 8 快速熔断保护电路5 MATLAB 建模与仿真5.1 MATLAB 建模5.1.1 三相桥式全控整流器的建模、参数设置元件参数的设置：图 9元件参数的设置5.1.2 绘制电路总图图 10 电路总图5.1.3 模拟仿真仿真波形如下图所示：图 11 触发角为0 度时 ud、 id 的波形图图 12 触发角为 30 度时 ud、 id 的波形图图 13 触发角为 90 度时 ud、 id 的波形
17、图6 总结这次电力电子课设对我来说收获很大。首先由于时间的紧迫，所以我要在短时间内做出课程设计任务，这对我还是一个很大的挑战。我先去图书馆和网上查找了相关的资料，深入地学习了课设所要求的知识，对电力电子这门课有了更深入的了解。然后试着去设计电路图，虽然开始还没什么头绪，但通过借鉴相关的资料和向同学咨询，最终还是设计出了自己的电路图。最困难的是电路的仿真， 因为 matlab 这个软件不是很熟悉，所以还要学习怎么使用。在这过程中我学习了软件的使用方法，这对我以后的学习有着很大的帮助。另外，我不仅学习到了书本和理论知识，还学到了很多学习和生活中的道理。当你遇到困难时，不能轻易的就放弃，而是去寻找解
18、决的方法，只要有着刻苦的精神就没有什么事做不到。还有要善于向别人请教知识，因为一个人的认知是有限的，只有不断的学习才能不断增强自己。参考文献 1王兆安，刘进军 .电力电子技术 M . 5版.北京：机械工业出版社，2008.2 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 M. 2 版. 北京： 机械工业出版社， 2006.3 林渭勋 . 现代电力电子技术 M. 北京：机械工业出版社， 2006.4 尹克宁 . 电力工程 M. 北京：中国电力出版社， 2008.附录：总电路图图 14 总电路图本科生课程设计成绩评定表姓名专业、班级罗刚性别男自动化 1204 班课程设计题目：三相可控变流器的设计与仿真课程设计答辩或质疑记录：三相桥式全控整流电路同一相的上下两个桥臂上晶闸管脉冲相差多少？答：相差 180°。变压器漏感对整流电路有什么影响？答：使输出电压降低。成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好（20 分）设计说明书文理通顺，工整（ 10 分）设计方案合理，论证充分（20 分）设计资料齐全，格式规范（10 分）独立完成任务，无原理性错误（20 分）答辩（ 20 分）总 分：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师 签字：年月日