电力电子课程设计张辉.doc

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1、目 录第1章 绪 论31.1 引言31.2 整流电路的发展31.3 三相全桥的特点41.4 设计目标41.5 设计任务及技术指标41.5.1 设计任务41.5.2 技术指标4第2章 三相桥式全控整流电路原理说明621主电路原理说明62.2 带电阻负载时的工作情况62.3 阻感负载工作情况92.4 定量分析92.5 电抗器11第3章 三相全控整流电路的保护电路123.1电路的保护措施123.1.1主电路的过电压保护123.1.2 晶闸管的过电压保护123.1.3 晶闸管的过电流保护13第4章 触发电路144.1 触发电路的同步144.2 参数选择144.3 触发电路图15第5章 仿真图形175.

2、1 仿真电路175.2 电阻性负载仿真结果17第6章 心得体会21附录 1 电路总图22附录 2 参考文献23第1章 绪 论1.1 引言1947 年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,引发了电子技术的一场革命,从此,以硅二极管为代表的电力电子器件开始应用于电力领域。1957 年美国通用电气公司研制出了第一只晶闸管,晶闸管出现后,由于其优越的电气性能和控制性能,使其很快取代了水银整流器和旋转变流机组,随之其应用范围迅速扩大。70 年代后,门极可关断晶闸管(GTO) 、电力双极性晶体管(BJ T) 和电力场效应晶体管( Power2ÃMOSFET) 等全控型器件迅速发展。80 年代后期,以

3、绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 为代表的复合型器件异军突起, IGBT 是BJ T 和MOSFET 的复合。它把MOSFET 的驱动功率小、开关速度快的优点和BJ T 的通态压降低、载流能力大的优点集于一身,性能十分突出,从而成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT 相对应,MOS 控制晶闸管(MCT) 和集成门极换流晶闸管( IGCT) 是MOSFET 和GTO 的复合,它们也结合了MOSFET 和GTO 的优点。但目前在大功率电力电子装置中,由于电压和电流等级限制了IGBT 和MOSFET 的应用,因而晶闸管和GTO 还占据着十分重要的地位。晶闸管是一种基本电力电子器件,通过亲自实践,

4、对掌握它的电气特性,和基本电力电子电路的工作原理都大有益处。1.2 整流电路的发展ACDC变换电路是能够直接将交流电能转换为直流电能的电路，泛称整流电路。自本世纪20年代迄今已经历了以下几个发展阶段：第一阶段：旋转式变流机组（电动机发电机组）；第二阶段：静止式离子整流器；第三阶段：静止式半导体整流器； 1、旋转式变流机组和静止式离子整流器的技术经济性能均不及半导体整流器，因而在世界范围内已为后者所取代。2、静止式半导体整流器，按照电路中变流器件的开关频率不同，所有的半导体变流电路可划分力低频和高频两大类。对于整流电路而言，前者是指传统相控式整流电路，是所有半导体变流电路中历史最久，技术最成熟，

5、应用也最广泛的一种电路，后者是指最近才发展起来的斩控式（PWM）整流电路，是所有半导体变流电路中历史最短的一种电路，是斩波控制方式和高频自关断器件发展的技术产物。1.3 三相全桥的特点1、应用最为广泛.2、三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，输出整流电压提高一倍，输出电压的脉动较小、变压器利用率高且无直流磁化问题。3、由于在整流装置中，三相桥电路晶闸管的最大失控时间只为三相半波电路的一半，故控制快速性较好，因而在大容量负载供电、电力拖动控制系统等方面获得广泛的应用。1.4 设计目标电力电子技术课程是一门专业技术基础课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其

6、目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。电力电子技术课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化和电气工程及其自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对自动化专业的学生是一个非常重要的实践教学环节。通过设计，使学生巩固、加深对变流电路基本理论的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力。1.5 设计任务及技术指标1.5.1 设计任务（1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任

7、务。（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。（3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。（4）按时参加课程设计指导，定期汇报课程设计进展情况。（5）广泛收集相关技术资料。 （6）独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。（7）按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。（8）培养实事求是、严谨的工作态度和认真的工作作风。1.5.2 技术指标（1）电网供电电压为三相交流220V，相角依次为120°；（2）电网电压波动+5%-5%；（3）触发角为0°120°可调（4）负载自定，输出电压U0有效值0514.8可调第2章 三相桥式全控整流电路原理说明21主

8、电路原理说明晶闸管按从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。编号如表1示，晶闸管的导通为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图2.1 三相桥式全控整流电路图2.2 带电阻负载时的工作情况晶闸管触发角=0°时的情况：此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通

9、状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图所示。=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。 从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。将波形中的一个周期等分为6段，每段为60°，如图2-18所示，每一段中导通的晶闸管

10、及输出整流电压的情况如下表所示。由表2.1可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。表2.1 晶闸管导通顺序表 时 段 1 2 3 4 5 6共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb由表2.1得：6个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60°；共阴极组和阳极组依次差120°；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180

11、6;。 整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60°，称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为20° 30°，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁心体积做得较大， 绕组匝数较

12、多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利，故采用双脉冲触发。0°时晶闸管承受的电压波形如图2.2所示。图2.2 电阻理论波形图2.2中还给出了晶闸管VT1流过电流 iVT 的波形，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120°处于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。当=30°时。从t1角开始把一个周期等分为6段，每段为60°与0°时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别

13、在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30°,组成 ud 的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流 ia 的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。当=60°时，电路工作情况仍可参考上图2.2分析，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。60°时ud出现了为零的点。由以上分析可见，当60°时，ud波形均连续

14、，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。60°时，如90°时电阻负载情况下，此时ud波形每60°中有30°为零，这是因为电阻负载时 id 波形与ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，因此ud波形不能出现负值。如果继续增大至120°，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120°。2.3 阻感负载工作情况三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分

15、析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。 当60°时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，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 id 波形与 ud 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。 与图2.1带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流 id 波

16、形决定，和ud波形不同。 当60°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的作用，ud波形会出现负的部分。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。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为0°90°。2.4 定量分析在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载60

17、76;时）的平均值为 （2-1）电阻负载且>60°时，整流电压平均值为 （2-2） 输出电流平均值为 Id = Ud/R （2-3）当整流变压器为图2.3中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为 （2-4）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 由式（2-1）可知，在触发角小于60°时，输出电压257.4<Uo<514.8,由式（2-2）可知，输出电压0<Uo<257.4。晶闸管的参数：（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压Utn=U2考虑安

18、全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的23倍。即U额=(23)Utn 。 根据要求，输出功率为2kw，负载电阻为20欧姆，理想变压器二次侧电压U2=200，所以晶闸管的额定电压U额=(23)U2=(23)×200.（2）电流额定：通态平均电流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.52）倍。计算得IVT(AV)=7.36A.（3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管GTO。它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。她既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断

19、的优点。（4）综上述，我们选用国产50A GTO。参数如下.选用电阻20欧姆。正向阻断电压:10001500,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.52.5正向触发电流：200800MA，反向关断电流：610A，开通时间：<6us,m关断时间:<10us,工作频率：<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降24V关断增益（5）整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.3485

20、.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。图2.3 星形连接2.5 电抗器为保证整流电流的平稳性，可与负载串联一平波电抗器，如图2.4所示电抗器图标。在此选择单相（三相）交流电抗器（输入、输出电抗器）。用途：用于交流回路中，作为平衡、镇流、限流和滤波的一种铁芯电感器。主要技术指标：电抗器名称、型号、电感量、额定工作电流、工作频率、绝缘等级、环境温度。图2.4 电抗器图形第3章 三相全控整流电路的保护电路3.1电路的保护措施3.1.1主电路的过电压保护抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消

21、耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。电路图3.1所示。 图3.1主电路保护电路3.1.2 晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且

22、多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。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，电路图如图3.2所示。图3.2 晶闸管过压保护电路3.1.3 晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。 快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。 因此，最佳方案是用快速熔断器保护。如图3.3所示。 图3.3 晶闸管过流保护电路第4章 触发电路4.1 触发电路的

23、同步所谓的同步，就是要求触发脉冲和加于晶闸管的电源电压之间必须保持频率一致和相位固定。为实现这个，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终保持一致的。再是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发电路相位正确。4.2 参数选择我们选用国产50A GTO。参数如下.选用电阻20欧姆。正向阻断电压:10001500,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.52.5正向触发电流：200800MA，反向关断电流：610A，开通时间：<6us,m关断时间:<10us,工作频率：

24、<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降24V关断增益：5.整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。晶闸管阻容吸收元件参数可按下表所提供的经验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压1.11.5倍。表3.1 晶闸管各对应参数晶闸管额定电流IT(AV)/A10

25、00 500 200 100 50 20 10电容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1电阻R/欧姆2510204080100如上表3.1所示的参数，由题意用电容为0.2UF，电容耐压为900)V;电阻为40欧姆。对于主电路的保护，电容C=6I0%S/U2/U2,电阻R2.3 U2* U2对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充以石英砂填料，构成封闭式熔断器。选择快熔，要考虑一下几点：（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压；（2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；（3）熔体的额定电流是有效值。根据以上特点，我们选用国产RLS系列的

26、RLS-50快速熔断器。4.3 触发电路图集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。此处采用KJ系列组成三相全控桥的集成促发电路，如图4.1所示为KJ004电路原理图及图4.2KJ041电路原理图。图4.1 KJ004电路原理图图4.2 KJ041电路原理图完整的三相全控桥触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。模拟触发电路与数字触发电路：模拟触发电路的优点是结构简单、可靠;缺点是易受电网电压影响，触发

27、脉冲不对称度较高， 可达3°4°，精度低。数字触发电路的脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7°1.5°。如图4.3所示三相全控桥整流电路的集成触发电路。图4.3 三相全控桥整流电路的集成触发电路第5章 仿真图形5.1 仿真电路仿真电路如下图5.1所示，变压器采用Y-Y接法，出发采用脉冲出发，依次使晶闸管导通。图5.1 仿真电路5.2 电阻性负载仿真结果当=30°时负载上的输出电压波形及晶闸管端电压的波形分别如图5.2及图5.3所示：图5.2 =30°负载上的电压输出波形 图5.3 =30°晶闸管端电压波

28、形 当=60°时负载上的输出电压波形及晶闸管端电压的波形分别如图5.4及图5.5所示：图5.4 =60°负载电压波形图5.5 =60°晶闸管端电压波形当=90°时负载上的输出电压波形及晶闸管端电压的波形分别如图所示：图5.6 =90°负载电压波形 图5.7 =90°晶闸管端电压波形根据以上仿真波形，由图5.6所示，触发角为30°时，由式（2-1）可算出输出电压Uo=445.302。由图5.4所示，触发角为60°时，由式（2-1）可算出输出电压Uo=257.4。由图5.6所示，触发角为90°时，有式（2-2

29、）可算出输出电压Uo=69.498。根据以上的计算数据与输出仿真显示数据，在允许的误差范围内，符合实际的要求，并由此可知，电阻性负载时，输出电压的变化范围为0514.8。第6章 心得体会电力电子技术的应用十分广泛。不仅用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用，通过此次的电力电子课程设计，本次所作课题为三相桥式可控整流电路的研究，掌握了三相桥式整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响，在仿真的过程中，由于都是在理想的条件下进行的，因此要考虑现实生活中的各种不理想因素对此工作的影响，比如说环境、

30、温度、光照等等的影响，为了避免这些影响，就不许采用相关措施使得其工作在比较稳定的状态。在选择晶闸管的时候，需要充分考虑晶闸管的额定电压、电流，工作特性，然后根据电路要求选择合适的晶闸管，在此选择GTO，不仅具备GTR的性质，而且具备MOSFET的特性，其性能比较优越。为了消除整流输出电压的谐波，串联了一平波电抗器，使得输出电压更为理想。为了确保电路工作稳定，对晶闸管进行了过压及过流保护，主电路进行了电压隔离及相关保护。促发电路的同步使得晶闸管工作在稳定状态，采用KJ004及KJ041组成的集成触发电路，使得工作性能优越，出发精度准确。总之，在此次的三项桥式可控整流电路的研究中是我收获良多，为以

31、后的进一步学习打下了坚实的基础。附录 1 电路总图附录 2 参考文献【1】.王兆安，黄俊主编电力电子技木第四版北京：机械工业出版社，2004年1月【2】.郑忠杰，吴作海编.电力电子变流技术.第二版.北京：机械工业出版社，1988年7月【3】.刘志刚主编.电力电子学.第一版.北京：清华大学出版社，2004年6月【4】.王兆安，刘进军 电力电子技术 北京：机械工业出版社 2009年5月【5】.曹才开，罗雪莲 电路与电子技术试验 长沙：中南大学出版社 2009年11月【6】.王冠华，王伊娜 Multisim 11电路设计及应用 北京：国防工业出版社 2010年10月【7】.马建国， 孟宪元 电子设计自动化技术基础 北京：清华大学出版社 2004年23 / 23文档可自由编辑打印