电力电子课设[学术参考].doc

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1、教-学1 摘 要 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为 直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电 镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。 本次研究的就是交流电经过整流电路，变成直流电，供给直流电动机负载。 采用并联多重 12 脉冲联结（两个三相桥式全控整流电路并联）和顺序控制的方 法，减少交流输入的电流谐波，同时减少直流输出电压中的谐波幅值，提高纹 波频率。由于晶闸管的导通，必须有触发脉冲，所以整流电路外加触发电路， 由于集成电路可靠性高，体积小，功耗低，调试方便，所以触发电路由 KJ004 和 KJ041 集成电路组成。 本文通

2、过理论分析、仿真研究和实验验证，证实了该电路的合理性、可靠 性，实用性。 关键词：12 脉并联；整流电路；KJ004；KJ041 教-学2 目 录 第 1 章 绪论.3 1.1 电力电子技术概况 .3 1.2 本文设计内容 .4 第 2 章 电路设计.5 2.1 总体设计方案 .5 2.2.1 主电路设计.5 2.2.2 触发电路设计.8 2.3 元器件型号选择 .10 第 3 章 课程设计总结.17 参考文献.18 教-学3 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电力电子器件应用与电力电子系统，它是利用电力电子器件对电能进行变 换和控制的新兴学科。电力电子技术主要应用于电力变换。电力电

3、子器件的发 展是以电力电子器件为核心，伴随着变换技术和控制技术的发展而发展。电力 电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样的大电流、高电压场合 应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它运行效 率问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采 用开关方式，这种开关方式就是电力电子器件运能够通过大电流和承受高电压， 而且要考虑在大功率情况下，器件发热、行的特点。 新型电力电子器件呈现出许多优势，它使得电力电子技术发生了突变，进 入了现代电力电子技术阶段。现代电力电子技术的主要特点是： （1）全控化是由半控型普通晶闸管发展到各类自关断器件，是电力电子

4、器 件在功能上的重大突破。自关断器件实现了全控化，取消了传统电力电子器件 的复杂换相电路，使电路大大简化。 （2）集成化与传统电力电子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件 都是由许多单元器件并联在一起，集成在一个基片上。 （3）高频化是指随着器件集成化的实现，同时也提高了器件的工作速度， 例如 GTR 可工作在 10kHz 频率以下，IGBT 工作在几十千赫兹以上，功率 MOSFET 可达数百千赫兹以上。 （4）高效率化体现在器件和变换技术这 2 个方面，由于地电力电子器件的 导通压降不断减少，降低了导通损耗；器件开关的上升和下降过程加快，也降 低了开关损耗；器件处于合理的运行状态，提高了

5、运行效率；变换器中采用的 软开关技术，使得运行效率得到进一步提高。（5）变换器小型化是指随着器件 的高频化，控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电路和控制器的体积大 大减小。电力电子器件的多单元集成化，减少了主电路的体积。控制器和功率 半导体器件等，采用微型化的表面贴技术使得变换器的体积得到了进一步减少， 功率为 10kV 。 教-学4 1.2 本文设计内容 本设计的主要内容是采用多脉整流，以减小输出直流的脉动，为 1 台额定 电压 220V、功率为 42kW 的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机 的调速。 课题对带三相 PFC 的AC / DC变换器进行一些有益的研究，重点对传统

6、的 12 脉波整流电路进行了改进，加入辅助电路有效的减小了流入电网的谐波电流， 并且在较宽的范围内可以调节输出电压。交流电源三相 380V 经过整流输出电压 Ud在 0220V 连续可调，同时整流输出电流最大值为 200A，向直流电动机负载 供电。根据实际工作情况最小控制角 取 20300左右。 220200并联多重 12 脉可控整流电路的设计包括方案的经济技术论证、 设计并联多重可控整流电路的主电路设计、通过计算选择整流器件的具体型号、 确定变压器变比及容量、触发电路设计和选择绘制相关电路图。 教-学5 第 2 章 电路设计 2.1 总体设计方案 对于输入交流电流，采用多重联结不仅可以减少交

7、流输入电流的谐波，同 时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率，因而可减少平波电 抗器。初选并联 6 脉可控整流、串联 12 脉可控整流、并联 12 脉可控整流。12 脉冲整流器在多项性能指标优于 6 脉整流器，同时并联和串联整流器效果是相 同的。但根据本次设计的主要内容、技术要求和经济支持下，采用并联 12 脉可 控整流。 电路设计构想方案如下： 图 2.1 电路方框图 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 随着整流装置功率的进一步加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的 干扰也随之加大，为了减轻干扰，可采用多重化整流电路。即将几个整流电路 多重联结可减少交流侧输入电流的谐

8、波，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控 制的方法可提高功率因数。 根据此次设计的要求，采用将两个三相桥式全控整流电路（带阻感负载） 并联多重 12 脉波整流电路，并且连接一个额定电压为 220V、额定功率为 42KW 交流电输 入 并联整流电 路 电动机负载 触发电路 教-学6 的直流电动机的负载，还有一个电感 L,平衡电抗器 Lp。电路采用平衡电抗器来 平衡各组整流器的电流，其原理与双反星型电路中采用平衡电抗器是一样的。 变压器二次侧的两绕组的机型相反可消除贴心的直流磁化，设置电感量为 Lp 的 平衡电抗器是为了保护两组三相全控桥式整流电路同时导电，每组承担一半负 载。 依据题意控制角取 30

9、，利用变压器的二次绕组不同，使两组三相交流电 源间相位错开 30，从而使输出整流电压 Ud,在每个交流电源周期中脉动 12 次， 故该电路是 12 脉冲整流电路。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法 构成相位差 30、大小相等的两组电压，接至相互并联的两组整流桥。因绕组 接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比为。 L LP 50 % 12 a1 c1 b1 c2 b2 a2 M K2 T T id VT1VT3 VT5 VT4VT6VT2 VT7 VT9VT11 VT10VT12VT8 图 2.1 并联多重 12 脉冲可控整流电路主电路原理图 此次设计采用多重联结电路顺序控制，使得

10、各整流电桥交流二次输入电压 错开一定此相位，但工作是各桥的控制角。这样可以使输入电流谐波含 量大为降低。根据总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控 制，虽然不能减少输入电流的谐波，但是各组桥中只有一组在进行相位控制， 其余各组或不工作，或位移因数为 1，因此总的功率因数提高。 教-学7 下面介绍三相桥式全控整流电路： a1 c1 b1 T VT1VT3 VT5 VT4VT6VT2 负负载载 n L 图 2.3 三相桥式全控整流电路原理 在图 2.3 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

11、组。晶闸管的导通 顺序为 VT1-VT2-VT3-VT4- VT5-VT6. 整流输出电压 Up 的波形早一周期内波动六次，且每次脉动的波形相同，所 以计算器平均值时，只需要对一个脉波（即 16 周期）进行计算即可，当整流 输出电压连续时， （即带阻感负载时，或带电阻负载 60）的平均值为: (因为是并联两个三项全控整流电路的电压相等) 同时输出电流平均值.。 同理只有当两个电源的电压平均值和瞬时平均值相等时，才能使负载电流 平均分配。所以 变压器二次侧电流为： 教-学8 2.2.2 触发电路设计 使晶闸管开始导通,必须施加触发脉冲,在晶闸管触发电路中必须有触发电 路,触发电路性能的好坏直接影

12、响晶闸管电路工作的可靠性,也影响系统的控制 精度,正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。 由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。所以 此次触发电路是由六片继承触发电路芯片 KJ004 和两片继承双脉冲发生器芯片 KJ041 组成。 三片继承触发电路芯片 KJ004 和一片继承双脉冲发生器芯片 KJ041 就可形 成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相桥式全控整 流电路的集成触发电路，两个完整的三相桥式全控整流电路的集成触发电路并 联即是此次设计的触发电路。锯齿波的斜率一致，各晶闸管的触发脉冲间隔是 60。 同理，角接三相桥式全控整流电路触发电路的

13、电路和星接三相桥式全控整 流触发电路相似，至 VT1 变为至 VT7，依次类推。 如图 2.4 所示触发电路均为模拟的，其优点是结构简单、可靠、但缺点是 易受电网电压影响，触发脉冲的不对称度较高，可达，精度低，在对精度 要求较高的大容量变流装置中，越来越多的采用数字触发电路，可获得很好的 触发脉冲对称度。但以上触发电路应用于此次设计可以。 2.3 元器件型号选择 一个额定功率为 42kW 的，额定电压为 220V 的直流电动机，12 个晶闸管， 一个可调的变电感，一个电感，星接变压器，交接变压器，若干导线。 具体参数计算如下： 的波形在一个周期内脉动 6 次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其

14、 d u 平均值时，只需对一个脉波（即 1/6 周期）进行计算即可。此外，因为 所以电压输出波形是连续的，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可 0 30 得整流输出电压连续时的平均值为。和 0 30 教-学9 输出电流平均值为： U1 KJ004 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 U2 KJ004 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 U3 KJ004 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 U4 KJ041 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15

15、16 V 15V R10 C1 R11 C2 R12 C3 R1R7R4R2R8R5R3R9R6 C7 C8 C9 Uco 50 % up 50 % RP4 50 % RP5 50 % RP6 50 % R R0 R01 至VT1至VT2至VT3至VT4 至VT5至VT6 R19 R20 R21 R16R17 R18 C4 C5 C6 RP1 50 % RP2 50 % RP3 50 % V1 -15V R13R14R15Usa Usb Usc 图 2.4 星接三相桥式全控整流电路触发电路的电路原理图 教-学10 代入式计算有： 变压器二次侧电流为: 代入数值计算得: 将电流波形分解为傅里叶级

16、数，以 a 相为例，将电流正、负半波的中点作 为时间零点，则有 所以解电流基波和各次谐波有效值分别为： 教-学11 有上述式子可得基波因数为： 可明显看出电流基波与电压的相位差仍为 ，故位移因数仍为 功率因数即为 把代入计算得 0 30 交流输入相电压有效值： Boost 开关频率： 50KHz 输出额定电压： 输出最大电流： 输出额定功率： Boost 电感的参数设计： Boost 电路输入电流峰值为输入相电流峰值 教-学12 式中， 为输入相电压有效值，假设效率为 0.95。设计电路中电流纹波 的峰峰值为电流峰值的 15， 占空比为 计算出电感值为 开关电源的变压器、电感磁心一般是低磁场下

17、使用的软磁材料，它有较高 磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。可用作磁心的软磁材料有很多种，但适合 作高频条件下的 Boost 电感的只有几种。铁氧体电阻率高，高频损耗小，温升 低，价格便宜，但有防饱和问题，要开气隙后才能使用，还有 EMI 产生。磁粉 芯 B 值和 H 值高，材料内含有均匀气隙，不必开气隙，不易饱和，设计计算 简便。磁粉芯一般都是环形的，绕线有些困难，但由于磁路是闭合的，无漏磁， 不会产生 EMI。因此，本试验中采用实验室现有的钼坡莫合金粉末磁心，截面 积。 磁路 根据公式计算出匝数为 软开关电路参数设计： 二极管反向恢复时间 教-学13 最大谐振时间 计算得出 根据 为了让主开

18、关 S 有充足的时间开通和辅助开关r S 有充足的时间ZCS 关断,取 选取 晶闸管承受的最大反向电压是： 流过每个晶闸管的电流的有效值是： 晶闸管的额定电压为： 教-学14 晶闸管的额定电流为： 2.4 系统调试或仿真、数据分析 如图 2.7 为二极管整流桥星接的输出电压U 和输出电流I 的波形。可见， 一个周期内电压U 有六个波头，电流I 为六个三角形，与电压U 同相位。从 图中看出，由于电路中的开关器件，电压U 波形有些毛刺。 图 2.7 星接三相桥式全控整流电路输出电压和电流的仿真波形 如图 2.8 为另一个二极管整流桥角接的输出电压U 和电流I 的仿真波形。 这个二极管整流桥的输入三

19、相电源与二极管整流桥的输入电源幅值相等，相位 相差，因此输出电压U 与电压U 相差，电流 I 也与 I 相差。 教-学15 图 2.8 角接三相桥式全控整流电路输出电压和电流的仿真波形 图 2.9 输出电流仿真波形 教-学16 图 2.10 输出电流仿真波形 教-学17 第 3 章 课程设计总结 本次课程设计，首先明确课程设计的题目，要求设计一个并联多重 12 脉冲 整流电路，为额定电压为 220V、功率为 42KW 的直流电动机提供直流可调电源。 在设计的过程中需要设计一个并联 12 脉冲整流电路作为主电路，以及设计一个 触发电路，在总电路设计之后还需要进行 MATLAB 仿真实验。 在设计

20、过程中在设计一个并联多重 12 脉冲整流电路作为主电路之前。并联 多重整流电路需要两个三相桥式全控整流电路的并联，所以先解决三相桥式全 控整流电路的设计。三相桥式全控整流电路的电路设计需要晶闸管、变压器、 直流电动机、电感、可调电感等。采用顺序控制的方法，减少交流输入的电流 谐波，同时减少直流输出电压的谐波幅值。由于晶闸管的导通必须要有触发电 路，所以设计一个触发电路。由于三相桥式全控整流电路的触发电路与并联多 重 12 脉冲整流电路的触发电路相似，是两个三相桥式全控整流电路的触发电路 的并联。在本设计中所用到的是同步信号为锯齿波的触发电路作为该设计的触 发电路。触发电路的设计采用集成电路组成

21、，是由于集成电路可靠性高、体积 小、功耗低、调试方便，选取 KJ004 和 KJ041。在设计电路完成之后，要进行 MATLAB 的仿真实验来验证所涉及的电路是否成功，通过 MATLAB 仿真实验可以 验证设计的电路符合设计要求。 在这个过程中对于晶闸管和 KJ004、KJ041，三相桥式全控整流电路和触发 电路有了深入的了解。同时学到了不少的东西 教-学18 参考文献 1 陈坚. 电力电子变换和控制技术.北京：高等教育出版社，2002. 120 2 黄俊,王兆安. 电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2012. 110 3 何益宏. 电力电子技术的发展与应用. 广西师院学报，1996，13(1、2）: 121 124 4 张立,赵永健. 现代电力电子技术.北京：科学出版社，1995. 115 5 鲁莉蓉. 一种高性能低压大电流 DC/DC 变换器的研究.华中科技大学硕士 论文.武汉：华中科技大学图书馆，2002 6 郑同江. 电力电子装置的谐波危害及其抑制对策.天津理工学院学报， 1999， 15(1):2629 8 张中一,宁元中. 电力谐波.成都：成都科技大学出版社，1992. 515 9 肖湘宁,徐永海. 电力系统谐波及其综合治理.中国电力.1998，31(4): 5961