三相可控整流技术课程设计.doc

三相可控整流技术课程设计一 设计方案1.1设计任务及要求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（大电感）负载，R2.5，额定负载Id20A,电流最大负载电流Idmax25A。保证电流连续的最小电流为Idmin5A。并完成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，触发电路设计，讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。1.2方案论证1.2.1 主电路方案一：采用三相半波可控整流，三相半波整流电路的变压器二次侧必须接成星形，而一次侧只能接成三角形，避免三次谐波流入电网，其主电路采用三个晶闸管分别接三相电源，三相半波可控整流电路的主要缺点在于其二次电流中含有直流分量，使得铁芯容易磁化，一般比较少用。方案二：采用三相桥式全控整流电路，三相全控桥相当于两个三相半波整流的串联，是运用最广泛的整流电路，其主电路有六个晶闸管，习惯分为共阴极组和共阳极组，由于需要保证同时有两个晶闸管导通，一般采用双脉冲触发。方案三：三相半控桥式整流，在中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动中，可采用比三相全控整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路，它相当余把三相全控桥的共阴极的晶闸管换为二极管，但是其缺相时容易发生故障。桥式整流电路中的晶闸管可以用全控型器件IGBT替代，但虽然IGBT控制更加灵活和准确，但是其成本比较高，且控制电路要求高，所以一般对于不需要逆变的整流电路多采用晶闸管。通过综合考虑，在本设计中采用三相全控桥式整流电路。1.2.2 触发电路方案一：可以依据触发电路的原理，自己用基本元件设计，但是这种电路的可靠性不高，工作不稳定且原理设计复杂。方案二：采用专门的集成芯片，用于产生各种电力电子器件触发脉冲的集成芯片有很多，而且工作稳定，性价比高，且电路简单便于使用，常用的用于产生晶闸管触发脉冲的芯片有KC041、KC04、TC785、TC787等，TC787和TC785是新一代产品，更便于控制和使用。方案三：采用单片机产生触发脉冲，单片机结合外围器件来控制可控硅的触发。同时，还将锁相环技术及过零触发的方法引入触发脉冲的生成中，提高了触发脉冲的稳定性以及对称性。此外，还可采用软件编程得到触发角可调的触发脉冲。单片机对三相全波全控桥整流触发的控制。这对提高三相全波全控桥整流装置的可靠性具有积极作用。通过综合考虑，本设计采用TC787集成芯片做为触发电路的主体用来产生移相可达0-180度，且脉冲宽度可调的触发电路。1.2.3 控制电路方案一：控制TC787的管脚4的电压来改变触发角，其电压范围为0-15V对应的触发角为0-180度，可以通过滑动变阻器来改变管脚4的电压来实现连续调压。方案二：通过单片机对输出电压采样，在经过PID算法，输出控制管脚4的电压，这种控制是闭环控制，输出电压更加稳定，而且更加方便于监控和控制。考虑到设计的复杂度，本次设计采用比较简单的方案一。TC787还可以通过改变管脚13上的电容来改变脉冲宽度，一般采用可调电容或固定电容。二 单元电路设计2.1 主电路2.1.1 整流桥本设计中采用的三相全控桥由六个晶闸管组成，习惯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。在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压 为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的 最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1-2-3-4-5-6，晶 闸管是这样编号的：晶闸管 VT1 和 VT4 接 a 相，晶闸管 KP3 和 VT6 接 b 相，晶管 VT5 和 KP2 接 c 相。 晶闸管 VT1、VT3、VT5 组成共 阴极组，而晶闸管 VT2、VT4、VT6 组成共阳极组。 为了搞清楚变化时各晶闸管 的导通规律，分析输出波形的变化 规则，下面研究几个特殊控制角， 先分析=0 的情况，也就是在自然 换相点触发换相时的情况,图2.1是电路接线图。具体工作原理见第三章。 图2.12.1.2 触发电路图2.2为TC787在六相整流电路中的应用电路，图中变压器二次侧的电压为30V，图中电容C8、C10、C12为隔直耦合电容，而C7、C9、C11为滤波电容，它与R7、R8、R11构成滤去同步电压中毛刺的环节。另一方面随RP1RP3三个电位器的不同调节，可实现060的移相，从而适应不同主变压器接法的需要。在同步信号为50HZ时，锯齿波充电电容建议采用1F电容，相对误差小于5%，以锯齿波线性好，幅度大，不平顶为宜，幅度小可减小电容值，产生平顶则增大电容值。引脚13端连接的电容Cx容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽，在同步信号为50HZ时，建议采用0.1uf电容。脉冲经过放大和脉冲变压器相耦合以达到隔离的目的，如下图所示： 图2.22.2 辅助电路2.2.1 保护电路1 晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也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RCD保护，电路图如图2.4图2.32 晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施。图2.43 交流侧保护电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容保护。由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压上升的水平。电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。串联的电阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振荡。变压器一次侧阻容吸收装置如图2.5所示，变压器二次侧阻容吸收电路如图2.6所示。 图2.5 变压器一次侧阻容吸收电路 图2.6 变压器二次侧阻容吸收电路2.2.2 控制电路优于对整流的输出电压要有必要的调节，需要对触发角进行改变，TC787可以通过改变管脚4的电压来改变触发角，其电压0-15V与对应的触发角为0-180度。如下图所示：图2.7 系统的总体电路见附录。三 电路分析及参数计算3.1带阻感负载的波形分析1 图3.1为a 0 、大电感负载时的电压电流波形。图3.1由三相半波电路分析可知，在共阴极组的自然换相点wt1、wt3、wt5时刻，分别触发T1、T3、T5晶闸管，而在共阳极组的自然换相点wt2、wt4、wt6时刻，分别触发T2、T4、T6晶闸管，两组自然换相点对应相差60，电路各自在本组内换流，即T1T3T5T1.，T2T4T6T2.，每个管子轮流导通120，为了使电流通过负载、并有输出电压，必须在共阴极和共阳极组中各有一个晶闸管同时导通。在wt1wt2期间，a相电压较正，b相电压较负，在触发脉冲作用下，T1、T6管同时导通，电流从a相经T1负载T6流回b相，负载上得到a、b相线电压。wt2开始，a相电压仍保持电位最高，但c相电压开始比b相更负，此时脉冲Ug2触发T2导通，迫使T6承受反压而关断，负载电流从T6换到T2。依此类推。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是6、1，1、2，2、3，3、4，4、5，5、6，6、1.。这时，共阴极组输出电压波形是三相相电压正半周的包络线，共阳极组输出负半周的包络线。三相桥式全控整流的输出电压ud为两组输出电压之和，是电压波形正负包络线之间的面积，所以ud波形为三相相电压正半周的包络线。图3.2当控制角a 0 时，输出电压波形发生变化，图3.2（a）、（b）、（c）、（d）分别为a 30、60、90、及120时的波形。从图中可见，当a 60时，ud波形均为正值；当60a 90时，ud波形断续，由于ud接近于零，id太小，晶闸管无法导通。因此当a 120时，如图3.1（d）所示，出现不规则的杂乱波形。2 在负载是阻感性负载时，理想状态下电感电流没有脉动，但实际运用中电感值有限，会出现电流的脉动，在VT1脉冲到来，VT1、VT5换流时，电流再次增长，使得电感存储能量进一步减少，电流脉动相应增加，反之脉动则减少，所以为了维持电路中的最小连续电流需要在电路中加入电抗器，也就是加入一个适当值的电感，使得电路能维持最小电流。3.2参数计算3.2.1 电压电流参数1 当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为： （3-1）根据设计要求，在这里取最大电流为30A，则整流器输出的最大电压为：2 晶闸管额定电流、额定电压的选择：（1）晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即 （3-2）（2）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即 （3-3）3 晶闸管上流过电流为： （3-4）选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.52倍。4 维持最小电流所需的电感量为： （3-5）综上所述，选用的晶闸管的型号为MJYS-ZL-WL-100，其额定电流为100A，承受的最大电压为1200V。取变压器的容量为1200V.A。其变比为380V/39V。3.2.2 保护电路参数1 变压器一次侧阻容吸收装置变压器每相平均容量：阻容值可用下式计算： (3-6) (3-7)式中, 变压器每相平均计算容量(VA) 变压器次级相电压有效值(V) 变压器励磁百分数，101000KVA的变压器，对应的； 变压器的短路比，101000KVA的变压器，对应的。变压器短路电压比，100KVA以下取，容量越大越大；在此取，代入式(3-6) 由(4.14)得： 实取, 。因为，电容的耐压值。是阻容两端在正常工作时交流电压的有效值，。所以，电容的耐压值电阻功率所以，一次侧阻容装置为，650V，3支，绕线电阻取，3支。2 变压器二次侧阻容吸收装置三相二次侧保护电路如图2.7所示，为阻容吸收保护电路。变压器二次绕组和阻容保护电路均采用Y连接的方法，它的R、C计算公式为： 所以， (3-8) (3-9)代入式(4.15)得： 代入式(4.16)得： 实取，。取电容的耐压值所以，实取变压器二次侧电容：，450V，3支，电阻为，3支。3 晶闸管过电压保护电路，经查资料可得 （3-10） （3-11）式中，为通过晶闸管的最大电流，为最大电压，为关断时间，为开通时间。经计算可得RC保护电路的参数为：C=100uf,R=2。3.3电路对电网的影响及其他 对于带阻感负载的三相全控整流电路，其功率因素为： （3-12）现将三相整流交流侧的输入功率因素定义为： （3-13）P为整流装置重交流电源获得的有功功率，Q为无功功率，从功率因素的定义可知，如果供电系统传递的有功功率P保持恒定，那么，功率因素的恶化使系统的视在功率和无功功率增加，它对系统的严重影响表现在一下几个方面：1 总电流I增加时电力系统的器件（如变压器、电气设备、导线等）容量增大，使供电系统及用户的设备投资费用增大；2 总电流I增大，使用电设备及传输线路损耗增加，每相的损耗为： (3-14)式中，R为设备及线路的损耗等效电阻；U为电网供电电压 ，,.可见，不仅传输有功功率要产生损耗，传输无功功率也同样要产生损耗。3 无功功率的增大会引起供电电压的波动 我们用r和x来分别代表线路电子和电抗，则电压压降为 (3-15)在电力系统中xr,因此，当系统电抗值一定，电压波动和系统无功功率的变化成正比，即所以对于有相控整流电网，有必要在电网中添加无功功率补偿装置。四 MATLAB仿真4.1仿真电路图设计过程中采用matlab中的simulink进行模拟电路仿真，如下图4.1所示：图4.1通过仿真可以观察电路的输出电压、电流波形以及幅值以及通过各个晶闸管的电流波形和电压波形，对电路的分析有重要作用。仿真过程中通过调整constant的值来调整触发角，观察实时波形。4.2仿真结果各仿真结果如下所示：Scope、Scope2、Scope3依次为输出电流、输出电压、VT1电压波形：图4.2图4.3图4.4图4.5总结这是本学期第一个课程设计。这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计，由于这是电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。在弄懂了设计原理后，首先要用MATLAB进行仿真，用Simulink搭建模块，进行仿真实验，根据要求设计相关参数，模块搭建好后，通过调节触发角得到了不同的波形。由于开始没有加滤波装置，所得仿真波形与理论结果还是有较大差别的，后来在老师的提醒后加入了滤波装置，才得到比较理想的波形。由于触发电路比较复杂，所以直接使用了Simulink里面原有的脉冲发生模块。在仿真实验中比较关键的是参数的设置。通过此次课程设计，我从完全不懂到逐渐了解，再到基本学会使用Matlab和Protel,它们都是与我们专业密切联系的软件。其中掌握了用Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作。当然这次实验有遇到了不少的困难，也出现了不少的错误，反映出基础知识的某些地方还有薄弱的地方。通过自己查找资料，苦心探索实践，与同学讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。不论是在基础理论上还是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。此外，由于这次课程设计是五人一组，经过此次历练后提高了我的协调合作能力。很高兴有这么一次课程设计的机会，我想它将对以后的学习和今后的工作带来一定的好处。致谢本文是在石黄霞老师精心指导和大力支持下完成的。石老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆