《电力电子技术》课程设计.doc

电力电子技术课程设计 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 祝 敏 时 间： 2013年12月11日-2013年12月26日18目录1.原理及方案选择22.主电路的设计与器件的选择22.1三相全控桥工作原理22.2三相全控桥的工作特点32.3阻感负载时的波形分析42.4参数计算73.触发电路的设计93.1集成触发电路93.2集成触发器电路图93.3触发电路104.保护电路的设计114.1晶闸管的保护电路114.2交流侧保护电路124.3直流侧阻容保护电路135.三相桥式整流电路MATLAB仿真145.1电路的构成及其工作原理145.2 整体电路图155.3参数的设置155.4仿真结果165.5仿真结果分析20参考文献21三相桥式整流电路的设计1.原理及方案选择三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。2.主电路的设计与器件的选择设计要求是设计一三相桥式整流电路，负载为直流电动机，电机技术数据如下：,， 2.1三相全控桥工作原理如图2-1所示，为三相桥式全控带电动机负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。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。晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。图2-1 三相桥式全控整流电路带电动机负载原理图2.2三相全控桥的工作特点三相桥式全控整流电路带电动机负载原理图如图2-1所示，它主要是在不同阶段通过控制共阴极与共阳极的晶闸管导通与关断来实现整流作用的，现具体介绍不同阶段各晶闸管的工作情况，如表格2-2所示表2-2三相桥式全控整流电路阻感负载（触发角=0）时晶闸管工作情况 2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同一相器件。 对触发脉冲的要求：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的脉冲也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。 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。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2.3阻感负载时的波形分析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），下面主要分析阻感负载时的情况，带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。1.当60时，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 波形不同，电阻负载时 波形与 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2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0和=30的波形。图2-2三相全控桥式带阻感负载（=0）时波形图图2-3三相全控桥式带阻感负载（=30）时的波形图2定量计算当时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，整流输出电压连续时的平均值为： （2-3-1）当时，带电阻负载，整流电压平均值为： （2-3-2）输出电流平均值为 （2-3-3）当整流变压器为星型接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-3所示，为正负半周各宽120，前沿相差180的矩形波，其有效值为： （2-3-4）三相桥式全控整流电路接，反电动势阻感负载时，在负载阻感足够大足以使负载电流连续的情况下电路工作情况与电感性负载相似，电路中各处电压 电流波形均相同，仅在计算时有所不同，接反电动势阻感负载的为： （2-3-5）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考虑安全裕量，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 （2）电流额定：通态平均电流，考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.52）倍，即（3）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。变压器的一、二次容量为3当60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。图2-4给出了=90时的波形。若电感L值足够大，中正负面积将基本相等，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。图2-4三相全控桥式带电感负载（=90）时的波形图2.4参数计算（1）电动机的等效电阻；（2）变压器二次侧相电压有效值：； （2-4-1） 触发角的确定： （2-4-2）触发角； 变压器二次侧电压的峰值：； （2-4-3） 负载电流平均值的最小值：； （2-4-4）（3）等效电感的值：； （2-4-5）（4）电动机的等效反电动势:； （2-4-6）（5）整流电路的输出值：整流输出电压的平均值：；（2-4-7）电流平均值：； （2-4-8）变压器二次侧电流有效值： ; （2-4-9）（6）晶闸管的选择： 本电路中晶闸管承受的最大反向电压： ； （2-4-10） 流过晶闸管的电流有效值：； （2-4-11）考虑一定的安全裕量，则晶闸管的额定电压：； （2-4-12）晶闸管的额定电流：; （2-4-13）（7）变压器的选择：变压器的二次侧功率：； (2-4-14)一次侧的功率和二次侧功率是相等的3.触发电路的设计3.1集成触发电路本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如3-2所示：图3-2 集成触发电路3.2集成触发器电路图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）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3-3所示：图3-3集成触发电路电路图3.3触发电路4.保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1晶闸管的保护电路 晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图4-1所示：图4-1串联电感及熔断器抑制回路 晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图4-2所示：图4-2并联RC电路阻容吸收回路4.2交流侧保护电路晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图4-3所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 、 放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。图4-3反向阻断式过电压抑制RC电路4.3直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。图4-4直流侧阻容保护5.三相桥式整流电路MATLAB仿真5.1电路的构成及其工作原理三相桥式全控整流电路原理图如图2-1所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差23；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差，给分析带来了方便；当=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。0时，Ud的波形出现缺口，随着角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当=23时，输出电压为零，所以电阻性负载时，的移相范围是O23；当O3时，电流连续，每个晶闸管导通23；当323时，电流断续，个晶闸管导通小于23。=3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。5.2 整体电路图4-2三相桥式全控整流电路仿真模型根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图4-2所示，设置三个交流电压源V1，V2，V2相位角依次相差120，得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6个PULSE generator产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给16号晶闸管触发脉冲5.3参数的设置三相电源的相位互差120，交流峰值电压为159.55V，频率为50 Hz。晶闸管的参数为：Rn=O001 ，Lon=0000 1 H，Vf=0 V，Rs=50 ，Cs=25010-9。负载电阻