电力电子课程设计-三相桥式可控整流电路的设计.doc

电力电子技术课程设计说明书 三相桥式可控整流电路的设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称/学位 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气1304班 学 号： 完成时间： 2016年06月 摘 要电力电子技术在当今社会的应用十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。整流电路尤其是三相桥式可控整流电是电力电子技术中最为重要，也是应用的最广泛的电路。不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。因此，对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义。这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。该课题中在对三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路做出理论分析的基础上，建立了基于MATLAB/Simulink的三相桥式整流电路的仿真模型，并对其带电阻电感性负载时的工作情况进行对比分析与研究。用MATLAB软件自带的Power System工具箱进行仿真，给出了仿真结果，验证了所建模型的正确性。关键词：三相桥式全控整流电路；晶闸管；触发角目 录1 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文设计内容12 总体方案设计22.1 方案论证22.2 方案选择23 主电路设计33.1 三相桥式可控整流电路原理33.2 主电路分析33.3 参数计算与器件选择33.3.1 整流变压器的选择33.3.2 晶闸管的选择43.3.3 平波电抗器的选择54 控制电路设计65 仿真分析85.1 过电压保护85.2 过电流保护86 仿真分析106.1 仿真模型的建立及仿真电路106.2 仿真参数设置106.3 仿真效果图及仿真分析11参考文献13致 谢14附 录15附录A 主电路15附录B 触发电路161 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。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。它的应用十分广泛，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。1.2 本文设计内容技术要求:（1）电网供电电压为三相线电压380V，50HZ。（2）输出电压为0100V连续可调。总体框架图：图1 总体框架图162 总体方案设计2.1 方案论证本次设计的方案是，由于电网供电电压为三相线电压380V，50HZ，输出电压为0100V直流连续可调。所以在交流侧先用变压器进行降压处理，降压后送给可控整流模块进行整流，整流又可以分为不可控整流和可控整流。对与不可控整流来说它的输出电压是固定的，这样我们要想改变输出电压就只能通过更换变压器来解决，显然这样经济效率不高。对于不可控整流根据电力电子的理论知识我们可以知道，要想改变输出的电压，我们只需改变触发角即可。所以为了得到0100V连续可调的电压，我们选择可控整流的办法是很好的选择。2.2 方案选择三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少，所以采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高，和三相半波电路相比，在电源电压相同、控制角一样时，输出电压又提高了一倍。又因为整流变压器二次绕组电流没有直流分量，不存在铁心被直流磁化问题，故绕组和铁心利用率高，所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统，以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。3 主电路设计3.1 三相桥式可控整流电路原理图2 三相桥式全控主电路3.2 主电路分析考虑到电网供电电压为380V，所以在三相桥式可控整流电路当中的三相整流变压器用/Y-11。由三个共阳极晶闸管（VT1、VT3、VT5）和三个共阴极晶闸管（VD4、VD6、VD2）组成的电路做全控整流电路。三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路，如图2所示。在三相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有2个晶闸管，即用2个晶闸管同时导通以控制导电的回路。形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阳极组的，1个是共阴极组的，且不能为同1相的晶闸管。主电路对触发脉冲的要求是：6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60；共阴组极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120；同一相上下两桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。3.3 参数计算与器件选择3.3.1 整流变压器的选择由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V，由变压器为接法可知变压器二次侧相电压为：（1）变比为：（2）变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：（3）（4）而在三相桥式全控中（5）（6）所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：（7）变压器初级容量为：（8）变压器容量为：（9）即：（10）变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法，；次级绕组星形接法，；容量选择为9.46989kW。3.3.2 晶闸管的选择晶闸管的额定电压，由三相全控桥式整流电路的波形分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值（11）故桥臂的工作电压幅值为：（12）考虑裕量，则额定电压为：（13）晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为：（14）考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：（15）所以最后选择的晶闸管的型号为:KP5003.3.3 平波电抗器的选择为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要串联平波电抗器。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有：（16）其中， （单位为mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。由题目要求：当负载电流降至20A时电流仍连续。所以有：（17） 4 控制电路设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，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。根据设计要求及其分析，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的工作原理，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。原理图如下:图3 KJ004的电路原理图如图3 KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路类似。V1V4等组成同步环节，同步电压US经限流电阻R20加到V1、V2基极。在US的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在US负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|US|0.7V时，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5（即4#端电压）、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6导通。设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经（+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经 V13V15放大后输出负相脉冲。说明：(1) KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、VD6VD8为隔离二极管。(2) 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6进行脉冲功率放大。(3) 由于 V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差180的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，只需要三个与主电路同相的同步电压就行了。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压USa、USb、USc分别与同步变压器的USA、USB、USC相接 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。5 仿真分析5.1 过电压保护所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，其电路图如下：图4 过电压保护图产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上。电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压和关断过电压。5.2 过电流保护晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。 采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：（1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。（3）快熔的值应小于被保护器件的允许值。（4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。若晶闸管的额定电流取68A,因为快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为102A。6 仿真分析6.1 仿真模型的建立及仿真电路打开MTALAB软件：单击菜单栏上的 simulink 图标，打开 simulink library browser，点击 file 下的new model 建立一个新的模型窗口。在simulink library browser 中找到下面相应的模块，将它拖到 new model中。交流电源模块（Ac Voltage Source ）、6脉冲发生器（Synchronized 6-Pilse Generateor）、通用桥（Universal Bridge）、示波器（Scope）、电压测量模块（Voltage Measurement）、电流测量模块（Current Measurement）、RLC串联模块（Series RLC Load）、常量（Constant）、Multimeter；将上面所列出来的原件模块按照三相桥式可控整流电路的原理图连接好，如图5所示:图5 仿真电路图6.2 仿真参数设置本次仿真中，所带负载为感性负载，在这次仿真中，采用纯感性大电感负载。下面将对仿真电路进行参数设置。图6 参数设置6.3 仿真效果图及仿真分析感性负载分别在触发角为 30、60、90时的波形图7 触发角为30度时的仿真波形图8 触发角为60度时的仿真波形图9 触发角为90度时的仿真波形从以上仿真波形图可知，改变不同的控制角，晶闸管VT1的电流VTi和电压VTu随之减小，直至=90时基本为零。由于电感的存在，电流的波形基本趋于平直化。从仿真波形上看稍微有所波动，不过最终会趋向于零或是在零附近很小的范围内波动。波形与三相可控整流理论算出来的值一致，因此得到了正确的仿真结果。参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术M.第四版.北京：机械工业出版社，2015 2 贾周，王金梅，封俊宝.三相桥式可控整流电路的MATLAB仿真A，20093 曹太强.基于三相桥式可控整流电路的设计D，成都：电子科技大学，20044 焦宇辉.一种新的可控硅三相全波整流电路分析方法J.郑州大学学报，20005 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验M.北京：电子工业出版社，20076 臧小慧.基于Simulink的三相桥式全控整流电路