220V／100A三相桥式可控整流电路14.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 220V 100A三相桥式可控整流电路三相桥式可控整流电路 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 20201 7 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 220V 100A三相桥式可控整流电路三相桥式可控整流电路 课程设计 论文 任务 课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数 实现功能实现功能 为 1 台额定电压 220V 功率为 20kW 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 设计任务设计任务 1 方案的经济技术论证 2 主电路设计 3 通过计算选择整流器件的具 体型号 4 若采用整流变压器 确定变压器变比及容量 5 触发电路设计或 选择 6 绘制相关电路图 7 完成 4000 字左右说明书 要求要求 1 1 文字在 4000 字左右 2 2 文中的理论分析与计算要正确 3 3 文中的图表工整 规范 4 元器件的选择符合要求 技术参数技术参数 1 交流电源 三相380V 2 整流输出电压Ud在0 220V连续可调 3 整 流输出电流最大值100A 4 直流电动机负载 5 根据实际工作情况 最小控 制角取20 300左右 进度计划 第 1 天 集中学习 第 2 天 收集资料 第 3 天 方案论证 第 4 天 主电路 设计 第 5 天 选择器件 第 6 天 确定变压器变比及容量 第 7 天 确定平 波电抗器 第 8 天 触发电路设计 第 9 天 总结并撰写说明书 第 10 天 答 辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 II 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 III 摘 要 将交流电变换为直流电称为 AC DC 变换 这正变换的 功率流向是由电源 传向负载 称之为整流 大多数整流电路由变压器 整流主电路和滤波器等 组成 它在直流电动机的调速 发电机的励磁调节 电解 电镀等领域得到广 泛应用 主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成 滤波器接在主电路与负载之 间 用于滤除脉动直流电压中的交流成分 变压器设置与否视具体情况而定 变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整 流电路之间的电隔离 整流电路的种类有很多 有 单相半波整流电路 单相全波整流电路 单 相桥式半控整流 电路 单相桥式全控整流 电路 三相桥式半控整流 电路 三 相桥式全控整流 电路等 本设计采用三相桥式可控整流 既三相桥式全控整流 从而实现 为 1 台额定电压 220V 功率为 20kW 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 关关键键词词 整流电路 变压器 晶闸管 触发电路 本科生课程设计 论文 IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力电子技术概况 1 1 2 本文研究内容 2 第 2 章 三相桥式可控整流电路设计 3 2 1 三相桥式可控整流电路总体设计方案 3 2 2 具体电路设计 4 2 2 1 主电路设计 4 2 2 2 控制设计 5 2 2 3 保护电路设计 6 2 3 元器件型号选择 7 2 4 系统调试或仿真 数据分析 8 第 3 章 课程设计总结 9 参考文献 10 本科生课程设计 论文 0 第 1 章 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 本文研究内容 将 380V 三相交流电源通过三相桥式可控整流电路为 1 台额定电压为 220V 功率为 20KW 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 设计任务包括以下几点 1 方案的经济技术论证 2 主电路设计 本科生课程设计 论文 1 3 通过计算选择整流器件的具体型号 4 若采用整流变压器 确定变压器变比及容量 5 触发电路设计或选择 6 绘制相关电路图 技术参数 1 交流电源 三相 380V 2 整流输出电压 Ud在 0 220V 连续可调 3 整流输出电流最大值 100A 4 直流电动机负载 5 根据实际工作情况 最小控制角取 20 300左右 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 三相桥式可控整流电路设 计 2 1 三相桥式可控整流电路总体设计方案 一 方案的选择 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 本科生课程设计 论文 3 380V 三相 交流电源 整流电路 触发电路 二 系统原理方框图 负载电路 保护电路 图 2 1 系统原理方框图 整流电路主要由驱动电路 保护电路和整流主电路组成 根据设计任务 在 此设计中采用三相桥式可控整流电路接阻感性负载 本科生课程设计 论文 4 2 2 具体电路设计 2 2 1 主电路设计 一 三相桥式可控整流电路的原理 图 2 2 三相桥式可控整流电路 根据本次设计要求 采用负载为阻感的主电路图如下 根据设计要求 输出电压 Ud 在 0 220V 连续可调 根据三相桥式全控整流电路计算公式 Ud 2 34U2cos 当 30 时 使电压 Ud 有最大值 Ud 2 34U2cos30 220V 从而得出 U2 109V 可通过变压器获得 当 90 时 使电压 Ud 有最小值 Ud 2 34U2cos90 0V 从而实现输出电压 Ud 在 0 220V 连续可调 整流输出电流最大值 100A Idmax Umax R 100A 所以 R 220 100 2 2 本科生课程设计 论文 5 综上可得触发角 取值为 30 90 下图为三相桥式整流电路带阻感负载 30 和 90 的波形图 当 a 60 Ud 波形连续 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 由 于负载不同 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 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 3 三相桥式全控整流电路阻感负载 30 度的波形 当 a 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U d 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 波形会出现负载带阻感负载时 三相全控桥式整流电路的 角移 相的范围是90 ud1 30 ud2 ud uabuacubcubaucaucbuabuac tO tO tO tO id ia t1 uaubuc 90 ud1 ud2 uacubcubaucaucbuabuacuab ud uac uab uac tO tO tO ubucua t1 uVT 1 本科生课程设计 论文 6 图 2 4 三相全控桥式整流电路带阻感负载 90 度时的波形 2 2 2 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 一 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 1112 16 1 15 1413943 5 7 8 R23 15V 15V 15V RP1R24 R2 R20 RP4 R5 R1R3R4R6R7R8 R12 R10R11R14 R19 R13 R25 R26 R27 R28 R20R22 R16 R17 R21 R18 R15 V3 V2 V1 V18 V19 V20 V4V5V6 V12 V13 V14 V15 V16 V9 V10 V11 V8 V7 V17 VS5 VS1 VS2 VS3 VS4 VS6 VS7 VS8 VS9 VD1 VD2 VD3 VD4VD5 VD6 VD7 C1 C2 ubuco us 本科生课程设计 论文 7 图 2 5KJ004 的电路原理图 如图 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 V1 V4 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 15V R3 VD1 V1 地 在 uS 负半周 V2 V3 导 通 电流途径为 15V R3 VD2 V3 R5 R21 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 V1 V3 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 15V R6 C1 R22 RP1 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 15V R25 V6 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 V9 V11 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 V13 V15 放大后输出负相脉冲 说明 本科生课程设计 论文 8 1 KJ004 中稳压管 VS6 VS9 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 VD6 VD8 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 VD1 VD12 组成六 个或门形成六路脉冲 并由三极管 V1 V6 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 RP1 RP3 为锯齿波斜率电位器 RP4 RP6 为同步相位 2 2 32 2 3保护电路设计 相对于电机和继电器 接触器等控制器而言 电力电子器件承受过电流和过 电压的能力较差 短时间的过电流和过电压就会把器件损坏 但又不能完全根据 装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数 必须充分发 挥器件应有的过载能力 因此 保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可 少的重要环节 电力电子器件的保护主要指过电压保护和过电流保护 一 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 2 6 过电压保护图 本科生课程设计 论文 9 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 二 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 tI 2 tI 2 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 2 3 元器件型号选择 由于三相桥式可控整流电路带阻感性负载主电路主要元件是晶闸管和变压 器 所以选取元件时主要考虑晶闸管和变压器的参数及其选取原则 一 晶闸管的主要参数如下 额定电压 UN 在选用管子时 额定电压应为正常工作峰值电压的 2 3 倍 以保证电路的 本科生课程设计 论文 10 工作安全 根据三相桥式可控整流工作原理 晶闸管所承受的最大反向电压Umax为 6 U2 265 9V 从而得出 UN 晶闸管的额定电压 UN 2 3 Umax 2 3 265 9 531 8 797 7V 额定电流 IN IVT Id Id 100A IVT 57 7A3 IN 1 5 2 IVT 1 57 55 1 73 5A IVT AV IVT 1 57 36 8A 通过以上计算分析 在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为 KP50A 二 变压器的变比及其容量 1 变压器的变比 若将变压器看作是理想变压器 不计变压器的励磁电流 根据变压器的磁动 势平衡原理 得 I1N1 I2N2 由此得出变压器的变比 K N1 N2 U1 U2 220 109 2 018 2 变压器的容量 S S U1 I1 U2 I2 U2 Id 109 100 1 09 104 W 考虑到安全性以及损耗问题 变压器应选变比为 2 018 容量为 2 104 W 3 平波电抗器的确定 如图 1 1 所示 id 波形在一个周期内有部分时间为零的情况 称为电流断续 与此对应 若 id 波形不出现为 0 的情况 称为电流连续 当 a 时 触发脉冲 到来时 晶闸管承受负电压 不可能导通 为了使晶闸管可靠导通 要求触发电 路有足够的宽度 保证当 wt 时刻晶闸管开始承受正电压时 触发脉冲依然存 在 这样 相当于触发角被推迟为 即 a 负载为直流电动机时 如果出现电流断流则电动机的机械特性将很软 从图 2 7 看出 导通角 越小 则电流波形的低部就越窄 电流平均值是与电流波形 的面积成正比的 因而为了增大电流平均值 必须增大电流峰值 这要求较多地 降低反电势 因此 当电流断续时 随着 Id 的增大 转速降落较大 机械特性较 软 相当于整流电源的内阻增大 较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花 其电流波形底部越窄 则其有效值越大 要求电源的容量也大 本科生课程设计 论文 11 图 2 7 为了克服以上缺点 一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器 用来 减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间 有了电感 当 u2 小于 E 甚至 u2 值变 负时 晶闸管仍然导通 只要电感量足够大就能使电流连续 晶闸管每次导通 180 度 这时整流电压 ud 的波形和电感负载电流连续时的波形相同 ud 的计算 公式也一样 针对电动机在低速轻载时电流连续的情况 给出 ud 和 id 的波形 如图 2 8 图 2 8 为保证电流连续所需要的电感值 L 可由下式求出 Idmin为最小负载电流 一般取电动机额定电流的 5 10 若取 5 则 Idmin 20K 220 5 4 55A 平波电抗器 L 2 87 U2 Idmin 2 87 109 4 55 69H 2 4 系统调试或仿真 数据分析 运用 MATLAB 软件对本三相桥式可控整流电路进行系统仿真