课程设计550W三相桥式可控整流实验装置.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 550W三相桥式可控整流实验装置 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103103 学学 号 号 100303088100303088 学生姓名 学生姓名 朱绍革朱绍革 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 202012 12 31至至2012 1 11 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 电气 本科生课程设计 论文 II 学 号100303088学生姓名 朱绍革专业班级电气103 课程设计 论文 题目 550W三相桥式可控整流实验装置三相桥式可控整流实验装置 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 为了电力电子技术课程的教学实验 设计此装置 使学生通过该装置测试 观察三相桥式可控整流的各个参数及波形 通过实验验证所学的理论知识 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 要求要求 1 文字在 4000 字左右 2 文中的理论分析与计算要正确 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 110V连续可调 3 整 流输出电流最大值5A 4 负载 纯电阻 阻感 直流电动机 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 III 摘 要 电子技术的应用已深入到工农业经济建设 交通运输 空间技术 国防现代 化 医疗 环保 和亿万人们日常生活的各个领域 进入 21 世纪后电力电子技 术的应用更加广泛 因此对电力电子技术的研究更为重要 近几年越来越多电力 电子应用在国民工业中 一些技术先进的国家 经过电力电子技术处理的电能已得 到总电能的一半以上 本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电 路的原理及控制电路图 由工频三相电压 380V 经变比为四比一的降压变压器后提 供给直流测的晶闸管 由集成触发电路 KJ004 对晶闸管进行控制其导通角 从而 控制直流输出的直流电压 给负载供电 通过接入电路的阻值对电流进行控制 电流需要注意的是接入点路的电阻值不能小于 55 关键词 三相 整流 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 本文设计内容 2 第 2 章 系统电路的设计 3 2 1 实验装置的整体框图设计 3 2 2 具体电路设计 4 2 2 1 主电路设计 4 2 2 2 三相桥式全控整流的特点 4 2 2 3 三相桥式整流的波形 4 2 2 4 触发电的设计 4 2 2 5 保护电路设计 4 2 2 6 晶闸管保护电路 4 2 2 7 交流侧保护电路 4 2 2 8 直流侧阻容保护电路 4 2 2 9 电路的测试点 4 2 2 10 主电路的设计 4 第 3 章 参数的计算及器件的选择 4 3 1 参数的计算 4 第 4 章 总结 4 参考文献 4 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 电力电子技术概况 电力电子技术是以功率处理和变换为主要对象的现代工业电子技术 当代工 农业等领域都离不开电能 离不开表征电能的电压 电流 频率 波形和相位等 基本参数的控制和转换 而电力电子技术可以对这些参数进行精确地控制与高效 整流电路技术在工业生产上应用极广 如调压调速直流电源 电解及电镀的直流 电源等 整流电路就是 把交流电能转换为直流电能的电路 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 整流电路通常由主电路 滤波器和变压器组成 20 世纪 70 年代以后 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 可减小电网与电路间的电干扰和故障影响 整流电路的种类 有很多 有半波整流电路 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 把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流 整流器的 输入端一般接在交流电网上 为了适应负载对电源电压大小的要求 或者为了提 高可控整流装置的功率因数 一般可在输入端加接整流变压器 把一次电压 U1 变成二次电压 U2 由晶闸管等组成的全控整流主电路 其输出端的负载 我们研 究是电阻性负载 电阻电感负载 如直流电动机的励磁绕组 滑差电动机的电枢 线圈等 以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压 为此 只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚 就能改变晶闸管在交流电压 U2 一周期内导通的时间 这样负载上直流平均值就可以得到控制 本科生课程设计 论文 2 1 2 本文设计内容 为了电力电子技术课程的教学实验 设计此装置 使学生通过该装置测试 观察三相桥式可控整流的各个参数及波形 通过实验可以验证所学的理论知识 本文设计的内容主要包括整流 触发电路 及测试点 首先交流电源为三相 380V 交流电压 通过整流器整流输出电压 Ud在 0 110V 连续且可调 其整流输 出电流最大值 5A 负载包括纯电阻 阻感 直流电动机 根据实际工作情况 最小控制角取 20 300左右 同学们即可通过测试点对三相桥式可控整流各个部 分的数值进行测试 以对三项桥式可控整流有进一步的了解 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 系统电路的设计 2 1 实验装置的整体框图设计 三相桥式可控整流电路总体方案框图如图 2 1 所示 主要包括整流 触发及 测试三大部分 整流主要为三相桥式整流电路 触发电路设计主要用 KJ004 构成 的集成的集成触发器 当电路接阻感负载时通过测试点对电路进行测试 从而来 验证所学理论的正确与否 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 采用锯齿波同步 KJ004 集成触发电路 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 框图中没有表明保护电路 当接通电源时 三相桥式全控整流电路主电路通 电 同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作 形成触发脉冲 使主电 路中晶闸管触发导通工作 经过整流后的直流电通给负载 使之工作 图 2 1 整体结构框图 交流电源 三项可控整流 装置 变压器 同步电路 触发电路 负载 电路测试点 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 实验参数设定负载为 110V 5A 的直流电机 采用三相整流电路 交流测由 三相电源供电 设计要求选用三相桥式全控整流电路供电 主电路采用三相全控 桥 如图 2 2 所示 为三相桥式全控带阻感负载 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 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 变压器为型接法 变压器二次侧接成星形Y 得到零线 而一次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电网 2 2 2 三相桥式全控整流的特点 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 1 相器件 图 2 2 主电路图 本科生课程设计 论文 5 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 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 ud 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 2 3 三相桥式整流的波形 当 60 度时 ud 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 ud 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 id 波 形不同 电阻负载时 ud 波形与 id 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 3 和图 2 4 分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负 载 0 度和 30 度的波形 图 2 3 为零度的波形图 图 2 4 为六十度的波形图 本科生课程设计 论文 6 图 2 5 为为九十度时的波形图 当 60 度时 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同 电阻负载时 ud 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 波形会出现负的 部分 图 2 5 给出了 90 度时的波形 若电感 L 值足够大 ud 中正负面积将基 本相等 ud 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 度 2 2 4 触发电的设计 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 其原理图如图 2 6 本科生课程设计 论文 7 如图 2 6 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相似 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 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 图 2 6KJ004 的原理图 本科生课程设计 论文 8 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 R25 和 C2 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 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 的脉冲产生 这样 要获得三相全控桥式整流电路脉冲 需要六个与主电路 同相的同步电压 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 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 2 7 所示 本科生课程设计 论文 9 2 2 5 保护电路设计 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 图 2 7 三相桥式全控触发电路 本科生课程设计 论文 10 2 2 6 晶闸管保护电路 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 2 8 所示 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 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 2 9 所示 2 2 7 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 2 10 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 图 2 8 串联电感及熔断器保护电路 图 2 9 并联 RC 阻容吸收回路 本科生课程设计 论文 11 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 2 2 8 直流侧阻容保护电路 直流侧也可能发生过电压 在图 2 11 中 当快速熔断器熔断或直流快速开关 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 2 10 反向阻断式过电压抑制 RC 电路 本科生课程设计 论文 12 2 2 9 电路的测试点 本实验主要是为了对电路的正确与否进行测试 故需设计测试点 其主要对 图 2 2 直流电动机两侧的电压 流过直流电动机的电流 及其波形进行测试 在 设计时要主意留出电压 电流测试点即可 图 2 11 直流侧阻容保护 本科生课程设计 论文 13 2 2 10 主电路的设计 整体电路图如下图 2 13 图 2 13 整体电路图 本科生课程设计 论文 14 第 3 章 参数的计算及器件的选择 3 1 参数的计算 由于设计电路的交流电源 三相 380V 整流输出电压 Ud在 0 110V 连续可 调 整流输出电流最大值 5A 负载 直流电动机 根据实际工作情况 最小控制 角取 20 300左右 1 根据输出电压及最大输出电流可以确定直流电动机的电枢电阻 2 变压器的变比 则二次电压为 3 当 整流输出电压连续时 即带阻感负载时 或带电阻负载 a 60 时 的 平均值为 由于输出直流电压在 0 110V 可调 二次测电压为 95V 根据以上公史可以 求出角的控制角度为 60 度到 90 度之间 4 晶闸管额定电流 额定电压的选择 1 晶闸管承受最大正反向电压为 为变压器二次线电压峰值 即 55 5 110 ImA VUm R 4 1 1 2 U U V U 95 2 cos34 2 sin6 3 1 2 3 2 3 2d UttdUU V UU 2339545 2 6 2max 本科生课程设计 论文 15 2 流过晶闸管的平均电流 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 2 3 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 5 2 倍 通过计算可以得出额定电压在 466 699V 额定电流在 6 63 8 84A AA I I d VT 42 4 3 5 3 本科生课程设计 论文 16 第 4 章 总结 这是继模拟电子技术课程设计之后的第二个学科课程设计 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 所以这个知识点我掌握的比较透彻 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 仿真做完了之后是做硬件实验 由于条件所限老师只让我们画出电路板就可 以了 硬件部分是这次课程设计的重点难点 尤其是画 PCB 板 画 PCB 板一般是 用 Protel 软件 由于之前没有接触过 Protel 所以在接到任务后马上去图书馆借 了两本关于 Protel 速成使用的参考书 经过突击对 Protel 的使用基本上有了了解 首先是画原理图 原理图中的触发模块和保护模块都是直接使用课本上的 由于 许多元件 Protel 都没有 还得自己画 特别注意要封装 关键是接下来把原理图 转化为 PCB 板 这涉及到许多步骤 如敷铜走线等 布线时先手工布线得到一个 电路的大体布局 再使用自动布线 这一步是在其他同学的帮助下完成的 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