串联多重12脉整流电路课程设计.docx

36电力电子技术课程设计 班级 电气1002班 学号 姓名 扬州大学 能源与动力工程学院电气及自动化工程 二零一四年一月目录摘要1第1章 绪论21.1 电力电子技术的发展21.2电力电子技术在直流整流器上的应用31.3 整流器的发展31.4 本设计研究的主要内容及方法3第2章 总体设计方案52.1最优方案选取52.2系统原理简述及方框图52.3主电路设计：62.3.1晶闸管的选择及型号的确定82.3.2变压器的设计112.3.3触发电路的设计122. 4保护电路设计132.4.1过电压保护142.4.2过电流保护152. 5系统调试或仿真172.5.1串联12脉波整流电路建模182.5.2仿真结果与谐波分析22结论28课程设计总结29参考文献30摘要近些年来随着电力电子技术的快速发展，电力电子技术已广泛应用于各个领域。直流整流器是以电力电子技术为基础发展起来的。它是利用电力电子技术的基本特点以小信号输入控制很大的功率输出，放大倍数极高，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。利用这一特点能获得节能、环保、高效、高可靠性、安全良好的经济效益。整流电路是将交流电能变为直流电能的一种装置，整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。它的发展还与其他许多基础学科有着紧密的联系，如微电子技术、计算机技术、拓扑学、仿真技术、信息处理与通信技术等等。每一门学科或专业技术的重大发展和突破都为电力电子技术的发展带来了巨大的推动力。关键词：整流电路；控制电路；触发电路；保护电路；第1章 绪论1.1 电力电子技术的发展近年来电力电子技术发展异常迅速，新型元器件频繁换代、层出不穷，应用领域不断扩大，日趋成熟。电力电子技术在生产自动化、节能降耗、信息技术和日用电器等多方面越来越产生着举足轻重的影响。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的。早在20世纪三四十年代，人们就开始应用电机组、贡弧整流器、闸流管、电抗器、接触器等进行对电能的变换和控制，这样的变流装置存在着以下明显的缺点：如功率放大倍数低，相应慢，体积大，功耗大，效率低和噪声大。20世纪50年代初，普通的整流器SR(semiconductor rectifier)开始使用，实际上已经开始取代贡弧整流器。但电力电子技术真正的开始是由于19571958年第一个反向阻断型可控硅SCR(silicon controlled rectifier)的诞生，后称晶闸管(thyristor)。一方面由于其功率变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，是电子技术步入了功率领域。变流装置有旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。 20世纪70年代后期，尤其是20世纪80年代以后各种高速、大功率、全控型的器件先后问世，并获得迅速发展。如可关断晶闸管GTO(gate-turn-off-thyristor)、大功率(巨型)晶体管GTR(giant transistor)、功率场效应晶体管Power MOSFET（Metal-Oxide Semiconductor）等。随着集成工艺的提高和突破，20世纪80年代中期电力电子的另一个重要进展是诞生了功率集成电路，也称PIC（Power IC）和智能功率模块IPM（intelligent power model）。这些期间实现了功率器件与电路的总体集成，它使微电子技术与电子技术相辅相成，把信息科学融入功率变换。新型的电力半导体器件的特点是：全控化、集成化、高频化、高效率、低谐波、高功率因数、变换器小型化、控制技术数字化和微机化。电力半导体器件特性的每一步新发展都引起了变换电路和控制技术的相应突破。总之，电力电子装置在减小体积和重量、提高效率、增加快速性以及增高电压、扩大电流、提高频率等方面均会有较大的进展。由于有性能优良的电力半导体开关器件、性能大为改善的磁性和绝缘材料、计算机、大规模集成电路技术、频率高达兆赫及的电能处理方法、新型电路拓扑结构及分析方法的不断突破，使今天的电力电子技术具有全新面貌。1.2 电力电子技术在直流整流器上的应用在电力电子技术中把交流电压换成固定或可调的直流电压，即为AC/DC变换，如可控整流器。传统的AC/DC变换是利用晶闸管和相控技术，依靠电网电压换流实现的。直流整流器就是利用这种技术来实现对所需调压范围进行控制的。至今工业中应用的大多数是这类整流装置，其电路拓扑早在闸流管时代已基本确定。为了满足我国经济的高速发展，工农业大生产及科研、国防的需要,应大力发展中大型可调电源成套装置。例如大型高电压电力试验站，大型加热及自动控温装置，电机、变压器、电气开关等。生产大中型可调电源成套装置，必须对各类整流器的单机容量、质量标准及特殊使用要求等提出新的课题研究。1.3 整流器的发展传统的整流器主要使用变压器的原理根据所需电压的大小来进行调节，这种整流器存在着调压范围窄、装置体积大、不易操作、谐波干扰等诸多问题。随着电力电子技术的迅速发展，利用可控整流器，通过控制晶闸管导通和关段的时间进行调压。相控晶闸管具有对称的阻断特性和较低响应速度，这类整流的特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。相控整流器存在的问题是产生低次谐波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严重影响。1.4 本设计研究的主要内容及方法根据电力电子器件以及电力电子技术对整流电路进行设计，计算出相关元器件的数值，熟练掌握晶闸管及整流管的工作特性。结合所学的知识设计主电路，阐述串联多重12脉整流电路的工作过程及波形；主电路中所用器件的参数计算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。其次研究了晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节的工作状况；从而使整流装置的各项指标达到设计的要求。对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。第2章 总体设计方案2.1最优方案选取应用最为广泛的整流电路有：单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波可控整流电路、三相不可控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路、串联12脉波全控整流电路、并联12脉波全控整流电路。本文需设计的整流器交流电源是三相的，所以单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路都不适用于本次设计。三相半波可控整流电路、三相不可控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路，都不适用于大功率整流电路，所以本次设计没有采用。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路、串联12脉波全控整流电路、并联12脉波全控整流电路，都适用于大功率整流，但带平衡电抗器的双反星形可控整流电路多适用于需要输出低电压大电流的装置。对于交流输入电流来说，采用串联12脉波整流电路和并联12脉波整流电路的效果是相同的。由于可控整流装置用来驱动直流电动机(其容量较大)，容易引起交流侧的高次谐波，对电网的干扰严重。采用12脉波全控整流电路（多重化整流电路），这种整流电路的功率因数较高，对减少电网中的谐波干扰十分有效，可以有效地消除电力系统中较高次数的谐波。并联12脉波全控整流电路带有平衡电抗器，而串联12脉波全控整流电路则没有，其对材料的消耗大于串联12脉波全控整流电路，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的，其成本也比串联12脉波全控整流电路高，而且其接线也比串联12脉波全控整流电路复杂。根据以上分析比较，本次设计采用串联12脉波整流电路比较适合2.2 系统原理简述及方框图整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路滤波电路组成。根据设计任务，将三相10kV交流电源经变压器变压，再经整流电路整流输出带脉动的直流电，再经滤波电路滤波得到直流电，其中保护电路为保证此整流电路安全可靠的工作，驱动电路是整流电路的控制电路，控制整流后输出直流电压Ud在0660V连续可调。在此设计中采用串联12脉波整流，方框图如图2.1所示。 图2.1方框图2.3主电路设计：整流电路工作原理3个相差的三相电源电压，可以通过变压器的适当联结，能够获得一组相位依次相差的六相电源电压，从而得到六相整流电压。为获得12脉波整流装置，需要的到十二相电源，采用方法如图2.2所示。图2.2主电路图2.2是移相构成串联2重联结电路的原理图，整流变压器二次侧绕组分别采用星形和三角形接法，使两组三相交流电源间相位错开，其大小相等，从而使输出整流电压在每个交流电源周期中脉动12次。因为绕组接法不同，变压器一次绕组和二次绕组的匝数比为。可将桥I和桥 II看成两相同3相桥串联而成，只是两桥间相位相差。三相桥式全控电路分析对于三相桥式全控整流电路，其工作原理如图2.3所示，习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（,）称为共阴极组；阳极连接在一起的的三个晶闸管（,）称为共阳极组，此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通。为此将晶闸管按图2.3的顺序编号。图2.3三相桥式全控电路图为简单起见，在分析整流电路工作时，认为晶闸管（SCR）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于晶闸管阻断时其漏电流等于0。假设将电路中晶闸管换为二极管，这种情况就相当于触发角为时的情况。此时共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而共阳极组则是阴极所接交流电压最小的一个导通。此时电路电压工作波形如图2.4所示。 图2.4电压波形串联12脉波全控整流电路分析 由于串联多重化整流电路相当于俩三相桥式全控整流电路串联，两桥间相位差为，所以将两相位差为的三相桥式全控电路电压波形叠加即可得到串联12脉波全控整流电路电压波形（如图2.5所示），其中粗红线为实心点为a，b，c自然换相点，空心点为，的自然换相点。图2.5串联12脉波全控制整流电路电压波形2.3.1晶闸管的选择及型号的确定触发电路的类型很多,各有其特点。在选择触发电路时，应根据系统的要求合理选择。 对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲触发。一、主电路二次侧是有两个分别采用采用星接和角接的三相全控桥式整流电路，对于二次侧采用星接的整流电路其晶闸管的参数有以下计算得出晶闸管的有效值：晶闸管通态平均电流：取安全裕量= 2 ,则所选晶闸管电流值为： (2.3)在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受电压极值为即即, 为二次侧相电压有效值。的确定：由, Ud =Ud1 +Ud2可得:其中U0=440V,由于变压器的一次侧和两组二次侧的匝数比为1:1:,为可靠换相,取=30,则因为U1存在10%的波动，同样U12也存在，则所求晶闸管电压值取安全裕量= 2 ,则所选晶闸管电压值为434V。所以，星接三相全控整流电路的晶闸管应选取134A、434V的晶闸管，型号由网上查得为 TC161-160。二、二次侧为角接三相全控整流电路的晶闸管的选取 对于二次侧采用角接的整流电路其晶闸管的参数有以下计算得出晶闸管的有效值：晶闸管通态平均电流：取安全裕量= 2 ,则所选晶闸管电流值为： (2.10)在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受电压极值为即即, 为二次侧相电压有效值。的确定：由, Ud =Ud1 +Ud2可得:其中U0=440V,由于变压器的一次侧和两组二次侧的匝数比为1:1:,为可靠换相,取=30,则因为U1存在10%的波动，同样U12也存在，则所求晶闸管电压值取安全裕量= 2 ,则所选晶闸管电压值为750V。所以，角接三相全控整流电路的晶闸管应选取134A、750的晶闸管，型号由网上查得为 TC161-160。2.3.2变压器的设计变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1: 1:.IA基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn分别如输入电流谐波次数为，其幅值与次数成反比而降低。该电路的其他特性如下：直流输出电压：位移因数：功率因数：变压器的容量：S=S1+S2 (2.19) 由副边要求可知的变压器相电流有效值为 I1=Id2=Id=200A (2.20)则星变压器相电流有效值为：由副边要求Id, =200A的变压器相电流有效值为:由2.6式则S1=由3.3式则S1= (2.21)因为是三相桥式可控整流电路，所以：S= (2.22)取S为40KV*A，则变压器的容量为40KV*A. 2.3.3触发电路的设计为了保证电路合闸后能工作，或在电流断续后再次工作，每个星接或者角接电路必须有两个晶闸管同时导通，对将要导通的晶闸管施加触发脉冲，由于星接和角接只是相位不同，原理相同都是三相桥式可控电路，故以下只要对其中一种进行研究即可。KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。使用2块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。KJ041电路内部原理图如下，图中输出端如果接3DK4作功率放大，可得到800mA的触发脉冲电流。使用2块KJ041电路相应输人端并联，二个控制端分别作为正反组控制输入端，输出接12个功率放大管，这样就可组成一个12脉冲正反组控制可逆系统，控制端逻辑“0”电平有效。 图2.6 KJ内部原理图封装形式：该电路采用双列直插C16线白瓷和黑瓷两种外壳封装，外形尺寸按电子工业部部颁标准半导体集成电路外形尺寸SJ110076功能输入端控制端地空输出端+Vcc引出脚号1 2 3 4 5 678911 12 13 14 1516KJ004电参数：1.电源电压：直流+15V、-15V，允许波动5%(10%时功能正常)。2.电源电流：正电流15mA，负电流10mA。3.同步电压：任意值。4.同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值）5.移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k)6.锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。7.输出脉冲：(1)宽度：400S2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)。(2)幅度：13V.(3)最大输出能力100mA(流出脉冲电流)。(4)输出管反压：BVCEO18V(测试条件Ie100A)。8.正负半周脉冲相位不均衡30。9.使用环境温度为四级：C：070 R： -5585 E：-4085 M：-551252. 4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要弱得多，极短时间的过电流和过电压就会把器件永久性的损坏。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。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。2.4.1过电压保护过电压保护按保护的部分划分为变压器保护和整流晶闸管器件保护。凡是元件在运行过程中，在整流晶闸管两端的电压超过其正常工作时的最大峰值电压的任何电压都是过电压。常见的过电压有两种：操作过电压和浪涌过电压。操作过电压通常由整流装置的拉闸、合闸等电磁剩引起的。这种过电压是不可避免的，也是经常发生的。浪涌过电压主要是由于雷击等原因由供电电网侵入整流装置的偶尔性的过电压。虽然是偶尔性的，但这种浪涌电压的幅值会比操作过电压要高的多。进行过电压保护的原则是采取有效保护措施，使经常发生的操作过电压被限制在整流晶闸管的额定工作电压以下；并且使偶然发生的浪涌电压限制在整流晶闸管器件的反向不重复峰值电压以下。变压器过电压保护RC过电压抑制电路（如图2.7所示）通常并联在变压器次级，以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容的电场能储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能产生的振荡。图2.7 RC过电压抑制电路 (2.23)单相整流电路RC参数的计算公式为: (2.24)电容Ca的耐压: 电阻的值: (2.25)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）； 励磁电流百分数，当伏安时，； 变压器的短路比，变压器容量为101500KVA时， 上述和值的计算公式（2.23）和（2.24）是依单相条件推导得出的，对于三相电路, 和的数值应按表2.1进行相应换算。表2.1变压器阻容装置不同接法时电阻和电容的数值变压器接法单相三相，次级接三相，次级接阻容装置接法与变压器次级并联接接接接电容（） 电阻（） 晶闸管换相过电压保护电路通常在晶闸管两端并联RC电路如图2.8所示，串联电阻R的作用一是阻尼LC回路的振荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率 实际应用中，R、C的值可按经验数据选取，如表2.2所示。表2.2 与晶闸管并联的阻容电路经验数据晶闸管额定电1020501002005001000电容0.10.150.20.250.51 2电阻10080402010522.4.2过电流保护电力电子电路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。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。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70A,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105A。带保护电路的整流电路图如图2.8所示 图2.8带保护电路的整流电路2. 5系统调试和仿真MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Simulink是MATLAB各种工具箱中比较特别的。Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。图2.9为串联12脉波原理图，其中和为2组整流桥串联；为整流变压器，其二次侧的绕组，和，分别采用形和形联结，构成相位差的两组电压，而形联结的变压器二次侧绕组相电压为星形二次侧绕组相电压的倍，这样2组交流电源的线电压相等。 图2.9 12脉波串联整流电路原理图2.5.1串联12脉波整流电路建模 串联12脉波整流电路主电路由三相对称交流电压源、整流变压器、晶闸管整流桥、同步脉冲触发器、RLC负载等部分组成。同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的2个环节，2个晶闸管整流桥串联联结给负载供电，在Simulink环境下串联12脉波整流电路的仿真模型如图所示：图2.10串联12脉波整流电路仿真图模型参数设置三相对称交流电压源参数设置：为了便于观察三相对称交流电压源的幅值设为220V，频率为50Hz，相位分别为、。三相变压器参数设置：采用3绕组三相变压器，1次侧绕组采用Y形接线方式，2次侧绕组分别采用Y形和形接线方式。为了便于观察，3个绕组的额定电压分别取380V，220V，220V。图2.11三相对称交流电压源参数设置三相晶闸管整流桥参数设置：使用默认值。图2.12 三相晶闸管整流桥参数设置负载参数设置：R取100，L取0，C取inf。图2.13 负载参数设置同步脉冲触发器设置：频率为50，脉冲的宽度取20degrees，选取双脉冲触发方式。选定触发角为图2.14 同步脉冲触发器设置仿真参数设置仿真时间设为，数值算法采用ode23tb，完成上述步骤后运行仿真模型，从示波器中观察输出波形。图2.15仿真参数设置2.5.2仿真结果与谐波分析图3.1电阻负载时输出的电流图3.2电阻负载时输出的电流输出电压电流波形和谐波分析由于为电阻性负载，输出电压和电流的波形形状相同，只是大小不同。输出电压波动较小，一周期有12个波头，谐波含量较低，总谐波含量(THD)仅为1. 52%,谐波次数为12k(k=l, 2, 3,)次，其中主要为12次,含量为1. 45%.当负载为阻性负载，负载电流的谐波含量与输出电压相同，当负载为感性时，由于电感的滤波作用，负载电流的波动更小，谐波含量更少。在整流变压器二次侧三角形接线方式的三相线电流ia3、ib3、ic3和星形接线方式处的三相线电流ia2、ib2、ic2电流波形都是三相对称的周期波形，由于二次侧2个绕组采用Y - 接线方式的缘故，其接线比Y形接线滞后30。 三相线电流ia2、ib2、ic2、ia3、ib3、ic3的波形如图图3.3三相线电流ia2波形图3.4三相线电流ib2波形图3.5三相线电流ic2波形图3.6三相线电流ia3波形图3.7三相线电流ib3波形图3.8三相线电流ic3波形整流变压器形接线时的相电流与线电流不同，相电流折算到变压器一次侧绕组中的线电流是副边的3倍，形接线时折算到原边的三相线电流iab、ibc、ica.整流变压器Y形接线折算到一次侧的电流保持不变。整流变压器一次侧的三相线电流iA1、iB1、iC1分别为ia2与iab、ib2与ibc、ic2与 ica的和。分别对整流变压器Y形接线的线电流ia2、形接线时折算到原边的线电流 iab、一次侧的线电流iAl进行傅立叶变换，可得： 从上式可以看出Y形接线的线电流ia2和形接线时折算到原边的线电流 iab的谐波含量完全相同，都有6k1次谐波，只是ia2与iab中5、7、17、19 次的谐波符号相反，11、13、23、25次谐波符号相同，而iAl所含的谐波次数为 12kl次。由傅立叶分解式可以看出，由于采用移相变压器, 两组变压器的副边电流的5、7、17和19次谐波数值相同，符号相反，相互抵消, 只剩下11、13、23和25次谐波