三相桥式全控整流电路的设计

目 录第1章 绪论11.1设计目的11.2设计意义1第2章 设计总体思路32.1设计思路32.2 基本原理32.3 基本框图4第3章 单元电路设计53.1 主电路53.2 触发电路63.3 保护电路9第4章 电路分析与仿真124.1 带电阻负载电路分析与仿真124.2 带阻感负载电路分析与仿真14 总结16 附录一总电路图17第1章 绪论1.1 设计目的1、通过对三相桥式电路的设计,掌握整流电路的工作原理,提高我们的运用科学理论知识能力、工程实践能力2、通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法。1.2 设计意义 电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。我国目前仍旧是一个发展中的国家，尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。而电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。毫无疑问，电力电子技术是提高这些产业技术水平的重要手段，它是对我国传统产业实现技术改造、建立自动化工业体系的关键应用技术。下面就电力电子技术在国民经济各部门的应用进行简要讨论。概括起来说，电力电子技术主要应用于电机调速传动、工业供电电源、电力输配电和照明四大方面。自20世纪50年代末开始，电力电子技术在应用需求的推动下迅速发展成一门崭新的技术。可以预见，在21世纪，电力电子技术在现代化社会的建设中的应用将起着重要作用并得到飞跃性的发展。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足，直流电是一种能够储备的能源，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。晶闸管在整流电路中充当一个非常重要的角色，本次设计采用的主要器件就是晶闸管。第二章 设计总体思路2.1设计思路 三相桥式全控整流电路的功能是将三相交流电能变为直流电能供给直流用电设备。 三相桥式全控整流电路可分为三部分电路模块：主电路模块，触发电路模块，保护电路模块。主电路模块，主要由三组两串联晶闸管并联而成。触发电路模块组成为，3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成流露双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大。保护电路模块有过电流保护，过电压保护。2.2 基本原理 一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）两管同时形成供电回路，其中共阴极和共阳极组各一组，且不能为同一组器件。（2）对脉冲的要求：1）按的顺序，相位依次差60。2）共阴极组、的脉冲依次差120，共阳极组、也依次差1203）同一相的上下两个桥臂，即与、与、与，脉冲相差180（3）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。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉动，可采取两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）。（5）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2.3 基本框图图2-1第三章 单元电路设计3.1 主电路1、三相桥式全控整流主电路运用的开关器件为晶闸管。晶闸管为半控型器件，其主要控制方式为相控方式，并通过门极控制来使其导通或关断。图3-1为在阻感负载下三相桥式全控整流主电路图。图3-12、晶闸管的选择（1）晶闸管额定电压的选择在整流装置中晶闸管额定参数的选择，注意根据晶闸管整流装置的工作条件，并适当考虑一定的安全余量。晶闸管的额定电压是指断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的值。因为晶闸管在不同电路中所承受的峰值电压，考虑电源电压的波动及过电压保护等因素，选用时，额定电压应为事迹所承受的峰值电压UTM的23倍。即： =(23) 式中 晶闸管额定电压，V； 晶闸管实际所承受的峰值电压，V。（2）晶闸管额定电流的选择晶闸管的额定电流是按电流的平均值标定的，它是通态平均电流的1.57倍。即 使用时，要求而定电流大于实际流过晶闸管电流的最大有效值,即 式中 k计算系数，； 电流波形系数，； 负载评价电流； 流过晶闸管的平均电流。由于晶闸管的过载能力差，因而选用晶闸管的值应是实际流过晶闸管电流的最大有效值的1.52倍。即： =（1.52） 由上式可知，若已知的值则可确定的值；反之，若已知 的值，亦可确定的值。晶闸管电流的有效值=0.577晶闸管的额定电流 ）=0.3683.2 触发电路 触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠出发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的电器隔离。晶闸管可控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的交流器广泛应用的是晶闸管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功率低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。此外就是采用集成触发产生触发脉冲。KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲分选及脉冲放大几个环节。1、触发电路图图3-22、KJ004可控硅移相电路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。KJ004KJ004 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。KJ004KJ004 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。3、KJ041 可控硅移相触发器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。KJ041电路是脉冲逻辑电路。当把移相触发器的触发脉冲输入到KJ041电器的16端时,由输入二极管完成“或”功能,形成双脉冲,再由T1T6电流放大分六路输出。T7是电子开关,当控制7端接逻辑“0电平时T7截止,各路输出触发脉冲。当控制7端接逻辑“1”电子(+15V)时T7导通,各路无输出触发脉冲。3.3 保护电路我们不可能从根本上消除生产过程中过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能力，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效的抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。图3-31、晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。图3-42、晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种措施;快速熔断器的接法有三种：桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。直流快速开关过电流保护功能好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥串快熔接法。图3-5第4章 电路分析与仿真主电路负载有电阻负载和阻感负载两种。因为电阻为线性负载，其输出电压和电流波形形状应该一致切电压和电流大侠突变显著。电感为储能元件，在阻感负载的情况下，电流突变不明显。下面为用MATLAB对在两种不同负载下的三相全控整流电路电路进行仿真。4.1 带电阻负载电路分析与仿真（1）参数：电源相电压为220V，整流变压器输出为110V相电压，电阻负载，整流器输出电压平均为202.6V。（2）参数分析：由整流器输出电压平均值：可得触发角=38（3）仿真模型：因为考虑到变压器漏感对整流电路的影响，所以在设计仿真模型时直接给整流器输入110V的相电压。图4-1（4）仿真波形：分别为整流器交流侧电流波形、输出电压波形、输出电流波形和输出电流平均值波形图4-24.2 带阻感负载电路分析与仿真（1）参数：电源相电压为220V，整流变压器输出为110V相电压，电阻负载，电感触发角。（2）参数分析由整流器输出电压平均值：可得=128.7V（3）仿真模型：因为考虑到变压器漏感对整流电路的影响，所以在设计仿真模型时直接给整流器输入110V的相电压。图4-3（4）仿真波形分别为整流器交流侧电流波形、输出电压波形、输出电流波形和输出电流平均值波形图4-4总结随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的我们来说掌握电子的开发技术是十分重要的。回首这两周的学习和实践，发现自己还是收获颇丰。通过对课题的研究，让自己不只是对本门学科的知识有了更加深刻的印象，课题中涉及到一些我们学过的知识，也有还未曾接触的学科，让我们有机会复习了以前的知识，也主动去了解相关的一些的资料，将不同书本上的知识结合到了一起。然而要完成课题团队的合作也是必不可少的，设计的过程中也遇到了很多问题都是一个人解决不了的，在最初的课题思路的设计中就感觉到课题有一定的难度，觉得无从下手，相关的知识也不知道要怎样融合，所以久久没有开始。之后在老师的指导下，组员们发扬团结协作的精神，分工合作，将问题逐个解决，最后完成了任务。通过本学期对电力电子基础知识学习以及此次为期两周的课程设计，让我们这门学科有了更好的掌握，在实践的过程中，培养我的综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼自己的实践能力，也让我体会到了团体合作的重要性。总的来说这个设计还是比较顺利的，在这里要感谢老师的指导，感谢同学们的帮助。正是有了这样一个机会才让我不仅在学识和能力上有了提高，也让同学之间有了好的默契和合作。附录总电路图1、主2、触发电路图3、总电路图参考文献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，200