220V100A三相桥式可控整流电路(可编辑)

1、220V100A三相桥式可控整流电路 辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术课程设计 （ 论文） 题目 :220V/100A 三相桥式可控整流电路 院（系）:专业班级 : 学 号 : 学生姓名 : 指导教师 : （ 签字 ） 起止时间 : 课程设计 （论文）任务及评语 院（系）: 教研室: 学 号 课程设计 （论文） 题目 整流电路 课程设计 （ 论文 ）任务 求、技术参数 学生姓名 专业班级 220V/100A 三相桥式可控 课题完成的设计任务及功能、要 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 1 、方案的经济技术论证

2、。 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 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 1、交流电源：三相380V。2、整流输出电压 Ud在0220V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 20300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;

3、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 注： 成绩 ： 平时 20%论文质量 60%答辩 20% 以百分制计算 摘要 将交流电变换为直流电（AC-DC）称为整流。现在电子技术的应 用已深入到农业、工业、交通、医疗、国防等人们日常生活的各个领 域。 ? 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

4、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。 本设计以电力电子技术为基础 , 实现直流电动机的调速。 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。本课程设计主 要涉及以下几项数据的计算：当a角在30、90情况下的电压Ud、 U2,电阻R。通过计算确定晶闸管的额定电压 U,电流I,从而确定

5、所 需的晶闸管类型为KP50A通过计算确定变压器变比以及变压器容量 等。确定选取变压器容量为2*104W,变比为2.018的变压器。 关键词 ： 整流电路 ; 变压器; 晶闸管 ; 电动机 ; 滤波器。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 1 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 控制电路设计 9 2.2.3 保护电路设计 11 2.3 元器件型号选择 13 2.4 系统调试或仿真、数据分析 15 第 3 章 课程设计总结 16 参考文

6、献 17 绪论 电力电子技术概况 电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术 , 包括信息电 子技术和电力电子技术。 通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都 属于信息电子技术。 电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行 变换和控制的技术。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。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。变流技术也称为电力电子器 件的应用技术。 1974 年, 美国学者 W.Newell 用倒三角形对电力电子 学进行描述 , 认为电力电子

7、学是由电力学、电子学和控制理论三个学 科交叉而形成的。 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。 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

8、, 电解电源,同步发电机励磁 , 通信系统电源等。常分 为一下几类 : 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、 三相桥式全控整流电路等。 本文研究内容 本次课程设计的主要针对方向是三相桥式可控整流电路。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 : 方案的经济技术论证 主电路设计 通过计算选择整流器件的具体型号 若采用整流变压器 , 确定变压器变比及容量 触发电路设计或选择 绘制相关电路图

9、 技术参数 : 交流电源 : 三相 380V 整流输出电压Ud在0220V连续可调 整流输出电流最大值 100A 直流电动机负载 根据实际工作情况 , 最小控制角取 20300左右 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 当整流负载容量较大 , 或要求直流电压脉动较小、易滤波时 , 应采用三相整流电路。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。 在三相整流电路中 , 应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路 , 因为三相整流 ?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 ,

10、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 , 控制滞后时间短。 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 ,三相桥式整流电路整流后的 直流波形不但平稳 ,而且电源利用率也较高。 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。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多 , 但是三相桥 式全控整流电路的输出电流波形便变得平直 , 当电感足够大时

11、, 负载 电流波形可以近似为一条水平线。 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。 二. 系统原理方框图 图 2.1 系统原理方框图 整流电路主要由整流主电路 , 驱动电路、保护电路。 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 带电阻负载工作情况 : 晶闸管按从 1至

12、 6的顺序导通 ,为此将晶闸管按图示的顺序 编号,即共阴极组中与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。 编号如图 2.2 所示 图 2.2 带电阻负载时的电路 晶闸管触发角a 0时的情况：此时，对于共阴极组的3个晶 闸管, 阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的 3 个 晶闸管,则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。 这样,任意时刻共 阳极组和共阴极组中各有 1 个晶闸管处于导通状态 , 施加于负载上的 电压为某一线电压。此时电路工作波形图如图2.3 o a 0o时，各晶闸

13、 管均在自然换相点处换相。各自然换相点既是相电压的交点 , 同时也 是线电压的交点。 从相电压波形看 , 以变压器二次侧的中点 n 为参考 点, 共阴极组晶闸管导通时 , 整流输出电压 ud1 为相电压在正半周的 包络线 ; 共阳极组导通时 , 整流输出电压 ud2 为相电压在负半周的包 络线,总的整流输出电压 ud ud1-ud2 是两条包络线间的差值 ,将其 对应到线电压波形上 , 即为线电压在正半周的包络线。将波形中的一 个周期等分为 6段,每段为 60如图 2.3 所示。 6个晶闸管的导通顺 序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6,相位依次差60o;共阴极组和阳极组 依次差

14、120o;同一相的上下两个桥臂脉冲相差1800。整流输出电压 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。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时 , 为确保电路的正常 工作,需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。a =0o时晶闸管 承受的电压波形如图 2.3 所示 图 2.3 带电阻负载时的波形 图中还给出了晶闸管 VT1流过电流iVT的波形，由此波形可 以看出，晶闸管一周期中有120o处于通态,240。处于断态，由于负载 为电阻,故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的 ud波形相同。 当触发角a改变时，电路的工作情况将发生变化。当a 30o时。 从

15、3 t1角开始把一个周期等分为6段,每段为60o与a =0o时的情况 相比, 一周期中 ud 波形仍由 6 段线电压构成 , 每一段导通晶闸管的编 号等仍符合规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了 30o,组成ud 的每一段线电压因此推迟 30o,ud 平均值降低。晶闸管电压波形也相 应发生变化如图2.3所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia 的波形,该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间,ia为正,ia波 形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120o期间,ia 波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。当a 60o时,电路 工作情况仍可参考上图分析 ,ud

16、波形中每段线电压的波形继续向后 移,ud平均值继续降低。a =600时ud出现了为零的点。 由以上分析可见，当aW 600时,ud波形均连续，对于电阻负 载,id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。当a 60o时，如a =90o 时电阻负载情况下 , 此时 ud 波形每 600中有 300 为零, 这是因为电阻 负载时id波形与ud波形一致，一旦ud降至零,id也降至零，流过晶 闸管的电流即降至零 , 晶闸管关断 , 输出整流电压 ud 为零, 因此 ud 波 形不能出现负值。如果继续增大至120o,整流输出电压ud波形将全 为零,其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路a 角的

17、移相范围是 120o。 带阻感负载工作情况 （ 电路工作情况与带电阻负载时十分相 似）根据本次设计要求 , 采用负载为阻感的主电路图如下 : 图 2.4 三相桥式可控整流电路 根据设计要求，输出电压Ud在0220V连续可调。 根据三相桥式全控整流电路计算公式 :Ud2.34U2cos a 当a 30时，使电压Ud有最大值Ud2.34U2cos30220V从而得出 U2109V,可通过变压器获得。 当a 90时,使电压Ud有最小值Ud2.34U2cos900V,从而实现输 出电压Ud在0220V连续可调。 整流输出电流最大值 100A,ldU/R100A,所以R220/1002.2 Q。 综上可

18、得触发角a取值为3090。 下图为三相桥式整流电路带阻感负载a 30和90的波形图 当a 60,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, 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 2.5 三相桥式全控整流电路阻感负载 30度的波形 当 a60 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

19、阻感负载时，由于电感L的作用,Ud 波形会出现负的部分 , 若电感 L 值足够大 ,Ud 中正负面积基本相等 ,Ud 平均值近似为零。这表明,带阻感负载时，三相全控桥式整流电路的a 角移相的范围为 090 图 2.6 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。根据设计要求及其分 析, 选择模拟集成触发电路 KJ004。 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

20、、对同步电压要求低 , 有脉 冲列调制输出端等功能与特点。 图 2.7KJ004 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。 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+15V-R3-VD1-V1-地;在uS负半 周,V2、V3 导通，电流途径为 +15V-R3-VD2-V3-R5-R215V。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| +1.4V时,V7又恢复导通。这样，在V7集电极就

21、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VS6VS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 VD6VD

22、叨 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uSauSb、uSc分别与同步变压器的uSAuSBuSC相接RP1RP3 为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。 2.2.3 保护电路设计 相对于电机

23、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 2.8 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

24、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

25、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

26、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。 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 在选用晶闸管时 , 额定电压应为正常工作峰值电压的23 倍, 以保证电路的工作安全。 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U为U226

27、5.9V,可得出UN 晶闸管的额定电压 UN (23)U (23)*265.9531.8797.7V 额定电流 IN IVTId/,Id100A,IVT57.7A IN (1.52)IVT/1.5755.173.5A IVT(AV)IVT/1.5736.8A 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 I1N1I2N2 由此得出变压器的变比 K N1/N2 U1/U2 220/1092.018 2. 变压器的容量 S:

28、S U1 * I1 U2 *I2 U2 *Id109 * 100* 1.88*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 2.9 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aS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 3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3 ,即a 3 . 负载为直流电动机时

29、, 如果出现电流断流则电动机的机械特 性将很软。从图2.9看出,导通角B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。 图 2.9 电流波形 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

30、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2.10 图 2.10 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 L2.87*U2 /Idmin2.87 * 109/4.5569H 2.4系统调试或仿真、数据分析运用MATLAB件对本

31、三相桥 式可控整流电路进行系统仿真实验。主电路图如下 : 图 2.11 采用阻感负载触发角a 30时的波形图如下： 图 2.12 第 3 章 课程设计总结 该课程设计以一台额定电压 220V功率为20KW的直流电动 机提供直流可调电源 , 以实现直流电机的调速。通过对三相桥式可控 整流电路的工作原理的分析以及根据设计要求，确定了以KJ004作为 模拟集成出发电路，并通过对KJ004的电路工作原理原理分析实现控 制晶闸管的导通时间。 为预防由静电感应、 雷击或者突然切断电感回 路电流时电磁感应所引起的过电压 , 需有过压保护电路 , 在晶闸管变 流装置运行不正常或者发生故障时 , 可能会发生过电流 ,为此需要快 速熔断器措施来进行过电流保护。 对整体方案进行分析并计算后得出 系统各参数、变压器变比以及对器件进行选择 , 最后对系统进行调试 或仿真、数据分析