电力电子课设真实模板讲解

1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目： 220V100A三相半控桥式整流电路院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气 # 学 号： #学生姓名： #指导教师： （签字）起止时间： 2#本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：号 学# 气 电 #设目 程题式 桥 控 半 相 三课程设计（论文）任务流 3 动 直 确 或 。电 广 的 ， 计 调 流 得 W 。 器 路设 可 直 k 计 压 路 续 、 中获 20 设计 变 电 连 5、 产 路 流 发 0V 。 生 率 。 主电 用整 、触 2 左右 工业 功 调速 流主 采用 6、

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5、电路主要采用了三个 KJ004和一个 KJ001集成块，即可形成六路双脉 冲，再由三个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相半控桥式整流电路的集成 触发电路，其优点为所设计的触发电路为模拟的，其优点是简单，可靠，但缺点 为易受电网电压影响，触发脉冲的不对称程度较高，经度较低。最后主要设计了该电路的保护电路，其主要分为过电压保护以及过电流保护 两部分，其中过电压电路主要采用了 RC过电压抑制电路以及 RC阻容吸收电路。 而 过电流保护电路主要采用了快速熔断器，直流快速断路器和过电流继电器。这样 便提高了饱和的可靠性和合理性。直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，在工业生产中获得广泛应用， 本次设

6、计的目的是为 1台额定电压 110V、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无级调速。关键词： 三相桥式；半控整流；集成触发。本科生课程设计（论文）目录第 1 章 绪论 11.1 电力电子技术概况 11.2 本文设计内容 2第 2 章 220V/100A 三相半控桥式整流电路设计 32.1 220V/100A三相半控桥式整流电路总体设计方案论证 . 32.2 具体电路设计 32.2.1 主电路设计 32.2.2 主电路原理说明 42.2.3 触发电路设计 62.2.4 触发电路原理说明 72.2.5 保护电路设计 82.2.6 滤波电路设计 102.3 元器件选择及

7、参数计算 112.3.1 负载的参数计算 112.3.2 晶闸管参数计算 122.3.3 变压器参数计算 12第 3 章 系统调试或仿真、数据分析 13第 4 章 课程设计总结 15参考文献 16本科生课程设计（论文）第1章 绪论1.1 电力电子技术概况顾名思义 , 所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包 括信息电子技术和电力电子技术两大分支。具体地说，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。目前所用的电力电子器件均由半导体 制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到 数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至是毫瓦级。信息电子技术

8、主要应有于信 息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两者本质上的不同。通常所用的电力变换可分为四类，即交流变直流（AC-DC），直流变交流（DC-AC）, 直流变直流（DC-DC）和交流变交流。我们通常将电力电子技术分为电 力电子器件和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它 包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及 由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不只指交直流之 间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。所谓整流电路即交流变直流（ AC-DC ）在电力电子技术中，可控整流电路是 非常重要的章节，整流电路

9、是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。整 流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流变为直流电能供给 直流用电设备。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置； 电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、电梯等交通运输工 具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所 用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用 整流电路构成的直流电源供电。整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半 控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电 路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相

10、数又可分为单相、多相 （主要是三相）整流电路。目前，整流电路在电力电子技术中的应用范围十分广 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。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。本科生课程设计（论文）1.2 本文设计内容本设计为 220V/100A 三相桥式半控整流电路，主要设计了该电路的主电路， 触发电路，保护电路，滤波电路。其中主电路由晶闸管，二极管所组成，主要设 计了主电路图，对主电路的工作原理按阻感和纯电阻分别进行了说明。触发电路 主要由三个 KJ004和一个 K

11、J001 所组成的，并大致的分析了 KJ004芯片的内部结 构。保护电路分为过电压保护和过电流保护并分别进行了说明并且选择了主要的 保护电路，分析了各环节的原理，最后设计了滤波电路，滤波电路主要采取了电 容吸收电路，然后又对器件的参数进行了计算并对其进行了选择，主要选择了晶 闸管的型号。并对论文进行了总结。本科生课程设计（论文）图 2.1 总体设计方案框图第2章 220V/100A 三相半控桥式整流电路设计2.1 220V/100A 三相半控桥式整流电路总体设计方案论证更据本次设计的要求，经过经济及技术的比较，确定了本次设计的总体设 计方案，总体设计方案框图如下（图 2.1 所示）：现对图 2

12、-1 中各部分所实现的功能作如下说明：1）变压器和整流电路是将所提供的 380V交流电经整流后变为 220V 直流电2）触发电路为给主电路提供触发脉冲的电路，以保证主电路正常工作。3）保护电路为通过过电压保护，过电流保护为主电路进行保护的主要电路。4）滤波电路是将整流电路所提供的 220V直流电经过滤波得到所需要的直流。2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计主电路的电路图如下所示（图 2.2 ）本科生课程设计（论文）图 2.2 主电路图2.2.2 主电路原理说明（1）带电阻负载时的工作情况=0 时，触发脉冲在自然换相点出现， 输出电压最大， 其波形是与全控型 桥式整流电路相同的线电压包络线

13、。随着控制角的增加，输出电压减小，波形发 生变化。=30时，在 t1 时刻， ug1触发VT1导通，此时 b相最低， VD6管导通， 输出电压为线电压 Uab。在 t2 时刻， c相低于 b相电压， VD6管承受反向电压而 关断，换为 VD2管导通，而 VT1继续导通，输出电压为线电压 Uac。到 t3 时刻， 因为 ug3触发脉冲没有来，VT3承受正向电压却不导通， 输出电压仍为线电压 Uab。 直到 t4 时刻，ug3触发脉冲到来，VT3导通，使 VT1承受反向电压而关断， 而 VD2 管还处在导通状态，输出电压为线电压 Ubc。依次类推，便得到 Ud 波形。=60时，此时输出电压的波形只

14、有三个波头。电路刚好维持电流连续， 每管导通 120， VT1承受的电压 ut1 波形同前面分析一样。（2）带阻感负载时的工作情况 三相桥式半控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用 于直流电动机传动） ，下面主要分析阻感负载时的情况， 对于带反电动势阻感负载 的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。整流电路的负载为直流电机负载，为简化电路，用带反电动势的阻感负载代 替直流电动机。当晶闸管的导通角 =0时，相当于把全控电路中共阴极组的晶 闸管都换为二极管。此时，共阳极组的三个晶闸管是所接交流电压最高的一个导本科生课程设计（论文）通，而对于共阴极组的三个二极

15、管则是所接交流电压值最低的一个导通。这样， 任意时刻共阳极晶闸管和共阴极组二极管都各有一个导通，施加于负载上的电压 为某一线电压。此时电路波形如图（图 2.3 ）当触发角 =0时，触发脉冲在自然换相点出现，三相桥式半控整流电路的 负载电压 Ud的波形与三相桥式全控整流电路 =0时的波形相同。=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由变压器而绕组相电压与线电 压波形的对应关系看出， 各自然换相点及时电压的交点， 同时也是线电压的交点。 在分析 Ud的波形时， 既可以从电压波形分析， 也可以从线电压波形分析。 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

16、 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，总的整流输出电压是两条包络线的差值，其对应线电 压波形上，即为线电压在正半周的包络线。图 2.3 带阻感负载时的波形图为了说明各晶闸管和二极管的工作的情况， 将波形中的一个周期等分为 6 段， 每段为 60，如图 2-3 所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表 2.1 所示。该表可见，晶闸管和二极管的套筒顺序为 VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD65本科生课程设计(论文)表 2.1 三相桥式半控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况2.2.3 触发电路设计晶闸管是晶体载流管的简称，

17、又称为可控硅整流器，以前被称为可控硅。 它有三个极分别为阳极，阴极，门极，晶闸管要导通时由门极加触发电流。可以 将晶闸管正常工作时的特性归纳如下：(1) 当晶闸管承受反向电压时， 不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导 通。(2) 当晶闸管承受正相电压时，仅在门极有触发电流时晶闸管才能导通。(3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用， 不论门极触发电流是否还存在， 晶闸管都保持导通。(4) 如要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过 晶闸管的电流降到接近于零下的某一数值以下。晶闸管可控整流电路是通过控制触发角 的大小，即控制触发脉冲起始相位 来控制输出电压大小的，属于相控

18、电路。为保证相控电路的正常工作，很重要的 一点是应保证按触发角 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管加有效的触发脉 冲，通常相控电路和相位控制电路也总称为触发电路。根据设计任务要求，本次设计采用集成元件设计触发电路， 则在此选择输出为双窄脉冲同步信号 为锯齿波的触发电路。根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时 刻，就能控制整流电路的触发的大小。 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。在触发每 个晶闸管的同时，给每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 60，脉宽一般为 20 30，称为双

19、脉冲电路较复杂，但要 求的触发电路输出功率小。触发电路如图 2.4 所示。本科生课程设计（论文）图 2.4 集成触发电路图2.2.4 触发电路原理说明触发电路由同步检测电路，锯齿波形成电路，偏移电压，移相电压及锯齿波 电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。原理图如图 2.5 所示，该图 为 KJ004 芯片内部结构，锯齿波的斜率决定于外接电阻 R6,RW1,流出的充电电流 和积分电容 C1 的数值。对不同的移相控制电压 VY，只有改变权电阻 R1,R2 的比 例，调节相应的偏移电压 VP。同时调整锯齿波斜率电位器 RW，1 可以使不同的移 相控制电压获得整个移相范围，触发电路为正极性型

20、，即移相电压增加，导通角 增大， R7和C2形成微分电路，改变 R7和 C2的值，可获得不同的脉宽输出。输 出的同步电压为任意值。本科生课程设计（论文）图 2.5 KJ004 芯片内部结构图2.2.5 保护电路设计较之电工厂品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时 间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。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。（1）过电压保护电流测过电压电力电子设备一般都经变压器与电网连接，电源变压器的绕组 与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容。如图 2.6 所示。图 2.6 过电压电路原理图变压器一般为降压型

21、， 即电源电压 U 高于变压器次级电压。 电源开关断开时，本科生课程设计（论文）初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超 出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。在进行电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态时将电源开关断开使 激流电流从一定的数值迅速下降到 0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产 生较大的感应电压， 因为电压为 Ldi/dt ，在电感一定的情况下， 电流的变换越大， 产生的过电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关，在正弦电 流的最大值时断开电源，产

22、生的 di/dt 最大，过电压也就越大。可见，合闸时出 现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负 载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的 换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压都发生在电路正常工作 的状态，一般叫做操作过电压。雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生 地时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。对于上面的这些过电压，我们可以采用下面的措施进行保护： 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。

23、同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压常用的保护方法主要有两种，对于大容量的电力电子装置，可采用第 一种方法，即采用阻容吸收电路，以雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和 转折二极管 （BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。 其电 路图如图 2.7 其右侧可接入主电路，达到保护目的。图 2.7 过电压的组容吸收保护电路图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。过电流分为本科生课程设计（论文）过载和短路两种情况。常用的过电流保护措施如图 2.8 所示。一台电力电子设备 可选用其中的某种措施，针对某些电力电子器件，可能有些保护措

24、施是有效的而 另外一些是无效的或不适合的，选用时应特别注意。图 2.8 过电流保护措施图交流断电保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电 流继电器，当交流电流超过整定值，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流 断路器断开，切除故障电流。应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子 器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器 才动作，由于器件耐压过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子 器件可能就已经损坏。交流侧经电流互感器接入过流继电器或直流侧接入过流继电器，可以在过电流时动作，自动断开输入端。一般过电流继电器开关动作时间约为0.2s ，

25、对电流大、上升快、 作用时间极短的短路电流无保护作用， 只有短路电流不大的情况下， 才能起到保护晶闸管的作用。快速熔断是最简单有效的过电流保护元件。在产生短路过电流时，快速熔断 器熔断时间小于 20ms，能保证在晶闸管损坏之前，切断短路故障。用快速熔断器 做过电流保护有三种接法，本设计采用三相桥。撬杠保护多用于大型的电力电子设备，其保护原理如下：当电流超过整定值 时，触发保护晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接入一个小电感，以 限制 di/dt ；触发电路开通主电路中的所用电力电子器件，以分散能量，让所有 器件分担短路电流；使电流断路器断开，切断短路能量的来源。经一段时间衰减 能量消失，

26、起到保护作用。2.2.6 滤波电路设计滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减，当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使10本科生课程设计(论文)用滤波器有效的抑制干扰。本设计为三相半控桥式整流电路，所整流出的直流所包含的谐波含量较大， 故使用滤波电路，经过滤波得到所要求的直流电流，对电动机进行供电。本滤波电路主要采用电容滤波电路即在电阻两端并联一个电容，它对整体电 路的参数无影响，滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时应注意电 解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。 所设计滤波电路如图 2.9 所示

27、。2.3 元器件选择及参数计算2.3.1负载的参数计算(1)变压器二次侧电压值取=30，输出电压平均值公式1 co sUd 2 .3U42d 2 2有公式可得变压器二次侧电压值U 2 U d 2.34 (1 cos ) 2 100.8V(2)负载大小由公式 P U 2 R得到 R U 2 P 110V 2 20KW 0.605(3) 变压器二次侧电流有效值11本科生课程设计（论文）由公式 I 2 2I d2 100A 81.6A（4） 电动机等效反电动势E Ud I d Rd 100.8V 81.6A 0.605 51.432V2.3.2 晶闸管参数计算（1）流过每个晶闸管电流的有效值IVT1

28、 I d 1 100A 57.7A（2）流过每个晶闸管的电流的平均值 11I dvt I d 100A 33.3A dvt 3 d 3（3）每个晶闸管承受的最大电压值UT M U D M 6 U26 10 0.V8 24V6.9（4）晶闸管额定电压值UN （ 2 3）UD M（ 2 3） 2V46. 9 V493. 8V（5）晶闸管额定电流值IN （1. 5 2I）VT（1. 5 2）A 57. 7 / 1A. 57 5A5根据本次设计的要求 ,所选取的晶闸管额定电压为 700V,额定电流为 60A, 则所 需要的三个晶闸管均要符合此项要求， 经查手册所选型号为 KP普通晶闸管系列中 的的 KP400三个。2.3.3 变压器参数计算（1）变压器容量通过前面的计算我们知道变压器的二次侧电压值为81.6A, 则其容量为SN 3U2I2 3 100.8V 81.6V 24675.84W（2）变压器变比N 2 20V / 1 00V. 8100.8V，额定电流值为12第3章 系统仿真本科生课程设计（论文）以下为三相半控桥式本文设计内容主要用到了 matlab 中的 simulink 仿真， 整流电路的设计模型如图 3.2 。图 2-10图 3.2 三相半控整流电路波形图 113图 3.1 三相半控桥式整流电路仿真模型本科生课程设计