三相橋式全控整流電源的設(shè)計(jì).doc

課程設(shè)計(jì)名稱：電力電子技術(shù) 題 目：三相橋式全控整流電源的設(shè)計(jì) 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績評定表學(xué) 期2013/2014第一學(xué)期姓 名專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)課程名稱電力電子技術(shù)論文題目三相橋式全控整流電源的設(shè)計(jì)評定標(biāo)準(zhǔn)評定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時(shí) 間2013年12月31 日備 注課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書一、設(shè)計(jì)題目三相橋式全控整流電源的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)三相整流電路，交流側(cè)由三相電源供電，選用三相橋式全控整流電路供電，主電路采用三相全控橋，將380v三相交流電整流后供直流電動(dòng)機(jī)（220v、300a）使用。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共計(jì)1周內(nèi)完成。第12天查資料，熟悉題目；第35天方案分析，具體按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)及整理設(shè)計(jì)說明書；第6天準(zhǔn)備答辯；第7天答辯。四、設(shè)計(jì)要求1.輸入電壓：采用三相四線制380v、50hz交流電壓2輸出電壓：輸出220v單相直流電壓3負(fù)載為220v、300a的直流電動(dòng)機(jī)4電路中應(yīng)設(shè)有相應(yīng)的保護(hù)措施指導(dǎo)教師：教研室主任：時(shí) 間：2013年 12月 31日摘要電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，gto，igbt等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百mw甚至gw，也可以小到數(shù)w甚至1w以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè),交通運(yùn)輸,空間技術(shù),國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。當(dāng)整流負(fù)載容量大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、易濾波時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、雙反星形可控整流電路以及十二脈波可控整流電路等。本設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流電路，其應(yīng)用也是最為廣泛的，利用集成觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)，從而控制晶閘管的通斷，進(jìn)而控制輸出電壓。關(guān)鍵字：電力電子；晶閘管；三相橋式全控整流；集成觸發(fā)器；觸發(fā)脈沖信號(hào)目錄1 引言- 1 -2 原理及方案- 2 -3 主電路的設(shè)計(jì)及器件選擇- 3 -3.1 三相全控橋的工作原理- 3 -3.1.1 三相全控橋的工作特點(diǎn)- 3 -3.1.2 阻感負(fù)載時(shí)的波形分析- 4 -3.2 參數(shù)計(jì)算- 5 -3.2.1 整流變壓器的選擇- 5 -3.2.2 晶閘管的選擇- 7 -3.2.3 平波電抗器的選擇- 7 -4 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)- 8 -4.1 集成觸發(fā)電路- 8 -4.2 kj004的工作原理- 8 -4.3 集成觸發(fā)器電路圖- 10 -5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)- 11 -5.1 晶閘管的保護(hù)電路- 11 -5.2 交流側(cè)保護(hù)電路- 12 -5.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路- 13 -6 電氣總電路圖- 14 -7 結(jié)論- 15 -課程設(shè)計(jì)體會(huì)- 16 -參考文獻(xiàn)- 17 -三相橋式全控整流電源的設(shè)計(jì)1 引言電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè),交通運(yùn)輸,空間技術(shù),國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域,進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來越多電力電子應(yīng)用在國民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國家,經(jīng)過電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。 本文主要介紹三相橋式全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖,由工頻三相電壓380v經(jīng)升壓變壓器后由可控硅（晶閘管）再整流為直流供負(fù)載用。但是由于工藝要求大功率,大電流,高電壓,因此控制比較復(fù)雜,特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應(yīng),否則輸出的電壓波動(dòng)大甚至還有可能短路造成設(shè)備損壞。 - 18 -三相橋式全控整流電源的設(shè)計(jì)2 原理及方案三相橋式全控整流電源系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。保護(hù)電路采用rc過電壓抑制電路進(jìn)行過電壓保護(hù)，利用快速熔斷器進(jìn)行過電流保護(hù)。采用鋸齒波同步kj004集成觸發(fā)電路，利用一個(gè)同步變壓器對觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶?dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路三個(gè)部分?？驁D中沒有表明保護(hù)電路。當(dāng)接通電源時(shí)，三相橋式全控整流電路主電路通電，同時(shí)通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通工作，經(jīng)過整流后的直流電通給直流電動(dòng)機(jī)，使之工作。圖1-1 三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖3 主電路的設(shè)計(jì)及器件選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定負(fù)載為220v、300a的直流電機(jī)，采用三相整流電路，交流側(cè)由三相電源供電，設(shè)計(jì)要求選用三相橋式全控整流電路供電，主電路采用三相全控橋。3.1 三相全控橋的工作原理如圖2-1所示，為三相橋式全控帶阻感負(fù)載，根據(jù)要求要考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感與電樞電阻，故為阻感負(fù)載。習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陽極組。共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為vt1、vt3、vt5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為vt4、vt6、vt2。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?vt1vt2vt3vt4vt5vt6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)圖2-1 三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)（阻感）負(fù)載原理圖3.1.1 三相全控橋的工作特點(diǎn) 2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組 各1個(gè)，且不能為同1相器件。 對觸發(fā)脈沖的要求：按vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6的順序，相位依次差60度。共陰極 組vt1、vt3、vt5的脈沖依次差120度。共陽極組vt4、vt6、vt2也依次差120度。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即vt1與vt4，vt3與vt6， vt5與vt2，脈沖相差180。 ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣, 故該電路為6脈波整流電路。 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。3.1.2 阻感負(fù)載時(shí)的波形分析三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動(dòng)勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動(dòng)），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，因?yàn)閹Х措妱?dòng)勢阻感負(fù)載的情況，與帶阻感負(fù)載的情況基本相同。 當(dāng)60度時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流 id 波形不同，電阻負(fù)載時(shí) ud 波形與 id 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖2-2和圖2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=0度和=30度的波形。 圖2-2中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管vt1電流 ivt1 的波形，可與帶電阻負(fù)載時(shí)的情況進(jìn)行比較。由波形圖可見，在晶閘管vt1導(dǎo)通段，ivt1波形由負(fù)載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 圖2-3中除給出ud波形和 id 波形外，還給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，在此不做具體分析。 圖2-2 觸發(fā)角為0度時(shí)的波形圖圖2-3 觸發(fā)角為30時(shí)的波形圖當(dāng)60度時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感l(wèi)的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4給出了=90度時(shí)的波形。若電感l(wèi)值足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。圖2-4 觸發(fā)角為90時(shí)的波形圖3.2 參數(shù)計(jì)算3.2.1 整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380v和220v，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： 變比為： 變壓器一次和二次側(cè)的相電流計(jì)算公式為： 而在三相橋式全控中 所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級(jí)容量為： 變壓器初級(jí)容量為： 變壓器容量為： 即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級(jí)繞組三角形接法，；次級(jí)繞組星形接法，；容量選擇為93.15kw。3.2.2 晶閘管的選擇 晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形（圖2-4）分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 故橋臂的工作電壓幅值為： 考慮裕量，則額定電壓為： 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為： 考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：3.2.3 平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動(dòng)和保證最小負(fù)載電流時(shí)電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)，有： 其中， （單位為mh）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當(dāng)負(fù)載電流降至20a時(shí)電流仍連續(xù)。所以取20a。所以有： 4 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利用kj004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。4.1 集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路kj004，kj004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。kj004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。kj004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如下：圖3-1 kj004的電路原理圖4.2 kj004的工作原理如圖3-1 kj004的電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為kj004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。v1v4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓us經(jīng)限流電阻r20加到v1、v2基極。在us的正半周，v1導(dǎo)通，電流途徑為(+15vr3vd1v1地)；在us負(fù)半周，v2、v3導(dǎo)通，電流途徑為(+15vr3vd2v3r5r21(15v)。因此，在正、負(fù)半周期間。v4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|us|0.7v時(shí)，v1v3截止，v4從電源十15v經(jīng)r3、r4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容c1接在v5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在v4導(dǎo)通時(shí)，c1經(jīng)v4、vd3迅速放電。當(dāng)v4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15vr6c1r22rp1(15v)對c1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過r22、rp1的充電電流和電容c1的大小。根據(jù)v4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。v6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uc5、偏移電壓ub、移相控制電壓uc分別經(jīng)r24、r23、r26在v6基極上疊加。當(dāng)ube6+0.7v時(shí)，v6導(dǎo)通。設(shè)uc5、ub為定值，改變uc，則改變了v6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。v7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。v7經(jīng)電阻r25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容c2由電源+15v經(jīng)電阻r7、vd5、v7基射結(jié)充電。當(dāng) v6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，c2所充電壓通過 v6成為 v7基極反向偏壓，使v7截止。此后c2經(jīng) （+15vr25v6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4v時(shí)，v7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在v7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)r25和c2決定。v8、v12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，v7集電極輸出兩個(gè)相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周v1導(dǎo)通，v8截止，v12導(dǎo)通，v12把來自v7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，v7正脈沖又通過二極管vd7，經(jīng)v9v11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，v8導(dǎo)通，v12截止，v7正脈沖經(jīng) v13v15放大后輸出負(fù)相脈沖。說明：1) kj004中穩(wěn)壓管vs6vs9可提高v8、v9、v12、v13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管vd1、vd2、vd6vd8為隔離二極管。2) 采用kj004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管vd1vd12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管v1v6進(jìn)行脈沖功率放大。3) 由于 v8、v12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個(gè)與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接成d，yn11及同步變壓器也接成d，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓usa、usb、usc分別與同步變壓器的usa、usb、usc相接 rp1rp3為鋸齒波斜率電位器，rp4rp6為同步相位。4.3 集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)kj004集成塊和1個(gè)kj041集成塊（kj041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到vt1，vt2，vt3，vt4，vt5，vt6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖3-2所示：圖3-2 集成觸發(fā)電路5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了保護(hù)設(shè)備安全，必須設(shè)置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過電流與過電流保護(hù)，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如r-c阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。本例中設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護(hù)方案，分別對晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計(jì)。5.1 晶閘管的保護(hù)電路晶閘管的過電流保護(hù)：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對于晶閘管初開通時(shí)引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù)。如圖4-1所示：圖4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路晶閘管的過電壓保護(hù)：晶閘管的過電壓保護(hù)主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)rc電路。如圖4-2所示：圖4-2并聯(lián)rc電路阻容吸收回路5.2 交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過電壓保護(hù)，可采用如圖4-3所示的反向阻斷式過電壓抑制rc保護(hù)電路。整流電路正常工作時(shí)，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng)充、放電，將儲(chǔ)存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。圖4-3反向阻斷式過電壓抑制rc電路5.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖4-4中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過電壓，仍會(huì)通過導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過電壓保護(hù)，用于抑制過電壓。圖4-4 直流側(cè)阻容保護(hù)6 電氣總電路圖7 結(jié)論本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是三相橋式全控整流電路，其工作特點(diǎn)是任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu)成電流通路，因此為保證電路啟動(dòng)或電流斷續(xù)后能正常導(dǎo)通，必須對不同組別應(yīng)到導(dǎo)通的一對晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進(jìn)行，但只在同一組別中換相。通過脈沖觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，通過改變導(dǎo)通角從而控制輸出電壓。最后加上保護(hù)電路從而完成整個(gè)電源的設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)體會(huì)這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我們通過對知識(shí)的綜