電力電子技術(shù)課程設(shè)計相控式直流可控整流電路的設(shè)計

1、提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 湖南工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱： 電力電子技術(shù)課程設(shè)計題 目：相控式直流可控整流電路的設(shè)計 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 審 批： 任務(wù)書下達(dá)日期 年 月 日設(shè)計完成日期 年 月 日 設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求一 設(shè)計內(nèi)容：1 電路功能：1） 電網(wǎng)工頻交流整流為可調(diào)直流電源；2） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：工頻整流電路、?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：脈沖發(fā)生電路、驅(qū)動電路。3） 功率變換電路中的開關(guān)器件采用igbt或mosfet。4） 系統(tǒng)具有完善的保護5）2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設(shè)計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型

2、3）主電路保護環(huán)節(jié)設(shè)計4. 控制電路設(shè)計與分析1） 檢測電路設(shè)計2） 功能單元電路設(shè)計3） 觸發(fā)電路設(shè)計4） 控制電路參數(shù)確定二 設(shè)計要求：1 設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；2 單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；3 分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。4 繪制總電路圖5 寫出設(shè)計報告； 主要設(shè)計條件1 設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入輸出電壓：三相（ac）380（1+15%）、0300v（dc）2） 輸出電流：10a3）功率因數(shù)：0.8 2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設(shè)計封面；2 任務(wù)書；3 說明書目錄；4 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單

3、元電路設(shè)計（各單元電路圖）；6 電路改進、實驗及仿真等。7 總結(jié)與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻；10、課程設(shè)計成績評分表 進 度 安 排 第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設(shè)計星期四:控制電路設(shè)計 星期五:控制電路設(shè)計；第二周星期一: 控制電路設(shè)計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期四五:寫設(shè)計報告，打印相關(guān)圖紙； 星期五下午:答辯及資料整理 參 考 文 獻1王兆安，電力電子技術(shù)（第5版）機械工業(yè)出版社，2008.2劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng)校內(nèi)，2009.3. 浣喜明，姚為正電力電子技術(shù)高等教育出版社，

4、2008.4劉祖潤，胡俊達(dá)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)機械工業(yè)出版社，1995.5. 林飛，杜欣電力電子應(yīng)用技術(shù)的matlab仿真 中國電力出版社，2009.6鐘炎平 電力電子電路設(shè)計 華中科技大學(xué)出版社，2010.7徐德鴻現(xiàn)代電力電子器件原理與應(yīng)用技術(shù) 機械工業(yè)出版社，2011.8洪乃剛電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的matlab仿真 機械工業(yè)出版社,2006 目錄第一章 緒論1第二章 系統(tǒng)總體方案12.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及其工作原理12.2 系統(tǒng)工作流程 2第三章 主電路設(shè)計3 3.1主電路結(jié)構(gòu) 33.2主電路原件的選型及其計算 43.3主電路保護設(shè)計 53.3.1晶閘管的過電壓保護 53.3.2晶閘管的過電流

5、保護 63.3.3變壓器的保護 7第四章 控制電路設(shè)計 7 4.1檢測及其保護設(shè)計7 4.2功能單元電路設(shè)計8 4.3觸發(fā)電路設(shè)94.3.1觸發(fā)電路的要求94.3.2觸發(fā)電路的原理10第五章 電路分析13第六章 心得體會15第七章 附錄 15 7.1參考文獻15 7.2總電路圖16 第一章 緒論 整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除動直

6、流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。把交流電變換成大小可調(diào)的單一方向直流電的過程稱為可控整流。整流器的輸入端一般接在交流電網(wǎng)上。為了適應(yīng)負(fù)載對電源電壓大小的要求，或者為了提高可控整流裝置的功率因數(shù)，一般可在輸入端加接整流變壓器，把一次電壓u1，變成二次電壓u2。由晶閘管等組成的全控整流主電路，其輸出端的負(fù)載，我們研究是電阻性負(fù)載、電阻電感負(fù)載。負(fù)載往往要求整流能輸出在

7、一定范圍內(nèi)變化的直流電壓。為此，只要改變觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)脈沖送出的早晚，就能改變晶閘管在交流電壓u2一周期內(nèi)導(dǎo)通的時間，這樣負(fù)載上直流平均值就可以得到控制。 第二章 系統(tǒng)總體方案2.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及其工作原理 三相橋式全控整流電路可分為三部分電路模塊：主電路模塊，觸發(fā)電路模塊，保護電模塊。主電路模塊，主要由三組兩兩串聯(lián)晶閘管并聯(lián)而成。觸發(fā)電路模塊組成為，3個kj004集成塊和1個kj041集成塊，再由六個晶體管進行脈沖放大。保護電路模塊有晶閘管的過電流保護，過電壓保護三相橋式整流電路是通過控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小的，屬于相控電路。為保證相控電路的正常工作，

8、很重要的一點是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效觸發(fā)脈沖，脈沖控制電路由kj系列集成電路組成，具有技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便等優(yōu)點，可以較為精確的對晶閘管進行觸發(fā)。在門極的觸發(fā)信號的控制下和流過晶閘管的電流的共同作用下，晶閘管處于導(dǎo)通和截止不斷轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，而聯(lián)系通斷關(guān)系的就是觸發(fā)角。在保護電路的監(jiān)控與保護下，主電路，觸發(fā)電路可以在正常工作狀況下工作，在主電路的作用下，將輸入的變壓器二次端的交流信號變換成整流裝置輸出端的直流信號，供用戶或負(fù)載使用。整個過程完成了將三相交流電較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換成預(yù)期直流電的功能要求。2.2系統(tǒng)工作流程 第三章 主電路設(shè)計 3.1主電路結(jié)

9、構(gòu)設(shè)計 三相橋式全控整流電路是通過六個晶閘管和足夠大的電感把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電而供給電機使用的，它可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的控制電壓uco改變晶閘管的控制角，從而改變輸出電壓ud和輸出電流id來對電動機進行控制。將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（vt1,vt3,vt5）稱為共陰極組，陽極連接在一起的3個晶閘管（vt4,vt6,vt2）稱為共陽極組。晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為vt6vt1vt1vt2vt2vt3vt3vt4vt4vt5vt5vt6依此循環(huán)，每隔60有一個晶閘管換相。每個時刻均需要2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中1個

10、晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同一相得晶閘管。整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。 3.2主電路元器件的選型及其計算整流電路中的元器件參數(shù)一定要根據(jù)電路的工作條件來選擇，并且要留有一定的安全余量。（1）晶閘管額定電壓的選擇： 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： （2）晶閘管額定電流的選擇： 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）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y接法可知變壓器二次側(cè)

11、相電壓為： 變比為： 變壓器一次和二次側(cè)的相電流計算公式為：= 而在三相橋式全控中 所以變壓器的容量分別如下： 變壓器次級容量為： 變壓器初級容量為： = 變壓器容量為： + 即： 變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法；次級繞組星形接法，；容量選擇為9.46989kw。3.3主電路保護設(shè)計晶閘管的保護電路大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如rc阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等；再一種則是采用電子保路檢測設(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，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(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。

12、3.3.1晶閘管的過電壓保護 晶閘管的過電壓能力較差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護，如圖3所示：3.3.2晶閘管的過電流保護晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因一般是由于整流電路內(nèi)部原因，如整流晶閘管因過電壓而擊穿，造成無正、反向阻斷能力，它相當(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時，無法正常換流，因而產(chǎn)生線間短路引起過電流。常見的過電流保

13、護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關(guān)過電流保護。過電流繼電器保護中過電流繼電器開關(guān)時間長。直流快速開關(guān)過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo是最有效的保護措施，如圖4所示： 3.3.3變壓器的保護設(shè)計變壓器一、二次側(cè)均需阻容保護裝置。如圖5所示： 第四章控制電路設(shè)計 4.1檢測及其保護電路設(shè)計 保護電路主要也是過電流過電壓保護，和主電路的保護一樣。檢測電路的設(shè)計，在設(shè)計中主要用到的是三相電壓-電流檢測單元（v-i），vabc和iabc為電壓電流檢測端口，通過這兩個端口可以檢測變壓后的電壓電流波形。 4.2功能單元電路設(shè)計 多功能橋式電路的控制主要有幾個引

14、腳來實現(xiàn)的，其中abc接三相電壓的，三相電壓的來源由變壓器整流變壓，經(jīng)過電網(wǎng)變壓獲得。g端口為觸發(fā)電路，可以由鋸齒波和集成觸發(fā)器觸發(fā)，本次使用的是集成電路觸發(fā) 4.3觸發(fā)電路設(shè)計 4.3.1觸發(fā)電路的要求 由于晶閘管導(dǎo)通以后，控制極上的觸發(fā)信號就失去控制作用，為了減少控制極損耗及觸發(fā)電路的功率，一般不用交流或直流觸發(fā)信號，而用脈沖形式的觸發(fā)信號，故晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求如下：（1）觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡為使被觸發(fā)的晶閘管能保持住導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管的陽極電流在觸發(fā)脈沖消失前必須達(dá)到擎住電流，因此，要求觸發(fā)脈沖應(yīng)具有一定的寬度，不能過窄。特別是當(dāng)負(fù)載為電感性負(fù)載時，因其中電流不能突變，

15、更需要較寬的觸發(fā)脈沖，才可使元件可靠導(dǎo)通。（2）觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步為了保證電路的品質(zhì)及可靠性，要求晶閘管在每個周期都在相同的相位上觸發(fā)。因此，晶閘管的觸發(fā)電壓必須與其主回路的電源電壓保持固定的相位關(guān)系，即實現(xiàn)同步。實現(xiàn)同步的辦法通常是選擇觸發(fā)電路的同步電壓，使其與晶閘管主電壓之間滿足一定的相位關(guān)系。（3）觸發(fā)信號要有足夠的功率為使晶閘管可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流必須大于晶閘管產(chǎn)品參數(shù)提供的門極觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流值，即必須保證具有足夠的觸發(fā)功率（4）觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路的要求觸發(fā)脈沖的移相范圍與主電路的型式、負(fù)載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān)。例如，單相全

16、控橋電阻負(fù)載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為180，而電感性負(fù)載（不接續(xù)流管時）要求移相范圍為90。三相半波整流電路電阻負(fù)載時要求移相范圍為150，而三相全控橋式整流電路電阻負(fù)載時要求移相范圍為120。集成觸發(fā)器具有可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便等特點。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。目前國內(nèi)常用的有kj系列和kc系列，下面以kj系列為例。kj004集成觸發(fā)器與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。如圖為kj004電路原理圖： 4.3.2觸發(fā)電路的原理 脈沖觸發(fā)電路設(shè)計原理是利用六脈沖同步觸發(fā)來實現(xiàn)的，

17、每個kj004控制兩個晶閘管，且被控制的兩個晶閘管其相位相差180度，所以用三個kj004來控制驅(qū)動電路，如圖8，由3個kj004集成塊和1個kj041集成塊構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可。如圖kj004的電路原理圖所示，點劃框內(nèi)為kj004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(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(+15v11r3vd2v3r5r21(15v)。因此，在正、負(fù)半周期間。v4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)

18、。只有在同步電壓|us|0.7v時，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，c1經(jīng)v4、vd3迅速放電。當(dāng)v4截止時，電流經(jīng)(+15vr6c1r22rp1(15v)對c1充電，形成線性長的鋸齒波，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基疊加。當(dāng)ube6+0.7v時，

19、v6導(dǎo)通。設(shè)uc5、ub為定值，變uc，則改變了v6導(dǎo)通的時刻，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，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，v7又恢復(fù)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)。在同步電壓一個周期內(nèi)，v7集電極輸出兩個相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進行。如在us正半周v

20、1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，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、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組成六個或門形成六路脈沖，并由三極管v1v6進行脈沖功率放大。3)由于v8、v12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個相位上相差的脈沖產(chǎn)生，這樣，要

21、獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個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、12usc相接rp1rp3為鋸齒波斜率電位器，rp4rp6為同步相位。kj041內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門。如果觸發(fā)電路為模擬的稱為模擬觸發(fā)電路。如果觸發(fā)電路為數(shù)字稱為數(shù)字觸發(fā)電路，其脈沖對稱度很好。觸發(fā)電路選用的是kc系列的kcz6集成化三相全控六脈沖觸發(fā)組件，電路如圖所示。該組件采用三塊kc04移相觸發(fā)器，一塊kc41六路雙脈沖形成器，一塊kc42脈沖列調(diào)制形成器組成。三相同步電

22、壓經(jīng)由rc組成的t型網(wǎng)絡(luò)移相濾波，使之不受波形畸變和換流缺口的干擾。然后分別送入對應(yīng)的kc04電路8腳，各濾波電路移相約30，由電位器rp5rp7作微調(diào)，以保證六相脈沖間隔均勻。同步電壓取30v左右，同步輸入電流限制在23a。同步電壓輸入后，在kc04電路端子形成100hz的鋸齒波。鋸齒波電壓、移相控制電壓uct和偏移電壓up在其9端進行比較，在13端輸出固定的觸發(fā)脈沖，將三塊kc04的觸發(fā)脈沖送至kc42電路的輸入2、4、12，kc42電路將其調(diào)制成510khz脈沖列，再從該電路輸出端8送至三塊kc04的端子14.這時在kc04的輸出端1、15輸出的調(diào)制好的脈沖列移相觸發(fā)脈沖。三塊kc04觸

23、發(fā)器的六個輸出脈沖送到kc41的16端，它的輸出端1015的輸出是按后相給前相補脈沖的規(guī)律，經(jīng)vt1vt6放大，可輸出驅(qū)動電流為300800ma的雙窄脈沖列。調(diào)節(jié)每相的r、c數(shù)值，就可觸發(fā)脈沖寬度。如需要180的長脈沖，則可取消r、c元件，并在kc04電路11、12端之間加接68k電阻。組件控制極性為正，即移相控制電壓uct增加，導(dǎo)通角增大。調(diào)節(jié)rp2rp4，可改變鋸齒波斜率；調(diào)節(jié)rp5rp7，可進行同步相位微調(diào)。通過上述方法，可等到理想的三相平衡度。為了使脈沖變壓器在脈沖間斷時去掉剩磁，穩(wěn)壓管vst可選合適的擊穿電壓，使脈沖變壓器反電動勢建立一定值后給予短路，消除剩磁，使磁狀態(tài)復(fù)原。vst的擊穿電壓選取與電源電壓接近。 第五章 電路分析帶電阻負(fù)載的波形分析： (1)當(dāng)a60時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形