電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告

1、成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院The Engineering & Technical College of ChengduUniversity o f Technology電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告姓 名學(xué) 號年 級專 業(yè)系（院）指導(dǎo)教師三相半波整流電路的設(shè)計1設(shè)計意義及要求1.1設(shè)計意義整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姡娐沸问蕉喾N多樣。當(dāng) 整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，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、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均

2、可在 三相半波的基礎(chǔ)上進行分析。1.2初始條件設(shè)計一三相半波整流電路，直流電動機負載，電機技術(shù)數(shù)據(jù)如下：Unom 220V，lnom=308A， nnom = 1000r/min，Ce=0.196V min/r ， Ra 0.18 。1.3要求完成的主要任務(wù)1）方案設(shè)計2）完成主電路的原理分析3）觸發(fā)電路、保護電路的設(shè)計4）利用MATLAB仿真軟件建模并仿真，獲取電壓電流波形，對結(jié)果進行分析5）撰寫設(shè)計說明書2方案設(shè)計分析本文主要完成三相半波整流電路的設(shè)計,通過MATLAB軟件的SIMULINK模塊建模并 仿真，進而得到仿真電壓電流波形。分析采用三相半波整流電路反電動勢負載電路，如圖1所示。為

3、了得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個晶閘管分別接 入a b、c三相電源，它們的陰極連接在一起，稱為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線方便。圖1三相半波整流電路共陰極接法反電動勢負載原理圖直流電動機負載除本身有電阻、電感外，還有一個反電動勢E。如果暫不考慮電動機 的電樞電感時，則只有當(dāng)晶閘管導(dǎo)通相的變壓器二次電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流 輸出。此時負載電流時斷續(xù)的，這對整流電路和電動機負載的工作都是不利的，實際應(yīng)用 中要盡量避免出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的工作情況 。3主電路原理分析及主要元器件選擇3.1主電路原理分析主電路理論圖如圖1所示。假設(shè)

4、將電路中的晶閘管換作二極管，并用VD表示，該電 路就成為三相半波不可控整流電路。此時，三個二極管對應(yīng)的相電壓中哪一個的值最大，則該相對應(yīng)的二極管導(dǎo)通，并使另兩相的二極管承受反壓關(guān)斷，輸出整流電壓即為該相的 相電壓。在相電壓的交點處，均出現(xiàn)了二極管換相，即電流由一個二極管向另一個二極管 轉(zhuǎn)移，稱這些交點為自然換相點。自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻，將其 作為計算各晶閘管觸發(fā)角的起點，即 0。，要改變觸發(fā)角只能是在此基礎(chǔ)上增大它，即沿時間坐標軸向右移。當(dāng)三個晶閘管的觸發(fā)角為0°寸，相當(dāng)于三相半波不可控整流電路的情況。增大 值， 將脈沖后移，整流電路的工作情況相應(yīng)的發(fā)生變化。設(shè)

5、變壓器二次側(cè)電壓有效值為220V，則相電壓交點處的電壓為.2U 2 sin30 =155.54V。若反電動勢小于155.54V時，整流電路相當(dāng)于工作在阻感負載情況下nnom=1000r/min（因為在自然換相點處晶閘管導(dǎo)通，負載電壓等于相電壓）。根據(jù)任務(wù)書所給電機參數(shù)，當(dāng)電機空載轉(zhuǎn)速為，且穩(wěn)定運行時，反電動勢為E nnom Ce 196V晶閘管的觸發(fā)角為0。時，波形圖如圖2所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波 形，觸發(fā)脈沖波形，負載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖2觸發(fā)角為0。時的波形觸發(fā)角較小時，在觸發(fā)脈沖發(fā)出時交流電壓還沒有達到196V ,晶閘管不導(dǎo)通，到 196V以后在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘

6、管導(dǎo)通；換相后VT關(guān)斷，在VT2導(dǎo)通期間，uvt1 ua ub uab ； VT3 導(dǎo)通期間，uvt1 ua uc uac。圖3觸發(fā)角為60。時的波形觸發(fā)角為當(dāng)60時，當(dāng)U2過零時，由于電感的存在，阻止了電流的下降，因而VTi繼 續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管VT2的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由VT2導(dǎo)通向負載供電， 同時向VTi施加反相電壓使其關(guān)斷。這種情況下Ud波形中出現(xiàn)負的部分，若5/U2 Ud波 形中負的部分將增多，至 90 Ud波形中正負面積相等，Ud的平均值為零。由此可見 阻感負載時的移相范圍為90 ° o由于負載電流連續(xù)，5可由式（3-1 ）求出，即Ud1 8 3J66. 2

7、U 2 sinwtd(wt)U2 cos2 68 231.17U 2 cos(3-1)Ud/U2與 成余弦關(guān)系，如圖4中曲線2所示。如果負載中的電感量不是很大，則當(dāng) 30后，與電感量足夠大的情況相比較，ud中負的部分可能減少，整流電壓平均值 ud略為增加，Ud/U2與 的關(guān)系將介于圖4中的曲線1和2之間，曲線3給出了這種情 況的一個例子變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值I2可由式（3-2 ）求出，即1'2' VT 3 d 0.577 d(3-2)由此晶閘管的額定電流IVT（AV）可由式（3-3）求出，即I VT (AV)1.570.368 Ivt(3-3)晶閘管兩端電壓波形如圖

8、3所示，由于負載電流連續(xù)，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即U FM U RM 2.45U 2(3-4)1.2沁J圖4三相半波可控整流電路Ud/匕與 的關(guān)系id波形有一定的脈動，這是電路工作的實際情況，因為負載中電感量不可能也不必非 常大，往往只要能保證負載電流連續(xù)即可，這樣id是有波動的，不是完全平直的水平線。 通常，為簡化分析及定量計算，可以將id近似為一條水平線，這與的近似對分析和計算的 準確性并不產(chǎn)生很大影響。三相半波整流電路的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，因此其應(yīng)用較少。3.2主要元器件選擇設(shè)變壓器原邊電壓Ui 380V，副邊電壓U2220V，根據(jù)要求

9、電機的額定電壓為Unom 220V，由三相半波整流電路的工作原理知 Ud 1.17U2COS，故可得 31.3。即 當(dāng)觸發(fā)角為31.3時，三相半波整流電路輸出的電壓即為電機的額定電壓。1）變壓器參數(shù)選擇：如圖1所示，為了得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而 一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波流入電網(wǎng)。變壓器采用三角形星形連接，一次側(cè)二次側(cè) 變比1.73:1。電機正常運行時電流Id 山 CeQnom 220V 196V133.3ARa0.18故可知，I10.472ld 62.9A I2gd 76.8A3，3U1I141.398KW S23U2I250.688KWS S，S246.043KW2故得變

10、壓器原邊電壓為380V ,副邊電壓為220V ,容量46.043KW 。2）晶閘管參數(shù)選擇：電動機正常工作時,Unom 220V , Inom 308A。由式（3-4 ） 知晶閘管峰值電壓Ufm 2.45 220 539V ,晶閘管電流安全裕量需是額定值的23倍，故U （2 3） 539V1078 1617V，由式（3-2）知晶閘管電流有效值Ivtnom3308A177.8A,晶閘管電流安全裕量需是額定值的1.52倍,故I （1.5 2） IVT/1.57170 226.7 A。故晶閘管的電壓范圍10781617V ,電流范圍170226.7A。3）平波電抗器參數(shù)選擇：電抗值可由得到，時min

11、為最小電流，即電動機空載時的電流，此 L 1.46竺時可得 Id min Ud Ce%m 220V 196V133.3AI dminRaO.18進而得到 L 1.46 220V /133.3A 2.4mH4觸發(fā)電路與保護電路的設(shè)計4.1觸發(fā)電路的設(shè)計如圖5所示為觸發(fā)電路。由三片集成觸發(fā)電路芯片KJ004和一片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KJ041形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構(gòu)成完整的。觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號用接插線與主電路各晶閘管相連接。該電路可分為同步、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)。UsaUsbUscOQ-15V o-r!R6HUJJR-R95 ®

12、;11=1I2 一 T8R1P5RQHU3 滬;R1卩3c卄101112帀帀一2R1un1516.4UOJKI tn-6 c nu2c f101 1.121314一FCCR11hu15164UQJK6.5-4-3 2 1Jy.R1 nHTR71011121314一亠工+ 15V（16腳為6路單脈沖輸入） 胡胡胡帀8KJ041蘇 （1510腳為6路雙脈沖輸岀）立V至 至VTi VT2至 至VT3 VT4至 至VT 5 VT 6圖5三相半波整流電路觸發(fā)電路4.2保護電路的設(shè)計電力電子電路中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。過電壓保護一般采用RC過電壓抑制電路，RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的

13、兩 端或電力電子電路的直流側(cè)。過電流保護分為過載和短路兩種情況，一般過電流保護措施常采用快速熔斷器、直流 快速熔斷器和電流繼電器。在本設(shè)計的保護電路中對變壓器一次側(cè)和二次側(cè)分別加上熔斷 器對其進行保護，對電機加上一個過載保護熔斷器，如圖6所示。圖6保護電路的設(shè)計5通過MATLAB仿真MATLAB仿真電路圖如圖7所示Continuou 客FLyollag ManufamantZ圖7三相半波整流電路 MATLAB仿真圖設(shè)置三相交流電壓為225.6V ,觸發(fā)角為31.3 °電抗值為2.4mH ,反電動勢為196V。 得到仿真波形如圖8所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，

14、負載 電壓波形，晶閘管電壓波形。圖8 MATLAB仿真波形圖所得波形基本與理論分析相符，觸發(fā)脈沖發(fā)出時，電壓已經(jīng)達到196V ,在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導(dǎo)通；換相后VTi關(guān)斷，在VT2導(dǎo)通期間，ug ua ub uab ； VT3導(dǎo)通期間，uvti ua uc uac。心得體會通過本次課程設(shè)計三相半波整流電路，讓我有很多感受和體會，深切的感受到了電子 技術(shù)在日常生活中的廣泛應(yīng)用，更加理解理論聯(lián)系實際的意義，為以后的工作、學(xué)習(xí)奠定 了基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計中主要還是通過查閱課本、圖書館相關(guān)資料并上網(wǎng)查有關(guān)芯片的引腳圖 才得以順利完成。在同學(xué)的幫助下設(shè)計出了電路，通過MATLAB仿真成功，同時也意識到

15、 了自己的一些不足之處，對課本非重點知識理解不夠深入，比如KJ004,不知道具體如何 使用，以后應(yīng)該加強對課本知識的理解，不能局限于考試的內(nèi)容。設(shè)計過程中不僅要參考書本上知識，還要有些自己的東西加進去，設(shè)計出電路以后可 以考慮從另一個方面著手再設(shè)計一個方案，看可行性如何，盡可能的將各種方案的優(yōu)點集 中到一個方案上來。完成了本次課程設(shè)計，有種如釋重負的感覺，同時也感到一點點自豪，可以用學(xué)到的 知識完成一個看似平常但卻包含很多知識的器件，大大提高了學(xué)習(xí)電子技術(shù)的積極性。這不僅僅是個人的成功，還得多虧同學(xué)們的幫助才能順利完成本次設(shè)計。以后的學(xué)習(xí)生活 中，大家更要相互幫助、學(xué)習(xí)，集思才能廣益，才能創(chuàng)作出好的作品。希望以后會有更多 的讓自己動手實踐的機會來提高自己的實踐能力。同時，在平時要要求自己多看書，多查閱相關(guān)資料，完備自己的知識體系，