三相橋式全控整流電路課程設(shè)計

1、湖南工學(xué)院電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 三相橋式全控整流電路 系 、 部： 電氣與信息工程系 專 業(yè)： 自動化 17目錄第1章 緒論11. 電子技術(shù)的發(fā)展趨勢12. 本人的主要工作3第2章 主電路的設(shè)計及原理31. 總體框圖32. 主電路的設(shè)計原理42.1帶電阻負(fù)載時52.2阻感負(fù)載時73. 觸發(fā)電路94. 保護(hù)電路105. 參數(shù)計算115.1 整流變壓器的選擇115.2 晶閘管的選擇115.3 輸出的定量分析12第3章 MATLAB的仿真131. MATLAB仿真軟件的簡介132. 仿真模擬圖143. 仿真結(jié)果14第4章 結(jié)束語16參考文獻(xiàn)17第1章 緒論1. 電子技術(shù)的發(fā)展趨勢 當(dāng)今世界能源

2、消耗增長十分迅速。目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才到使用者手中。預(yù)計十年后，電力能源中的80%要經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)在21世紀(jì)將起到更大作用。 電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。 電力電子技術(shù)作為一門高技術(shù)學(xué)科，由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等

3、方面有著重要的作用，現(xiàn)在已廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)(例如：電力、機(jī)械、交通、化工、冶金、輕紡等)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(例如：航天、現(xiàn)代化通信等)。下面著重討論電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用。 在高壓直流輸電(HVDC)方面的應(yīng)用 直流輸電在技術(shù)方面有許多優(yōu)點：(1)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián);(2)可以限制短路電流;(3)沒有電容充電電流;(4)線路有功損耗小;(5)輸送相同功率時，線路造價低;(6)調(diào)節(jié)速度快，運行可靠;(7)適宜于海下輸電。隨著大功率電子器件(如：可關(guān)斷的晶閘管、MOS控制的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等)開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的出現(xiàn)和投入應(yīng)用，

4、高壓直流輸電設(shè)備的性能必將進(jìn)一步得以改善，設(shè)備結(jié)構(gòu)得以簡化，從而減少換流站的占地面積、降低工程造價。 在柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的應(yīng)用 20世紀(jì)80年代中期，美國電力科學(xué)研究院(EPRI)N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流輸電技術(shù)的概念。近年來柔性交流輸電技術(shù)在世界上發(fā)展迅速，已被國內(nèi)外一些權(quán)威的輸電工作者預(yù)測確定為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支持技術(shù)(柔性輸電技術(shù)、先進(jìn)的控制中心技術(shù)和綜合自動化技術(shù))之一”?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制理論和通訊技術(shù)的發(fā)展為FACTS的發(fā)展提供了條件。采用IGBT等可關(guān)斷器件組成的FACTS元件可以快速、平滑地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，從而靈活、迅速地改變系

5、統(tǒng)的潮流分布。 在電力諧波治理方面的應(yīng)用 有源濾波是治理日益嚴(yán)重的電力系統(tǒng)諧波的最理想方法之一。有源濾波器的概念最早是在20世紀(jì)70年代初提出來的，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而實現(xiàn)實時補償諧波電流的目的。隨著中國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，使用以瞬時無功功率理論為理論基礎(chǔ)的有源濾波器進(jìn)行諧波治理將會有巨大的市場潛力。 在不間斷電源(UPS)中的應(yīng)用 UPS緊急供電系統(tǒng)是電力自動化系統(tǒng)安全可靠運行的根本保證，是計算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源?，F(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M

6、0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,降低了電源的噪聲,提高了效率和可靠性。 電力電子技術(shù)已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門。毫無疑問，它將成為新世紀(jì)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。電力電子技術(shù)擁有許多微電子技術(shù)所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力強、生命力旺盛，并且能與其它學(xué)科相互融合和相互發(fā)展。2. 本人的主要工作（1）設(shè)計一個三相橋式全控整流電路。 （2）把設(shè)計的電路圖進(jìn)行仿真，分析并調(diào)試，使輸出得到所要求的到的值。（3）用軟件MATLAB ，畫出設(shè)計原理圖。（4）完成設(shè)計報告。第2章 主電路的設(shè)計及原理1. 總體框圖交流源±220V主變壓

7、器觸發(fā)脈沖主電路保護(hù)電路 圖2-1-1 總電路的總體框圖2. 主電路的設(shè)計原理在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進(jìn)行控制的，控制角都是。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。 為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發(fā)的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘管是這樣編號的：晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。 為了

8、搞清楚變化時各晶閘管的導(dǎo)通規(guī)律，分析輸出波形的變化規(guī)則，下面研究幾個特殊控制角，先分析=0的情況，也就是在自然換相點觸發(fā)換相時的情況。圖1是電路接線圖。為了分析方便起見，把一個周期等分6段（見圖2）。在第（1）段期間，a相電壓最高，而共陰極組的晶閘管KP1被觸發(fā)導(dǎo)通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管KP6被觸發(fā)導(dǎo)通。這時電流由a相經(jīng)KP1流向負(fù)載，再經(jīng)KP6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為正，共陽極組的b相電流為負(fù)。加在負(fù)載上的整流電壓為ud=ua-ub=uab 經(jīng)過60°后進(jìn)入第(2)段時期。這時a相電位仍然最高，晶閘管KPl繼續(xù)導(dǎo)通，但是c相電位卻變成最低，

9、當(dāng)經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)c相晶閘管KP2，電流即從b相換到c相，KP6承受反向電壓而關(guān)斷。這時電流由a相流出經(jīng)KPl、負(fù)載、KP2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負(fù)。在負(fù)載上的電壓為ud=ua-uc=uac再經(jīng)過60°，進(jìn)入第(3)段時期。這時b相電位最高，共陰極組在經(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管KP3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管KP2因電位仍然最低而繼續(xù)導(dǎo)通。此時變壓器bc兩相工作，在負(fù)載上的電壓為ud=ub-uc=ubc2.1帶電阻負(fù)載時 a=0°時的情況假設(shè)將電路中的晶閘管換做二極管驚醒分析對于共陰極組的三個晶閘管，陽極所接交流電

10、壓值最大的一個導(dǎo)通對于共陽極組的三個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的導(dǎo)通認(rèn)識時刻共陽極組和共陰極組中各有一個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時，Ud1為相電壓的正包絡(luò)線，共陽極組導(dǎo)通時，Ud2為相電壓的負(fù)包絡(luò)線，Ud=Ud1-Ud2是兩者的差值，為為線電壓在正半周的包絡(luò)線直接從線電壓波形看，Ud為線電壓中最大的一個，因此Ud波形為線電壓的包絡(luò)線。 圖2-2-1 三項橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時的波形由上述三相橋式全控整流電路的工作過程可以看出：1.三相橋式全控整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，另一個是共陽極組的，只有它們能同時

11、導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路。2. 三相橋式全控整流電路就是兩組三相半波整流電路的串聯(lián)，所以與三相半波整流電路一樣，對于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管KPl、KP3和KP5依次導(dǎo)通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差應(yīng)為120°。對于共陽極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管KP2、KP4和KP6依次導(dǎo)通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差也是120°。3.由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽極組是在負(fù)半周觸發(fā)，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)該相差180°。4. 三相橋式全控整流電路每隔60°有一個晶閘管要換流，由上一號晶閘管換流到下一號晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈

12、沖的順序是：1234561，依次下去。相鄰兩脈沖的相位差是60°。5.由于電流斷續(xù)后，能夠使晶閘管再次導(dǎo)通，必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時有觸發(fā)脈沖。為了達(dá)到這個目的，可以采取兩種辦法；一種是使每個脈沖的寬度大于60°（必須小于120°），一般取80°100°，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管上都有觸發(fā)脈沖，相當(dāng)于兩個窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖。這種方法稱雙脈沖觸發(fā)。6、整流輸出的電壓，也就是負(fù)載上的電壓。整流輸出的電壓應(yīng)該是兩相電壓相減

13、后的波形，實際上都屬于線電壓，波頭uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均為線電壓的一部分，是上述線電壓的包絡(luò)線。相電壓的交點與線電壓的交點在同一角度位置上，故線電壓的交點同樣是自然換相點，同時亦可看出，三相橋式全控的整流電壓在一個周期內(nèi)脈動六次，脈動頻率為6 × 50=300赫，比三相半波時大一倍。7、晶閘管所承受的電壓。三相橋式整流電路在任何瞬間僅有二臂的元件導(dǎo)通，其余四臂的元件均承受變化著的反向電壓。例如在第(1)段時期，KP1和KP6導(dǎo)通，此時KP3和KP4,承受反向線電壓uba=ub-ua。KP2承受反向線電壓ubc=ub-uc。KP5承受反向線電壓uca=uc-u

14、a。晶閘管所受的反向最大電壓即為線電壓的峰值。當(dāng)從零增大的過程中，同樣可分析出晶閘管承受的最大正向電壓也是線電壓的峰值。當(dāng)a=60°時的情況：當(dāng)觸發(fā)角a改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。從wt1角開始把一周期等分為六段，每段60度。在VT1處于通態(tài)的120度期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的Ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120度期間，ia波形的形狀也與同時段的Ud波形相同，但為負(fù)值。當(dāng)a<60°時，Ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與Ud波形形狀一樣，也連續(xù)。Ud波形每60°中有一段為零，Ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。帶電阻負(fù)載時三項橋式全控整流電路a角

15、的移相范圍是120°。 圖2-2-2 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=60度時的波形2.2阻感負(fù)載時當(dāng)a<60°時，Ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，個晶閘管的通斷情況、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，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id波形與Ud波形形狀一樣。而足感負(fù)載時，由于電感的作用，似的負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時候，負(fù)載電流的波形可近似的為一條水平線。圖2-2-3為三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=0°時的波形。 圖 2-2-3 三相橋式全控整流

16、電路帶阻感負(fù)載a=0°時的波形當(dāng)a>60時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時Ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感L的作用，Ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-2-4為三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=90°時的波形。 圖 2-2-4 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=90°時的波形3. 觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管開關(guān)可靠導(dǎo)通（門極電流應(yīng)大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈

17、沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多?？煽啃愿撸夹g(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。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。此處就是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。KJ004組成分為同步、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)。KJ004觸發(fā)電路為模擬的觸發(fā)電路,其組成為：3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行

18、脈沖放大,即可得到完整的三相全控橋觸發(fā)電路。三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖2-3-1所示。圖2-3-1 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路4. 保護(hù)電路為了保護(hù)設(shè)備的安全，必須設(shè)置保護(hù)電路。此設(shè)計電路必須對經(jīng)晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行電路的保護(hù)設(shè)計。1、 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。對于晶閘管初開通引起的較大電流上升率，可在晶閘管的陽極回流串聯(lián)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)載回路接地時可以采用接入熔斷器進(jìn)行保護(hù)。 圖2-4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路2、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

19、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，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)電流的電感會因高電流變化率產(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。 圖2-4-2并聯(lián)RC電阻電容吸收回路5. 參數(shù)計算5.1 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。由變壓器三角形心形接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： （2-1）變化為： 變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的相電流計算公式為： （2-2） 而在三相橋式全控中： （2-3）所以變壓器的容量分別如下:變壓器次級容量為： （2-4）變壓器初級容量

20、為： （2-5）變壓器容量為： （2-6）即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法U1=380V.I1=82.96A;次級繞組星形接法，U2=127V,I2=248.88A:容量選擇為10Kw。5.2 晶閘管的選擇1、 晶閘管的額定電壓 由三相全控橋整流電路的波形分析知，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值： （2-7）故橋臂的工作幅值為： 考慮欲量，則額定電壓為： 2、 晶閘管的額定電流 晶閘管電流的有效值為： （2-8）考慮欲量，故晶閘管的額定電流為： 5.3 輸出的定量分析在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出電壓Ud的波形在一周期內(nèi)脈動六次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平

21、均值時，只需對一個脈沖進(jìn)行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標(biāo)的零點，于是可得到整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載a<60°時）的平均值為： （2-9） 帶電阻負(fù)載且a>60°時，整流電壓平均值為 （2-10）輸出電流的平均值為： 。第3章 MATLAB的仿真1. MATLAB仿真軟件的簡介Matlab控制系統(tǒng)仿真軟件是當(dāng)今國際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，1999年春Matlab5.3版問世，使Matlab擁有更豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，更友善的面向?qū)ο?、更加快速精良的圖形可視、更廣博的數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應(yīng)用開發(fā)工具，特別是SIMULINK這一

22、個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境的出現(xiàn)，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設(shè)的非線性因素、隨機(jī)因素，從而及時學(xué)生沒有對非線性動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，仍可通過仿真來認(rèn)知非線性對系統(tǒng)動態(tài)的影響。2. 仿真模擬圖 圖3-2-1 仿真模擬圖3. 仿真結(jié)果 此仿真結(jié)果都為組感性負(fù)載時的仿真時運行的結(jié)果，且電感的阻值很大。此設(shè)計的仿真結(jié)果仿真了0°、30°、90°時的Ud、Id的波形圖，分別如圖3-3-1、3-3-2、3-3-3所示，其中上面的圖形為Ud的輸出波形圖，下面的圖形為Id的輸出波形圖。1、當(dāng)觸發(fā)角a=0°時 圖3-3-1 觸發(fā)角為0°時的Ud、Id的波形圖2、