相控式可控整流課程設(shè)計(2)

1、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)書下達日期 2014年 12月 23日 設(shè)計完成日期 2014年 12月 29 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 目錄第1章 概論 .4第2章 系統(tǒng)總體方案確定.52.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成.52.2系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)框圖.5第3章 主電路設(shè)計.63.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計.6.3.2主電路保護設(shè)計.7. 3.2.1晶閘管過電流保護.7 3.2.2晶閘管過電壓保護.8. 3.2.3 變壓器保護設(shè)計.8 3.3元件參數(shù)選型. 9第4章 單元控制電路設(shè)計.114.1 主控制芯片的詳細說明.114.2控制方法及控制功能單元電路設(shè)計.114.3 檢測及控制保護電路設(shè)計.11

4、4.4 驅(qū)動電路設(shè)計.12 4.4.1觸發(fā)電路原理.12 4.4.2觸發(fā)電路的要求.14第5章 電路分析與仿真.16 5.1仿真原理圖.165.2.系統(tǒng)仿真輸出波形.17 5.2.1 帶電阻負載的仿真.17 5.2.2 帶阻感負載的仿真.20第6章 設(shè)計總結(jié).附：評分表、參考文獻、進度安排 第1章  概述  整流電路（rectifying circuit）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

5、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載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。習(xí)慣上稱單向脈動性直流電壓。晶閘管在整流電路中充當(dāng)一個非常重要的角色，本次設(shè)計采用的主要器件就是晶閘管。整流電路通常由主電路、觸發(fā)電路和保護電路組成。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。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半

6、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，其輸出端的負載，我們研究是電阻性負載、電阻電感負載（如直流電動機的勵磁繞組，滑差電動機的電樞線圈等）。以上負載往往要求整流能輸出在一定范圍內(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，這樣負載

7、上直流平均值就可以得到控制。 第2章  系統(tǒng)總體方案確定2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成相控式直流可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，保護電路模塊。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。保護電路模塊有過電流保護，過電壓保護2.2 系統(tǒng)工作原理 及總體結(jié)構(gòu)框圖 380V三相交流電通過主變壓器調(diào)壓至二次端額定電壓U2，同時輸送給主電路。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

8、相控電路的正常工作，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 系統(tǒng)工作流程與原理大致可簡化為以

9、下框圖： 第3章  主電路設(shè)計3.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 在理想情況下，電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通，一個是共陽極組的,另一個是共陰級組的,只有它們同時導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路。T1、T2、T3、T4、T5、T6的觸發(fā)脈沖互差60°。因此,電路每隔60°有一個晶閘管換流，導(dǎo)通次序為123456，每個晶閘管導(dǎo)通120°。在整流電路合閘后,共陰極和共陽級組各有一個晶閘管導(dǎo)通。因此,每個觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)大于60°、小于120°,或用兩個窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖，即在向某一個晶閘管送出觸發(fā)脈沖的同時,向

10、前一個元件補送一個脈沖,稱雙脈沖觸發(fā)。當(dāng)T1、T6導(dǎo)通時,ud=uab；T1、T2導(dǎo)通時，ud=uac；同理，依次為ubc，uba，uca，ucb,均為線電壓的一部分。在T1導(dǎo)電的120°中，uT1=0（僅管壓降）；當(dāng)T3導(dǎo)通，T1受反向電壓關(guān)斷,uT1=uab；T5導(dǎo)通時,T3關(guān)斷，uT1=uac。因此晶閘承受的最大正、反向電壓為線電壓的峰值。3.2 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、快速熔斷器等。在一種則是采用電子保護電路，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

11、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3.2.1 晶閘管過電流保護 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。對于這種情況，最常見的保護措施就是接入快速熔斷器。如下圖所示3.2.2 晶閘管過電壓保護   晶閘管在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。一般采用

12、的保護措施是并接RC阻容吸收回路。如下圖示：3.2.3 變壓器保護設(shè)計 變壓器一、二次側(cè)均需阻容保護裝置。如下圖所示3.3元件參數(shù)選型  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：（1） 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：（2） 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

13、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U1=380V，I1=82.96A；次級繞組星形接法，U2=127V，I2=248.88A；容量選擇為9.46989kW. 第4章  單元控制電路設(shè)計 4.1 主控制芯片的詳細說明  主控制電路主要是整流變壓器（transformer），六脈沖觸發(fā)的三相晶閘管整流器（6-pulse thyristor brid

14、ge），電流電壓檢測器件三相電壓-電流檢測單元（v-i），在仿真中由于6-pulse thyristor bridge不能使用，選擇多功能橋式電路模塊，其原理都是一樣的。4.2 控制方法及控制功能單元電路設(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器（transformer）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 檢測及控制保護電路設(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-

15、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4.4 驅(qū)動電路設(shè)計  4.4.1 觸發(fā)電路原理脈沖觸發(fā)電路設(shè)計原理是利用六脈沖同步觸發(fā)來實現(xiàn)的，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3-2-1為三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路，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。 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。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單

16、、可靠，但易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較高，可達3°4°，精度低。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，各相濾波電路移相約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

17、路端子4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電路的輸入端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，就可改變觸發(fā)脈沖寬度。如需要180°的長脈沖，則可取消R、

18、C元件，并在KC04電路1112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。4.4.2 觸發(fā)電路的要求晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條： （1）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

19、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。  （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)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

20、在觸發(fā)脈沖消失前必須達到擎住電流，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)負載為電感性負載時，因其中電流不能突變，更需要較寬的觸發(fā)脈沖，才可使元件可靠導(dǎo)通。 （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、負載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān)。例如，單相全控橋電阻負載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為180°，而電感性負載（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載時要求移相范圍為150°，而三相全控橋式整流電路電阻負載時要求移相范圍為120°。集成觸發(fā)器具有可靠性高

21、，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。如上圖為KJ004電路原理。第5章   故障分析與仿真5.1仿真原理圖5.2 系統(tǒng)仿真輸出波形 5.2.1帶電阻負載的仿真 負載設(shè)置為100，仿真時間均為1.0s。觸發(fā)角為0°，30°，60°，90°，分別對應(yīng)的波形如下圖所示（1）=0°時，如下圖a、b所示，上到下依次為三相電流，檢測電壓，檢測電流，晶閘管VT1，六脈波，負載電壓電流信號。 （2）=30°時，如下圖a、b所示，上到下依次為三相電流，檢測電壓，檢測電

22、流，晶閘管VT1，六脈波，負載電壓電流信號。 （3）=60°時，如下圖a、b所示，上到下依次為三相電流，檢測電壓，檢測電流，晶閘管VT1，六脈波，負載電壓電流信號。圖a ，為三相電流、檢測電壓、檢測電路波形 圖b，為晶閘管VT1、六脈波、負載電壓電流的波形 （4）=90°時，如下圖a、b所示，上到下依次為三相電流，檢測電壓，檢測電流，晶閘管VT1，六脈波，負載電壓電流信號。圖a ，為三相電流、檢測電壓、檢測電路波形 第6章 設(shè)計總結(jié)兩周的電力電子課程設(shè)計匆匆就要結(jié)束了，雖然時間很短暫，但我的收獲是巨大。首先我深刻地認識到，要想學(xué)好專業(yè)知識，不能僅僅停留在理論知識學(xué)習(xí)，還得要勤于動手動腦，將自己上課學(xué)到的知識應(yīng)用到實際中去。與此同時我還學(xué)會仿真軟件MATLAB和畫圖工具visio的使用，大大地提高了今后學(xué)習(xí)的效率。剛開始進行電力電子課程設(shè)計的時候，真的是困難重重。不僅不知道從何下手，如何進行仿真也困擾了我許久。后來通過去圖書館借閱書刊，以及上網(wǎng)查找資料?？偹闶抢砬辶祟^緒，于是開始著手電路的設(shè)計。沒過多久，又在仿真的時候出現(xiàn)了問題。不能仿真，提示說有的元件不能使用，找不到測量值，波形圖不對等等問題。在這時就很無奈了，實在找不到解決的辦法，只能