《三相可控整流电路课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相可控整流电路课程设计.docx（22页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：三相桥式可控整流实验装置院（系）：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：起止时间：课程设计（论文）任务及评语学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目三相桥式可控整流实验装置课程设计（论1、文2、任3、务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为1台额定电压220V、功率为10kW的直流电动机提供直流可调电源，以 实现直流电动机的调速设计任务1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具 体型号。4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。5、触发电路设计或选 择。6、绘制相关电路图。7、完成4000字左右说明书。要求1
2、、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、兀器件的选择符合要求。技术参数1、交流电源：三相380V。2、整流输出电压U在0110V连续可调。3、整流 输出电流最大值5A。4、负载：纯电阻、阻感、直流电动机。5、根据实际工作情 况，最小控制角取2030。左右。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设 计；第5天：选择器件；第6天：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电 抗器；第8天：触发电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指 导 教 师 评 语 及 成 绩1攵F号平时：总成绩：论文质量：答辩：_指导
3、教师签字：年月日院（系）教研室：电气注：成绩：平时20%论文质量60% 答辩20%以百分制计算电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的 动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。随着电力电子器 件的大力发展，电力电子器件在大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模 块化、功率集成化等六方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效 率高，与传统方法相比，相同的工作量可以节约电能10%40%，因此它是一项 节能技术，而整流技术就是其中很重要的一个环节。本次设计以三相桥式全控整流电路构成主电路，根据三相桥式全控整流电路 对触发电路的要求，采用同步信号为锯
4、齿波的触发电路，输出为双窄脉冲，脉冲 宽度在10左右。本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉 冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路，通过参数 计算对晶闸管进行了选型。关键词：整流；三相桥式；全控目录第1章绪论11.1电力电子技术概况11.2本文设计内容1第2章 三相桥式可控整流电路设计22.1三相桥式可控整流总体设计方案22.2具体电路设计22.2.1主电路设计22.2.2控制电路设计82.2.3保护电路设计102.3元器件型号选择122.4系统调试或仿真、数据分析13第3章课程设计总结15参考文献16iii第1章绪论1.1电力电子技术概况电力电子技术的
5、应用已经深入到国家的经济建设，交通运输，空间技术，国 防现代化，医疗，环保和人们日常生活的各个领域。进入新世纪以后电力电子技 术的应用更加广泛。有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术 共同成为未来科技的两大支柱。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具 体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。通常把电力电子 技术分为电力电子制造和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种 电力变换电路和对这些电路进行控制技术，以及由这些电路构成电路电子装置和 电力电子系统的技术。“变流”不仅指交直流之间的交换，也包括直流变直流和交 流变
6、交流的变换。如果没有晶体管及电力晶体管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而 电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电 力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件的制造 技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。1.2本文设计内容本次通过对三相桥式可控整流电路构成原理的分析，完成设计一款三相桥式 全控整流电路实验装置。设计任务包括：通过该装置，测试及观察三相桥式全控整流的各个参数及其各个波形；通过实验检测自身掌握的理论知识。第2章三相桥式可控整流电路设计2.1三相桥式可控整流总体设计方案整个设计主要分为主电路、触发电路、保
7、护电路三个部分。当接通电源时， 三相桥式全控整流电路主电路通电，同时在触发模块中，同步电路和与之连接的 集成触发电路也通电工作，其形成的触发脉冲使主电路中晶闸管触发导通工作， 经过整流后的直流电通给直流电动机，使电动机工作。触发模块触发信号图2.1三相桥式全控整流电路结构图2.2具体电路设计2.2.1主电路设计主电路的确定将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳 极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。晶闸管按从1 至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三 相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT
8、5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。纯电阻负载图2.2纯电阻负载晶闸管触发角a=0。时的情况：此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所 接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交 流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴 极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。a=0。时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与 线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压 的交点。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管
9、 导通时，整流输出电压为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输 d 1出电压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压=-是两条包 d 2d d 1d 2络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。将波 形中的一个周期等分为6段，每段为60，如图2.1.2所示，每一段中导通的晶 闸管及输出整流电压的情况如下表所示。表2.1时段IIIIIIIVVw共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ubua-ucub- ucub- uauc- uauc-ub=uab=uac=ubc
10、=uba=uca=ucb由图得：6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5 -VT6的顺序，相位 依次差60；共阴极组和阳极组依次差120 ；同一相的上下两个桥臂脉冲相差 180a=0时晶闸管承受的电压波形如图2.3所示。图2.3电阻性负载(a=0)图中还给出了晶闸管VT1流过电流，的波形，由此波形可以看出，晶闸管 一周期中有120处于通态，240处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通 态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。当触发角a改变时，电路的工作情况将发生变化。当a=30时。从匕角开 始把一个周期等分为6段，每段为60。与a=0时的情况相比，一周期中匕波 形仍由6段线电
11、压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在 于，晶闸管起始导通时刻推迟了 30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud 平均值降低。图中同时给出了变压器二次侧a相电流匕的波形，该波形的特点是，在VT1 处于通态的120期间，i为正，i波形的形状与同时段的u波形相同，在VT4aad处于通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。图2.4电阻性负载（a=30 ）当a=60时，电路工作情况仍可参考上图分析，ud波形中每段线电压的波 形继续向后移，匕平均值继续降低a=60。时匕出现了为零的点。由以上分析可见，当aW60。时，匕波形均连续，对于电阻负载，id波形与
12、 u波形的形状是一样的，也连续。 d当a60时，如a=90。时电阻负载情况下，此时u波形每60。中有30 为零，这是因为电阻负载时id波形与匕波形一致，一旦降至零，id也降至 零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压、为零，因此波, 形不能出现负值。如果继续增大至120，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零， 可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120。阻感负载a=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线 电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的 交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以
13、从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出d 1电压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压=u - u是两条包络d 2d d 1 d 2线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压ud为这 两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在 正半周的包络线。由于负载端所接的电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而
14、使得负 载电流几乎为一条直线。如图2.1.5所示。zf zf图2.5阻感负载图2.6阻感性负载（a=0）当触发角a改变时，电路的工作情况将发生变化。当。二300时，从o匕角开 始把一个周期等分为6段，每段为600与a=00时的情况相比，一周期中波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2. 1的规律。区别在 于，晶闸管起始导通时刻推迟了 300，组成 七的每一段线电压因此推迟300,匕平 均值降低。图2.7中给出了变压器二次侧a*目电流 匕 的波形，该波形的特点 是，在VT1处于通态的120o期间，七为正，由于大电感的作用，七波形的形状近 似为一条直线，在VT4处于通态的120。
15、期间，七波形的形状也近似为一条直线， 但为负值。图2.7阻感性负载（a=30 ）图2.8阻感型负载（a=90）当。二600时，电路工作情况仍可对照表2.1分析。七波形中每段线电压的波 形继续向后移，七平均值继续降低，以=600时勺出现了为零的点。由以上分析 可见，当以V 600时，ud波形连续。对于带大电感的反电动势，波形由于电感的 作用为一条平滑的直线并且也连续。当以600时，如以=900时电阻负载情况下的工作波形如图2.8所示，匕平 均值继续降低，由于电感的存在延迟了 VT的关断时刻，使得ud的值出现负值， 当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零:这说明带阻感的 反电动
16、势的三相桥式全控整流电路的a角的移相范围为900。2.2.2控制电路设计触发电路整流输出电压ud 一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉 波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作， 需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。因此，可采用的方法有两种：一种 是使脉冲宽度大于60，称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的 同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄 脉冲的前沿相差60，脉宽一般为20 30。，称为双脉冲触发。双脉冲电路较 复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但 为了不使脉冲
17、变压器饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增 大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利，故采用双脉冲触发。三相全控桥整流电路的集成触发电路，由3个KJ004集成块和1个KJ041集 成块构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。KJ041内部 是由12个二极管构成的6个或门。如果触发电路为模拟的称为模拟触发电路。其 优点是结构简单、可靠，但易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高，可达 34，精度低。如果触发电路为数字称为数字触发电路，其脉冲对称度很好， 如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.71.5。KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电
18、压及锯齿 波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见图2.9：锯齿波 的斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同 的移相控制电压VY，只有改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP。 同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。 触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路， 改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。R-Ii-2RRR1 RRRR nR Rh113l4y 6VSJV1011 14IT-.20-R1516H?-c+15V5Rn i_ +1
19、5VLVVD1Rk 19k 17 VD5VD6 宜Vw l_rV 加VS2U3&EZHRP R124VDvR13 IZZF9 111匕2812131G-0-HRHr-0R27RNV98 曲VT7坪VRVS16/IR172旦14+15V1222图2.9集成触发电路结构双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全 控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电 路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。o-4O0JKjyLi6j5MHj2C94 P9L 1 0 R
20、24O0JK_/cqC8%R+15V（1 6却为6路单脉冲输入由也也5KJ041（151啊为6路双脉冲输出）至VT 至VT 至VT 至VT 至VT 至VT123456图2.10集成触发电路2.2.3保护电路设计电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因过电压。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等，包括:LTC-p-D=at!r(21F一避雷器D一变压器静电屏蔽层C一静电感应过电压抑制电容RC1一阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2 一阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV一压敏电阻过电压抑制器RC3 一阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4一直流侧RC抑制电路RCD一阀器件关断过电压抑
21、制用RCD电路图2.11过电压抑制措施及配置位置操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起；雷击过电压：由雷击引起。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立 刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急 剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；关断过电压：全控型器件关 断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。+a)侧 网侧 阀侧 流 直b)图1-36图2.12 RC过电压抑制电路连接方式图2.13反向阻断式过电压抑制用RC电路a）单相b）三相电力电子装置可视具体情况只采
22、用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因 过电压的措施，属于缓冲电路范畴。外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路 最为常见，典型联结方式见图2.12。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧 （供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。大 容量电力电子装置可采用图2.13所示的反向阻断式RC电路。2.3元器件型号选择型号选择基本数量关系直流平均电压ud1 2n_.u =+z 6u sin st (wt) = 2.34u cos ad兀写、2 d23 3晶闸管电流平均值I =dtd晶闸管电流有效值I =印td变压器次级绕组有效值12 = Ed晶闸管最大线电压峰值U
23、=在给出条件下进行其元器件参数确定u d =2.34 u 2 cos au 2 =54.282Vu max = & *54.282=132.968V晶闸管的额定电压U N = (23) u max= (265.936398.904) V额定电流1NId =5A流过每个晶闸管的电流有效值1 t I173。= 473 - 5A = 2.89A1N = (L5 2) -1-57 =(2.763.68)A晶闸管额定电流I = t = 2.894 “ = 1.84A t( av)1.57 /L57(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)(2-
24、11)(2-12)通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为T212-10螺 栓型普通晶闸管。变压器1变压器的变比：若将变压器看作是理想变压器，不计变压器的励磁电流，根据变压器的磁动 势平衡原理，得I1N1=I2N2(2-13)变压器的变比K= N1/N2 =U1/U2 =380/54.282=7(2-14)2变压器的容量S=气3 U1 * I1 /3 U2 *I2 = 3 U2 *Id= %3 *54.282* 5 = 470.096VA(2-15)考虑到安全性以及损耗问题，变压器应选变比为7,容量为500V.2.4系统调试或仿真、数据分析运用MATLAB软件对本三相桥式可控整流
25、电路进行系统仿真实验。ThlAft-PhJ :A 心anCofKljrilCuiianb DjrmnUntvsiTJl 日ndgU-alkd 尹 Majiauiar i-inkSFuK勺 “I山iECDp4图2.4.1三相桥式全控整流电路仿真电路图图2.4.2三相桥式全控整流电路仿真波形在三相桥式全控整流电路中计算其平均值时，只需对一个脉波进行计算即可。 因为所有电压输出波形是连续的，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得整 流输出电压连续时的平均值为1+a广 Qn3+a3 32n._(2-16)将 a = 300和 U2U = 2.34U cos a =110V输出电流平均值Id =5A 变
26、压器二次侧电流I =气23 -1广4.08A=54.282V代入式计算得(2-17)(2-18)(2-19)u sin t 伽)=2.34u cos a第3章课程设计总结本次课题分五个环节进行阐述，其内容包括：1、主电路的设计；2、触发电 路的设计；3、保护电路设计，4、主电路元件的选择；5、整流变压器额定参数的 计算。设计采用的是三相桥式全控整流电路。整流电路广泛应用于工业中，它可按 照以下几种方法分类：1、按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2、按 电路结构可分为桥式电路和零式电路；3、按交流输入相数分为单相电路和多相电 路；4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和
27、双拍电路。 一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。 三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三 相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。触发电路采用的是锯齿波 同步触发电路，该触发电路分成同步电压、锯齿波形成和脉冲移相、脉冲形成与 放大、强触发和双窄脉冲形成等环节。通过这次课程设计，我了解到了只是听课考试是远远不够的，只有把所学的 知识运用起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会使自己真正 的掌握知识。在设计的过程中，我发现了自己的不足之处，以前所学过的知识理 解得不够深刻，掌握得不够牢固，这次的课程设计，让我重新
28、温故了以前所学的 知识，并且有了更加深刻的理解。参考文献I 王兆安，黄俊电力电子技术北京：机械工业出版社，2008黄俊，秦祖荫电力电子自关断器件及电路北京：机械工业出版社，19913 林渭勋现代电力电子技术北京：机械工业出版社，20064 王维平现代电力电子技术及应用南京：东南大学出版社，19995 叶斌 电力电子应用技术及装置 北京：铁道出版社，19996 马建国，孟宪元电子设计自动化技术基础北京：清华大学出版社,20047 马建国电子系统设计北京：高等教育出版社,20048 王锁萍 电子设计自动化教程 四川：电子科技大学出版社20029 李宏编电力电子设备用器件与集成电路应用指南北京：机械工业出版社，200110 莫正康电力电子应用技术北京：机械工业出版社，2000II 刘卫民，施金良电力电子技术 重庆：重庆大学出版社，200412 李序葆，赵永健电力电子器件及应用北京：机械工业出版社，199613 陈坚电力电子学北京：高等教育出版社，200114 黄家善，王廷才电力电子技术北京：机械工业出版社，200015 龙志文电力电子技术机械工业出版社，2005
