三相桥式整流电路的设计(带反电动势的负载).doc

辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术 课程设计 论文 题目 三相桥式整流电路的设计 带反电动势的负载 院 系 电气工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 签字 起止时间 2013 12 30 2014 1 10 课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动化 学 号 110302025 学生姓名 陈绳鹏 专业班级 自动化111 课程设计 论文 题 目 三相桥式整流电路的设计 带反电动势负载 课程设计 论文 任务 课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数 整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路 多数由变压器 整流主电路和 滤波器等组成 在直流电动机的调速 发电机励磁调节 电解及电镀等领域得到广泛 地应用 整流电路的种类很多 工业上广泛应用的三相桥式全控整流电路是从三相半 波电路发展而来的 两组三相半波整流电路 一组是共阴极 另一组是共阳极串联组 成 设计任务及要求 1 确定系统设计方案 各器件的选型 2 设计主电路 触发电路 保护电路 3 各参数的计算 输出平均电压 平均电流 有功功率及波形分析 4 建立仿真模型 验证设计结果 5 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数 输入电压 三相交流 380V 50HZ 整流输出电压 0 110V 电流最大值 10A 反电动势 40V 电阻 10 欧姆 进度计划 1 布置任务 查阅资料 确定系统方案 1 天 2 系统功能分析 1 天 3 系统方案确定 1 天 4 主电路 触发电路等设计 2 天 5 各参数计算 1 天 6 仿真分析与研究 2 天 7 撰写 打印设计说明书 1 天 8 答辩 1天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 摘 要 整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路 大多数整流电路由变压器 整流 主电路和滤波器等组成 在直流电动机的调速 发电机励磁调节 电解及电镀等领域得 到广泛地应用 整流电路由主电路 滤波器和变压器组成 本次三相桥式电路整流器的设计采用的是三相全控桥整流电路 电路设计在带反电 动势负载下完成 系统电路主要包括 三相桥式整流器主电路设计 晶闸管相控触发电 路设计 过电流和过电压保护电路设计三个部分 因而整个系统设计就大体从这三个电 路部分来设计完成 通过 MatlAB 软件对主电路进行仿真获得相应的输出电压 电流波形 与理论上的输出波形进行对比 关键词 整流 变压 触发 保护电路 MatlAB 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体结构 2 第 3 章 三相桥式全控整流主电路的设计 3 3 1 主电路设计及原理 3 3 2 主电路设计的原理 3 3 3 输出参数计算 7 第 4 章 外围电路设计及元件选择 9 4 1 触发电路的设计 9 4 1 1 电路图的选择 9 4 1 2 触发电路原理说明 10 4 2 保护电路的设计 11 4 2 1 主电路的过电压保护 11 4 2 2 晶闸管的过电压保护 12 4 2 3 晶闸管的过电流保护 13 4 3 整流变压器的参数计算 13 第 5 章 三相桥式整流电路的 MATLAB 仿真 15 第 6 章 课程设计总结 17 参考文献 18 第 1 章 绪论 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支 通常所说的模拟电子 技术和数字电子技术都属于信息电子技术 电力电子技术是应用于电力领域的电 子技术 具体的说 就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 所用 的电力电子器件均用半导体制成 故也称为电力半导体器件 电力电子技术所变 换的 电力 功率可以大到数百 MW 甚至 GW 也可以小到数 W 甚至 1W 以下 信息电子技术主要用于信息处理 而电力电子技术则主要用于电力变换 电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域 半导体整 流控制 半导体硅整的小型化等的出现 产生一个新的电力电子应用领域 半导 体硅整流 汞弧整流器应用于控制电源 但是这样的整流回路只是工业电子的一 部分 对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的 半导体硅整流的应用涉及很多 领域 如汽车 电站 航空电子 高频变频器等 整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路 大多数整流电路由变压器 整流主电路和滤波器等组成 在直流电动机的调速 发电机励磁调节 电解及电 镀等领域得到广泛地应用 整流电路由主电路 滤波器和变压器组成 随着科学技术的日益发展人们对电路的要求越来越高 由于在生产实际中需 要大小可调的直流电源 而相控整流电路结构简单 控制方便 性能稳定 利用 它可方便得到大 中 小各种容量的直流电能 是目前获得直流电能的主要方法 得到了广泛应用 在电能的生产和传输上 目前以交流电为主 电力网供给用户 的是交流电 而在许多场合 例如电解 蓄电池的充电 直流电动机等 需要用 直流电 要得到直流电 除了直流发电机外最普遍应用的是利用各种半导体元件 产生直流电 这个方法中 整流是最基础的一步 整流 即利用具有单向导电性 的器件 把方向和大小交变的电流变换为直流电 本设计主要是对三相桥式全控 整流电路 带反电动势的负载 的研究 20 世纪 70 年代以后 主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成 整流电路的 种类很多 有半波整流电路 单相桥式半控整流电路 单相桥式全控整流电路 三相桥式半控整流电路 三相桥式全控整流电路等 工业上广泛应用的三相桥式 全控整流电路是从三相半波电路发展而来的 三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比 输出整流电压提高一倍 输出 电压的脉动率高 基波频率为 300HZ 在负载要求相同的直流电压下 晶闸管承 受的最大正方向电压将比三相半波减少一半 变压器的容量也比较小 同时三相 电流平衡 无须中线 所以 三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实 现有源逆变的负载 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本设计是三相全控桥式整流电路的设计 而三相桥式整流电路作用是给直流 电动机供电 可以知道这是一个交流到直流的变换电路 即整流电路 直流电动 机负载可以看成是三相全控桥式电路接一个反电动势负载 由此可以得出此设计 的重点在于设计三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换 且保证输 出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可 然后分别对主电路及触发 电路进行设计 技术要求 输入电压 三相交流 380V 50HZ 整流输出电压 0 110V 电流 最大值 10A 反电动势 40V 电阻 10 欧姆 2 2 系统组成总体结构 本设计是三相全控桥式整流电路的设计 主要由主电路 触发电路 保护电 路三部分组成 主电路主要完成对交流电到直流电的整流过程 触发电路控制晶 闸管的导通和关断控制输出电压的大小 保护电路保护主电路中的元器件 总体 框图如图 2 1 所示 图 2 1 系统总框图 触发电路 保护电路 主电路三相交流电源 负载 第 3 章 三相桥式全控整流主电路的设计 3 1 主电路设计及原理 将阴极连接在一起的 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 习惯上我们希望晶 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 U V W 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1 VT3 VT5 共阳极组中与 U V W 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4 VT6 VT2 又后面的分析可 知 晶闸管的导通顺序为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 图3 1 主电路的设计 3 2 主电路设计的原理 整流电路的负载为带反电动势的阻感性负载 当晶闸管触发角 0 时 此 时 对于共阴极组的 3 个晶闸管 阴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 工作波形如图 3 2 所示 VT1S2800A VT2S2800A VT3S2800A VT4S2800A VT5S2800A VT6S2800A L 1 0MH R30 E40 V L1 1 0mH L2 1 0mH L3 1 0mH L4 1 0mHL51 0mH L6 1 0mH a b c 图 3 2 反电动势 0 时的波形 0 o时 各晶闸管均在自然换相点处换相 在分析 ud 的波形时 既可从相 电压波形分析 也可以从线电压波形分析 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 ud1 为相电压在正半周 的包络线 共阳极组导通时 整流输出电压 ud2 为相电压在负半周的包络线 总 的整流输出电压 ud ud1 ud2 是两条包络线间的差值 将其对应到线电压波形 上 即为线电压在正半周的包络线 直接从线电压波形看 由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大 正得 最多 的相电压 而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小 负得最多 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 由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大 当电流增加时 它的极性 阻止电流增加 当电流减小时 它的极性反过来阻止电流减小 电感的这种作用 使得电流波形变得平直 电感无穷大时趋于一条平直的直线 为了说明各晶闸管的工作的情况 将波形中的一个周期等分为 6 段 每段为 60o 如图 2 所示 每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示 由 该表 3 1 可见 6 个晶闸管的导通顺序为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 表 3 1 0 o时晶闸管工作情况 图 3 3 给 出了 30 o时 的波形 从 t1 角开始把 一个周期等分 为 6 段 每段 为 60o与 0 o时的情 况相比 一周 期中 ud 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 1 的规律 区别在于 晶闸管起始导通时刻推迟了 30o 组成 ud 的每一段线电压因此推迟 30o ud 平均 值降低 晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示 图中同时给出了变压器二次 侧 a 相电流 ia 的波形 该波形的特点是 在 VT1 处于通态的 120o期间 ia 为 正 由于大电感的作用 ia 波形的形状近似为一条直线 在 VT4 处于通态的 120o期间 ia 波形的形状也近似为一条直线 但为负值 时段 共阴极组中导通的晶 闸管 V T1 V T1 V T3 V T3 V T5 V T5 共阳极组中导通的晶 闸管 V T6 V T2 V T2 V T4 V T4 V T6 输出电压 Ud U ab U ac U bc U ba U ca U cb 图 3 3 30 o时的波形 由以上分析可见 当 60 o时 ud 波形均连续 对于带大电感的反电动势 id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续 当 60 o时 如 90 o时电阻负载情况下的工作波形如图 3 4 所示 ud 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势的三相桥式 全控整流电路的 角的移相范围为 90 度 图 3 4 90 o时的波形 3 3 输出参数计算 三相桥式全控整流电路中 整流输出电压 Ud 的波形在一个周期内脉动 6 次 且每次脉动的波形相同 因此在计算平均值时 只需要一个脉动进行计算即可 应为 0 90 时输出电流波形是连续的 以线电压的过零点为时间坐标的 零点 可得到整流输出电压的平均值 当输出电压为 0V 时 0 输出电压为 110V 时 77 7 由此可知要使输出电压在 0 110V 只要使触发角在 0 77 7 之间变化 cos34 2 sinwtdU63122 wtdUd 输出电流平均值 电压器二次侧电流 流过晶闸管的电流平均值 Idt 有效值 It 和晶闸管承受的最高电压 Utm REUId Ida32 IdIt57 031 224 6UUtmIIdt 第 4 章 外围电路设计及元件选择 4 1 触发电路的设计 4 1 1 电路图的选择 晶闸管具有硅整流器件的特性 能在高压 大电流下工作 且工作过程可以 控制 被广泛应用与可控整流 交流调压 无触点电子开光 逆变变频等电子电 路中晶闸管具有以下特性 1 当晶闸管承受反向电压时 无论门极是否有触发电流 晶闸管都 不会导通 2 晶闸管承受正向阳极电压时 仅在门极承受正向电压的情况下晶 闸管才导通 3 晶闸管在导通情况下 只要有一定的正向阳极电压 不论门极电 压如何变化 晶闸管都保持导通 即晶闸管导通后 门极失去作 用 4 晶闸管在导通的情况下 当主回电压减小到接近于零时 晶闸管 关断 根据晶闸管的这种特性 通过控制晶闸管的导通和关断时刻 就能控制整流 电路的触发角的大小 在整流电路合闸启动中或电流断续时 为确保电路的正常 工作 需保证导通的两个晶闸管均有触发脉冲 在触发某个晶闸管的同时 给序 号的前一个晶闸管补发脉冲 即用两个窄脉冲代替宽脉冲 两个脉冲前沿相差 60 度 脉冲一般为 20 度到 30 度 称为双脉冲触发 触发电路如图 4 1 所示 图 4 1 触发电路图设计 4 1 2 触发电路原理说明 双脉冲信号的形成与控制用 KJ041 六路双脉冲形成器完成 KJ041 内部结构 如图 4 2 所示 图 4 2 KJ041 内部结构原理图 T13 R10 C2 R74 T6 T73 R6 T5 R1 R2 R4 R9R8 D6 D58 D7 T8 D12 11 Bus1 Bus2 D8 Bus3 D1 D2 12 T1 5 Bus4 15 Bus5 R0 T46 D3 D4 D9 D139 R13 T91 R10r13 T1016 T1117 T12 18 7R11 19 Bus6 20T15 21 Bus7 R13r 10 D14 T1424 25Bus8 D1123 22 R32 Bus9 T2 T326 D10 R17 14 C1 R 28 Rf29 R2230 C4 R24 R2527C3 32Bus11 R23 Bus12 15V 15V Ui 偏偏偏偏 Ui 偏偏偏偏 35 Uco Up R9 RL R6 59 11 12 15 16 KJ004 C3 R12 87 54 31C9 r Rp66 R21 C6 R18 Rp34 R157 R5R8R2 19 11 15 16 12KJ004 87 54 31 C2 R11 R17 Rp2 Rp112 C58 13 R20 C8 r100 Rp5 10 R4 17 R1 3 R7 911 12 15 16 KJ004 8 75 43 1 C1 R10 R16 R3 R13 15 18 Rp4 19 R99 C7 R19 16 C4 11 15V UTA UTB UTC 15V KJ0411 2 3 4 5 6 7 8910111213141516 VT1 VT2VT3 14VT4VT5VT6 D2D1 D3 D4 D5 21 20 2 D6 23T1 T2 T3 T4 T5 T6 如图 4 1 所示 KJ041 的 1 6 管脚为单脉冲信号输入 把单脉冲信号由 10 15 管脚两两同时形成双脉冲信号 10 15 管脚两两同时输出对应输送给 VT6 VT1 1 假设在 T1 时刻 15 脚开始给 VT1 输送脉冲信号 刚经过 60 度后 14 脚开始给 VT2 双脉冲信号 即只有 15 脚和 14 脚有信号输出 其它脚 没有信号输出 此时 VT1 和 VT2 同时导通 2 再过 60 度后 15 脚停止输出信号 而 13 脚开始给 VT3 输出信号 即只有 14 脚和 13 脚有信号输出 其它管脚没有信号输出 此时 VT2 和 VT3 同时导通 3 再过 60 度后 14 脚停止输出信号 而 12 脚开始给 VT4 输出信号 即只有 13 脚和 12 脚有信号输出 其它管脚没有信号输出 此时 VT3 和 VT4 同时导通 4 再过 60 度后 13 脚停止输出信号 而 11 脚开始给 VT4 输出信号 即只有 12 脚和 11 脚有信号输出 其它管脚没有信号输出 此时 VT4 和 VT5 同时导通 5 再过 60 度后 12 脚停止输出信号 而 10 脚开始给 VT6 输出信号 即只有 11 脚和 10 脚有信号输出 其它管脚没有信号输出 此时 VT5 和 VT6 同时导通 6 再过 60 度后 11 脚停止输出信号 而 15 脚开始给 VT1 输出信号 即只有 10 脚和 15 脚有信号输出 其它管脚没有信号输出 此时 VT6 和 VT1 同时导通 重复以上步骤就可得到所要的触发脉冲 4 2 保护电路的设计 4 2 1 主电路的过电压保护 抑制过电压的方法 用非线性元件限制过电压的副度 用电阻消耗生产 过电压的能量 用储能元件吸收生产过电压的能量 对于非线性元件 不是额定电压小 使用麻烦 就是不宜用于抑制频繁出现 过电压的场合 所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护 使 用 RC 吸收电路 这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电 容器的电场能量储存起来 由于电容两端电压不能突变 所以能有效抑制过 电压 串联电阻消耗部分产生过电压的能量 并抑制 LC 回路的震动 电路 图如图 4 2 图 4 2 主电路过电压保护电路 4 2 2 晶闸管的过电压保护 晶闸管的过电压能力较差 当它承受超过反向击穿电压时 会被反向击 穿而损坏 如果正向电压超过管子的正向转折电压 会造成晶闸管硬开通 不仅使电路工作失常 且多次硬开关也会损坏管子 因此必须抑制晶闸管可 能出现的过电压 常采用简单有效的过电压保护措施 对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护 我们使用阻容保 护 电路图如图 4 3 所示 图 4 3 晶闸管的过电压保护 4 2 3 晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有 快速熔断器保护 过电流继电器保护 直流快速开关 过电流保护 快速熔断器保护是最有效的保护措施 过电流继电器保护中过 电流继电器开关时间长 只有在短路电流不大时才有用 直流快速开关过电 流保护功能很好 但造价高 体积大 不宜采用 因此 最佳方案是用快速 熔断器保护 如图 4 4 所示 图 4 4 晶闸管的过电流保护 4 3 整流变压器的参数计算 变压器一次侧线电压为 380V 二次侧线电压为 220V 变压器一 二次侧采 用 连接方式 VU127302 21UN 代入数值 308 式中 为一 二次侧线圈匝数比 为一 二次侧相电压值 1N2 12 对于三相桥式全控电路 变压器一 二次侧采用 连接方式时 接电 动机负载 电路中接入平波电抗器电感足够大以使负载电流连续 此时变压器二 次侧电流为正负半周各宽 前沿相差 的矩形波 其有效值为 120 180 dddd IIIII 816 032 32 122 由已知输出电流要求额定参数为 则 计算变压器容量时可取A 10N2NdI 即 16 8 2I 一次侧电流为 7231K 变压器一次侧容量为 AKVVIUS 108 3 8011 变压器二次侧容量为 I 96 27322 故可选择电压器容量为 AKVS 1048 12 第 5 章 三相桥式整流电路的 MatlAB 仿真 运用 MATLAB 软件对本三相桥式晶闸管整流电路进行系统仿真实验 主电 路图如下 图 5 1 主电路仿真 1 当负载为阻感负载且带 40V 的反电动势触发角 0 时 的 波 形 图 如 下 图 5 2 0 波形 2 当负载为阻感负载且带 40V 的反电动势触发角 30 时 的 波 形 图 如 下 图 5 3 30 波形 3 当负载为阻感负载且带 40V 的反电动势触发角 90 时 的 波 形 图 如 下 图 5 4 30 波形 第 6 章 课程设计总结 本次课程设计 做的是三相桥式整流电路设计 从本次课程设计的目的来看 收获是不少的 通过仔细审题和思考 我发现有很多东西要做 首先要解决的问 题就是变压器的选择 因为之前对变压器的学习大多是理论很少涉及具体应用选 型 为此我从图书馆借了关于变压器应用的书籍弥补了自己在这反面的缺憾 再 者主要就是保护电路的设计部分 之前学习的保护电路大多是理论方面 而针对 具体电路各种保护器件的选择方法较少提到 所以我还是求助于图书馆同时也在 网上论坛向别人求助解答 虽然得到的很多东西对现在的课程设计并不是很有用 我最终也找到了自己想要学习的部分知识 同时设计时还遇到很多小的问题因为 自己知识不牢固或者自己根本不懂在此去回顾课本或者借书或者求助于同学或则 网络 最终都解决掉了自己的疑惑 经过这次课程设计后 觉得自己有一个不小的进步 虽然有些方面有些不足 但通过阅读相关书籍 学到了更好更多的东西 他们从另一个方面透析了自己的 不足 这是很重要的 它让我学会了怎样学习别人的长处并把它变成自己的长处 总之课程设计让我学到了好多能力 这些能力不是学习理论知识的时候可以 得到的 比如查阅资料的能力 与人交流的能力 这些都是我们以后工作生活中 必不可少的能力 参考文献 1 殷钢 王涌全主编 电力电子技术 第一版 北京理工大学出版社 2012 2 王兆安 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