電力電子課設真實模板講解

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學電力電子技術課程設計（論文）題目： 220V100A三相半控橋式整流電路院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣 # 學 號： #學生姓名： #指導教師： （簽字）起止時間： 2#本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：號 學# 氣 電 #設目 程題式 橋 控 半 相 三課程設計（論文）任務流 3 動 直 確 或 。電 廣 的 ， 計 調 流 得 W 。 器 路設 可 直 k 計 壓 路 續(xù) 、 中獲 20 設計 變 電 連 5、 產(chǎn) 路 流 發(fā) 0V 。 生 率 。 主電 用整 、觸 2 左右 工業(yè) 功 調速 流主 采用 6、

2、0030左 在 V、 級調 整 若 。 U在d 3 數(shù) ， 1 無 成 、 數(shù) 。 2 參 能 1的無 完 4參 真 壓 2 壓 機 2。 器 出 角 、技 調速 定電 電動 號 抗 ab。 輸 制 求 和 額 流 證。 體型 電 ma 書 流 控 要 能 臺 直 論證 具體 平波 m 說明 、整 最小 。 、 性 1 現(xiàn) 平術 的 或 計 2 、 W 能 動 實 技 件 確定 證 設 V。 40k 及功 的啟 為 以 濟 器 、 。 驗 的 80A。 2 務及 好的 是 ， 經(jīng) 流 5、 圖 擬 右 300為 任務 良好 的 源 行 整 路 模 左 相10率 任 良 目 電 進 擇 。 電

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4、 3確 ； 第天：設 料 6電 資第發(fā) 集；第觸 收件： 天擇器8 2選第 第：；辯 ；5天器答辯 習5抗： 學第電天 中；波0 集計；平1 天：路設確定；第 1電：書 第主天明：7說 天第寫指導教師評語及成績?nèi)赵?字年辯指答：績 時成 平總注：成績：平時 20% 論文質量 60% 答辯 20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）摘要本設計主要內(nèi)容為 220V/100A 三相半控橋式整流電路，主要設計了整流主電 路，觸發(fā)電路，保護電路和濾波電路，其中主電路為由三個晶閘管和三個二極管 以及三相變壓器所構成的半控橋式電路，可以將三相交流電變?yōu)橹绷麟?，并合?的選擇了各整流器件的規(guī)格及型號。其次觸發(fā)

5、電路主要采用了三個 KJ004和一個 KJ001集成塊，即可形成六路雙脈 沖，再由三個晶體管進行脈沖放大，即構成完整的三相半控橋式整流電路的集成 觸發(fā)電路，其優(yōu)點為所設計的觸發(fā)電路為模擬的，其優(yōu)點是簡單，可靠，但缺點 為易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對稱程度較高，經(jīng)度較低。最后主要設計了該電路的保護電路，其主要分為過電壓保護以及過電流保護 兩部分，其中過電壓電路主要采用了 RC過電壓抑制電路以及 RC阻容吸收電路。 而 過電流保護電路主要采用了快速熔斷器，直流快速斷路器和過電流繼電器。這樣 便提高了飽和的可靠性和合理性。直流電動機具有良好的啟動性能和調速性能，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應用， 本次設

6、計的目的是為 1臺額定電壓 110V、功率為 20kW的直流電動機提供直流可調 電源，以實現(xiàn)直流電動機的無級調速。關鍵詞： 三相橋式；半控整流；集成觸發(fā)。本科生課程設計（論文）目錄第 1 章 緒論 11.1 電力電子技術概況 11.2 本文設計內(nèi)容 2第 2 章 220V/100A 三相半控橋式整流電路設計 32.1 220V/100A三相半控橋式整流電路總體設計方案論證 . 32.2 具體電路設計 32.2.1 主電路設計 32.2.2 主電路原理說明 42.2.3 觸發(fā)電路設計 62.2.4 觸發(fā)電路原理說明 72.2.5 保護電路設計 82.2.6 濾波電路設計 102.3 元器件選擇及

7、參數(shù)計算 112.3.1 負載的參數(shù)計算 112.3.2 晶閘管參數(shù)計算 122.3.3 變壓器參數(shù)計算 12第 3 章 系統(tǒng)調試或仿真、數(shù)據(jù)分析 13第 4 章 課程設計總結 15參考文獻 16本科生課程設計（論文）第1章 緒論1.1 電力電子技術概況顧名思義 , 所謂電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。電子技術包 括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。具體地說，電力電子技術就是使用電 力電子器件對電能進行變換和控制的技術。目前所用的電力電子器件均由半導體 制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術所變換的“電力”，功率可以大到 數(shù)百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至是毫瓦級。信息電子技術

8、主要應有于信 息處理，而電力電子技術則主要用于電力變換，這是兩者本質上的不同。通常所用的電力變換可分為四類，即交流變直流（AC-DC），直流變交流（DC-AC）, 直流變直流（DC-DC）和交流變交流。我們通常將電力電子技術分為電 力電子器件和變流技術兩個分支。變流技術也稱為電力電子器件的應用技術，它 包括用電力電子器件構成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術，以及 由這些電路構成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術?！白兞鳌辈恢恢附恢绷髦?間的變換，也包括上述的直流變直流和交流變交流的變換。所謂整流電路即交流變直流（ AC-DC ）在電力電子技術中，可控整流電路是 非常重要的章節(jié)，整流電路

9、是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其應用非常廣泛。整 流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流變?yōu)橹绷麟娔芄┙o 直流用電設備。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調速均采用電力電子裝置； 電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、電梯等交通運輸工 具中也廣泛采用整流電力電子技術；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所 用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用 整流電路構成的直流電源供電。整流電路按組成的器件不同，可分為不可控、半 控與全控三種，利用晶閘管半導體器件構成的主要有半控和全控整流電路；按電 路接線方式可分為橋式和零式整流電路；按交流輸入相

10、數(shù)又可分為單相、多相 （主要是三相）整流電路。目前，整流電路在電力電子技術中的應用范圍十分廣 泛。例如直流電動機，電鍍，電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)電源等。它 不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸，電力系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)， 新能源系統(tǒng)等，在照明，空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛應用。本科生課程設計（論文）1.2 本文設計內(nèi)容本設計為 220V/100A 三相橋式半控整流電路，主要設計了該電路的主電路， 觸發(fā)電路，保護電路，濾波電路。其中主電路由晶閘管，二極管所組成，主要設 計了主電路圖，對主電路的工作原理按阻感和純電阻分別進行了說明。觸發(fā)電路 主要由三個 KJ004和一個 K

11、J001 所組成的，并大致的分析了 KJ004芯片的內(nèi)部結 構。保護電路分為過電壓保護和過電流保護并分別進行了說明并且選擇了主要的 保護電路，分析了各環(huán)節(jié)的原理，最后設計了濾波電路，濾波電路主要采取了電 容吸收電路，然后又對器件的參數(shù)進行了計算并對其進行了選擇，主要選擇了晶 閘管的型號。并對論文進行了總結。本科生課程設計（論文）圖 2.1 總體設計方案框圖第2章 220V/100A 三相半控橋式整流電路設計2.1 220V/100A 三相半控橋式整流電路總體設計方案論證更據(jù)本次設計的要求，經(jīng)過經(jīng)濟及技術的比較，確定了本次設計的總體設 計方案，總體設計方案框圖如下（圖 2.1 所示）：現(xiàn)對圖 2

12、-1 中各部分所實現(xiàn)的功能作如下說明：1）變壓器和整流電路是將所提供的 380V交流電經(jīng)整流后變?yōu)?220V 直流電2）觸發(fā)電路為給主電路提供觸發(fā)脈沖的電路，以保證主電路正常工作。3）保護電路為通過過電壓保護，過電流保護為主電路進行保護的主要電路。4）濾波電路是將整流電路所提供的 220V直流電經(jīng)過濾波得到所需要的直流。2.2 具體電路設計2.2.1 主電路設計主電路的電路圖如下所示（圖 2.2 ）本科生課程設計（論文）圖 2.2 主電路圖2.2.2 主電路原理說明（1）帶電阻負載時的工作情況=0 時，觸發(fā)脈沖在自然換相點出現(xiàn)， 輸出電壓最大， 其波形是與全控型 橋式整流電路相同的線電壓包絡線

13、。隨著控制角的增加，輸出電壓減小，波形發(fā) 生變化。=30時，在 t1 時刻， ug1觸發(fā)VT1導通，此時 b相最低， VD6管導通， 輸出電壓為線電壓 Uab。在 t2 時刻， c相低于 b相電壓， VD6管承受反向電壓而 關斷，換為 VD2管導通，而 VT1繼續(xù)導通，輸出電壓為線電壓 Uac。到 t3 時刻， 因為 ug3觸發(fā)脈沖沒有來，VT3承受正向電壓卻不導通， 輸出電壓仍為線電壓 Uab。 直到 t4 時刻，ug3觸發(fā)脈沖到來，VT3導通，使 VT1承受反向電壓而關斷， 而 VD2 管還處在導通狀態(tài)，輸出電壓為線電壓 Ubc。依次類推，便得到 Ud 波形。=60時，此時輸出電壓的波形只

14、有三個波頭。電路剛好維持電流連續(xù)， 每管導通 120， VT1承受的電壓 ut1 波形同前面分析一樣。（2）帶阻感負載時的工作情況 三相橋式半控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用 于直流電動機傳動） ，下面主要分析阻感負載時的情況， 對于帶反電動勢阻感負載 的情況，只需在阻感負載的基礎上掌握其特點，即可把握其工作情況。整流電路的負載為直流電機負載，為簡化電路，用帶反電動勢的阻感負載代 替直流電動機。當晶閘管的導通角 =0時，相當于把全控電路中共陰極組的晶 閘管都換為二極管。此時，共陽極組的三個晶閘管是所接交流電壓最高的一個導本科生課程設計（論文）通，而對于共陰極組的三個二極

15、管則是所接交流電壓值最低的一個導通。這樣， 任意時刻共陽極晶閘管和共陰極組二極管都各有一個導通，施加于負載上的電壓 為某一線電壓。此時電路波形如圖（圖 2.3 ）當觸發(fā)角 =0時，觸發(fā)脈沖在自然換相點出現(xiàn)，三相橋式半控整流電路的 負載電壓 Ud的波形與三相橋式全控整流電路 =0時的波形相同。=0時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由變壓器而繞組相電壓與線電 壓波形的對應關系看出， 各自然換相點及時電壓的交點， 同時也是線電壓的交點。 在分析 Ud的波形時， 既可以從電壓波形分析， 也可以從線電壓波形分析。 從相電 壓波形看，以變壓器二次側的中點 n 為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸 出電壓

16、 Ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓Ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓是兩條包絡線的差值，其對應線電 壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。圖 2.3 帶阻感負載時的波形圖為了說明各晶閘管和二極管的工作的情況， 將波形中的一個周期等分為 6 段， 每段為 60，如圖 2-3 所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表 2.1 所示。該表可見，晶閘管和二極管的套筒順序為 VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD65本科生課程設計(論文)表 2.1 三相橋式半控整流電路電阻負載=0時晶閘管工作情況2.2.3 觸發(fā)電路設計晶閘管是晶體載流管的簡稱，

17、又稱為可控硅整流器，以前被稱為可控硅。 它有三個極分別為陽極，陰極，門極，晶閘管要導通時由門極加觸發(fā)電流。可以 將晶閘管正常工作時的特性歸納如下：(1) 當晶閘管承受反向電壓時， 不論門極是否有觸發(fā)電流， 晶閘管都不會導 通。(2) 當晶閘管承受正相電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流時晶閘管才能導通。(3) 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用， 不論門極觸發(fā)電流是否還存在， 晶閘管都保持導通。(4) 如要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過 晶閘管的電流降到接近于零下的某一數(shù)值以下。晶閘管可控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

18、電路。為保證相控電路的正常工作，很重要的 一點是應保證按觸發(fā)角 的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管加有效的觸發(fā)脈 沖，通常相控電路和相位控制電路也總稱為觸發(fā)電路。根據(jù)設計任務要求，本次設計采用集成元件設計觸發(fā)電路， 則在此選擇輸出為雙窄脈沖同步信號 為鋸齒波的觸發(fā)電路。根據(jù)晶閘管的這種特性，通過控制晶閘管的導通和關斷時 刻，就能控制整流電路的觸發(fā)的大小。 在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時， 為確保電路的正常工作，需保證同時導通的 2 個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)每 個晶閘管的同時，給每一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個 窄脈沖的前沿相差 60，脈寬一般為 20 30，稱為雙

19、脈沖電路較復雜，但要 求的觸發(fā)電路輸出功率小。觸發(fā)電路如圖 2.4 所示。本科生課程設計（論文）圖 2.4 集成觸發(fā)電路圖2.2.4 觸發(fā)電路原理說明觸發(fā)電路由同步檢測電路，鋸齒波形成電路，偏移電壓，移相電壓及鋸齒波 電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。原理圖如圖 2.5 所示，該圖 為 KJ004 芯片內(nèi)部結構，鋸齒波的斜率決定于外接電阻 R6,RW1,流出的充電電流 和積分電容 C1 的數(shù)值。對不同的移相控制電壓 VY，只有改變權電阻 R1,R2 的比 例，調節(jié)相應的偏移電壓 VP。同時調整鋸齒波斜率電位器 RW，1 可以使不同的移 相控制電壓獲得整個移相范圍，觸發(fā)電路為正極性型

20、，即移相電壓增加，導通角 增大， R7和C2形成微分電路，改變 R7和 C2的值，可獲得不同的脈寬輸出。輸 出的同步電壓為任意值。本科生課程設計（論文）圖 2.5 KJ004 芯片內(nèi)部結構圖2.2.5 保護電路設計較之電工廠品，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時 間的過電壓和過電流就會導致器件永久性的損壞。因此電力電子電路中過電壓和 過電流的保護裝置是必不可少的，有時還要采取多重的保護措施。（1）過電壓保護電流測過電壓電力電子設備一般都經(jīng)變壓器與電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組 與繞組、繞組與地中間都存在著分布電容。如圖 2.6 所示。圖 2.6 過電壓電路原理圖變壓器一般為降壓型

21、， 即電源電壓 U 高于變壓器次級電壓。 電源開關斷開時，本科生課程設計（論文）初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超 出正常值，它所連接的電力電子設備將受到過電壓的沖擊。在進行電源拉閘斷電時也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)時將電源開關斷開使 激流電流從一定的數(shù)值迅速下降到 0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產(chǎn) 生較大的感應電壓， 因為電壓為 Ldi/dt ，在電感一定的情況下， 電流的變換越大， 產(chǎn)生的過電壓也越大。這個電壓的大小與拉閘瞬間電流的參數(shù)值有關，在正弦電 流的最大值時斷開電源，產(chǎn)

22、生的 di/dt 最大，過電壓也就越大。可見，合閘時出 現(xiàn)的過電壓和拉閘時出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生的機理是完全不同的。在電力電子設備的負載電路一般都為電感性，如果在電流較大時突然切除負 載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產(chǎn)生過電壓。另外電力電子器件的 換相也會使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓都發(fā)生在電路正常工作 的狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。雷擊和其他電磁感應也會在電力電子設備中感應出過電壓，這類過電壓發(fā)生 地時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預測的。對于上面的這些過電壓，我們可以采用下面的措施進行保護： 設備在運行過程中，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。

23、同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓常用的保護方法主要有兩種，對于大容量的電力電子裝置，可采用第 一種方法，即采用阻容吸收電路，以雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和 轉折二極管 （BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。 其電 路圖如圖 2.7 其右側可接入主電路，達到保護目的。圖 2.7 過電壓的組容吸收保護電路圖2）過電流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為本科生課程設計（論文）過載和短路兩種情況。常用的過電流保護措施如圖 2.8 所示。一臺電力電子設備 可選用其中的某種措施，針對某些電力電子器件，可能有些保護措

24、施是有效的而 另外一些是無效的或不適合的，選用時應特別注意。圖 2.8 過電流保護措施圖交流斷電保護是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電 流繼電器，當交流電流超過整定值，過流繼電器動作使得與交流電源連接的交流 斷路器斷開，切除故障電流。應當注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子 器件所允許的最大電流瞬時值，否則如果電流達到了器件的最大電流過流繼電器 才動作，由于器件耐壓過電流的時間極短，在繼電器和斷路器動作期間電力電子 器件可能就已經(jīng)損壞。交流側經(jīng)電流互感器接入過流繼電器或直流側接入過流繼電器，可以在過電流時動作，自動斷開輸入端。一般過電流繼電器開關動作時間約為0.2s ，

25、對電流大、上升快、 作用時間極短的短路電流無保護作用， 只有短路電流不大的情況下， 才能起到保護晶閘管的作用?？焖偃蹟嗍亲詈唵斡行У倪^電流保護元件。在產(chǎn)生短路過電流時，快速熔斷 器熔斷時間小于 20ms，能保證在晶閘管損壞之前，切斷短路故障。用快速熔斷器 做過電流保護有三種接法，本設計采用三相橋。撬杠保護多用于大型的電力電子設備，其保護原理如下：當電流超過整定值 時，觸發(fā)保護晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接入一個小電感，以 限制 di/dt ；觸發(fā)電路開通主電路中的所用電力電子器件，以分散能量，讓所有 器件分擔短路電流；使電流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經(jīng)一段時間衰減 能量消失，

26、起到保護作用。2.2.6 濾波電路設計濾波器的功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻率范圍之外的信號加以抑制或使其急劇衰減，當干擾信號與有用信號不在同一頻率范圍之內(nèi)，可使10本科生課程設計(論文)用濾波器有效的抑制干擾。本設計為三相半控橋式整流電路，所整流出的直流所包含的諧波含量較大， 故使用濾波電路，經(jīng)過濾波得到所要求的直流電流，對電動機進行供電。本濾波電路主要采用電容濾波電路即在電阻兩端并聯(lián)一個電容，它對整體電 路的參數(shù)無影響，濾波電容容量大，因此一般采用電解電容，在接線時應注意電 解電容的正負極。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。 所設計濾波電路如圖 2.9 所示

27、。2.3 元器件選擇及參數(shù)計算2.3.1負載的參數(shù)計算(1)變壓器二次側電壓值取=30，輸出電壓平均值公式1 co sUd 2 .3U42d 2 2有公式可得變壓器二次側電壓值U 2 U d 2.34 (1 cos ) 2 100.8V(2)負載大小由公式 P U 2 R得到 R U 2 P 110V 2 20KW 0.605(3) 變壓器二次側電流有效值11本科生課程設計（論文）由公式 I 2 2I d2 100A 81.6A（4） 電動機等效反電動勢E Ud I d Rd 100.8V 81.6A 0.605 51.432V2.3.2 晶閘管參數(shù)計算（1）流過每個晶閘管電流的有效值IVT1

28、 I d 1 100A 57.7A（2）流過每個晶閘管的電流的平均值 11I dvt I d 100A 33.3A dvt 3 d 3（3）每個晶閘管承受的最大電壓值UT M U D M 6 U26 10 0.V8 24V6.9（4）晶閘管額定電壓值UN （ 2 3）UD M（ 2 3） 2V46. 9 V493. 8V（5）晶閘管額定電流值IN （1. 5 2I）VT（1. 5 2）A 57. 7 / 1A. 57 5A5根據(jù)本次設計的要求 ,所選取的晶閘管額定電壓為 700V,額定電流為 60A, 則所 需要的三個晶閘管均要符合此項要求， 經(jīng)查手冊所選型號為 KP普通晶閘管系列中 的的 KP400三個。2.3.3 變壓器參數(shù)計算（1）變壓器容量通過前面的計算我們知道變壓器的二次側電壓值為81.6A, 則其容量為SN 3U2I2 3 100.8V 81.6V 24675.84W（2）變壓器變比N 2 20V / 1 00V. 8100.8V，額定電流值為12第3章 系統(tǒng)仿真本科生課程設計（論文）以下為三相半控橋式本文設計內(nèi)容主要用到了 matlab 中的 simulink 仿真， 整流電路的設計模型如圖 3.2 。圖 2-10圖 3.2 三相半控整流電路波形圖 113圖 3.1 三相半控橋式整流電路仿真模型本科生課程設計