電力電子課設(shè)學(xué)術(shù)參考

1、教-學(xué)1摘 要整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。整流電路的應(yīng)用十分廣泛，例如直流電動機(jī)，電鍍，電解電源，同步發(fā)電機(jī)勵磁，通信系統(tǒng)電源等。本次研究的就是交流電經(jīng)過整流電路，變成直流電，供給直流電動機(jī)負(fù)載。采用并聯(lián)多重 12 脈沖聯(lián)結(jié)（兩個三相橋式全控整流電路并聯(lián)）和順序控制的方法，減少交流輸入的電流諧波，同時減少直流輸出電壓中的諧波幅值，提高紋波頻率。由于晶閘管的導(dǎo)通，必須有觸發(fā)脈沖，所以整流電路外加觸發(fā)電路，由于集成電路可靠性高，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以觸發(fā)電路由 kj004和 kj041 集成電路組成。本文通過理論分析、仿真研究和

2、實驗驗證，證實了該電路的合理性、可靠性，實用性。關(guān)鍵詞：12 脈并聯(lián)；整流電路；kj004；kj041教-學(xué)2目 錄第 1 章 緒論.31.1 電力電子技術(shù)概況 .31.2 本文設(shè)計內(nèi)容 .4第 2 章 電路設(shè)計.52.1 總體設(shè)計方案 .52.2.1 主電路設(shè)計.52.2.2 觸發(fā)電路設(shè)計.82.3 元器件型號選擇 .10第 3 章 課程設(shè)計總結(jié).17參考文獻(xiàn).18教-學(xué)3第 1 章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電力電子器件應(yīng)用與電力電子系統(tǒng)，它是利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的新興學(xué)科。電力電子技術(shù)主要應(yīng)用于電力變換。電力電子器件的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨著變換技術(shù)和控制技術(shù)

3、的發(fā)展而發(fā)展。電力電子技術(shù)可以理解為功率強(qiáng)大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣的大電流、高電壓場合應(yīng)用的電子技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，其特殊之處不僅僅因為它運(yùn)行效率問題。為了解決發(fā)熱和效率問題，對于大功率的電子電路，器件的運(yùn)行都采用開關(guān)方式，這種開關(guān)方式就是電力電子器件運(yùn)能夠通過大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、行的特點。新型電力電子器件呈現(xiàn)出許多優(yōu)勢，它使得電力電子技術(shù)發(fā)生了突變，進(jìn)入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特點是：（1）全控化是由半控型普通晶閘管發(fā)展到各類自關(guān)斷器件，是電力電子器件在功能上的重大突破。自關(guān)斷器件實現(xiàn)了全控化，取消了傳統(tǒng)電力電子器件的復(fù)雜換

4、相電路，使電路大大簡化。（2）集成化與傳統(tǒng)電力電子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件都是由許多單元器件并聯(lián)在一起，集成在一個基片上。（3）高頻化是指隨著器件集成化的實現(xiàn)，同時也提高了器件的工作速度，例如 gtr 可工作在 10khz 頻率以下，igbt 工作在幾十千赫茲以上，功率 mosfet可達(dá)數(shù)百千赫茲以上。（4）高效率化體現(xiàn)在器件和變換技術(shù)這 2 個方面，由于地電力電子器件的導(dǎo)通壓降不斷減少，降低了導(dǎo)通損耗；器件開關(guān)的上升和下降過程加快，也降低了開關(guān)損耗；器件處于合理的運(yùn)行狀態(tài)，提高了運(yùn)行效率；變換器中采用的軟開關(guān)技術(shù)，使得運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提高。（5）變換器小型化是指隨著器件的高

5、頻化，控制電路的高度集成化和微型化，使得濾波電路和控制器的體積大大減小。電力電子器件的多單元集成化，減少了主電路的體積。控制器和功率半導(dǎo)體器件等，采用微型化的表面貼技術(shù)使得變換器的體積得到了進(jìn)一步減少，功率為 10kv 。教-學(xué)41.2 本文設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計的主要內(nèi)容是采用多脈整流，以減小輸出直流的脈動，為 1 臺額定電壓 220v、功率為 42kw 的直流電動機(jī)提供直流可調(diào)電源，以實現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。課題對帶三相 pfc 的ac / dc變換器進(jìn)行一些有益的研究，重點對傳統(tǒng)的12 脈波整流電路進(jìn)行了改進(jìn)，加入輔助電路有效的減小了流入電網(wǎng)的諧波電流，并且在較寬的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)輸出電壓。交流電源

6、三相 380v 經(jīng)過整流輸出電壓ud在 0220v 連續(xù)可調(diào)，同時整流輸出電流最大值為 200a，向直流電動機(jī)負(fù)載供電。根據(jù)實際工作情況最小控制角 取 20300左右。220200并聯(lián)多重 12 脈可控整流電路的設(shè)計包括方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證、設(shè)計并聯(lián)多重可控整流電路的主電路設(shè)計、通過計算選擇整流器件的具體型號、確定變壓器變比及容量、觸發(fā)電路設(shè)計和選擇繪制相關(guān)電路圖。教-學(xué)5第 2 章 電路設(shè)計2.1 總體設(shè)計方案對于輸入交流電流，采用多重聯(lián)結(jié)不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值并提高紋波頻率，因而可減少平波電抗器。初選并聯(lián) 6 脈可控整流、串聯(lián) 12 脈可控整流

7、、并聯(lián) 12 脈可控整流。12脈沖整流器在多項性能指標(biāo)優(yōu)于 6 脈整流器，同時并聯(lián)和串聯(lián)整流器效果是相同的。但根據(jù)本次設(shè)計的主要內(nèi)容、技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)支持下，采用并聯(lián) 12 脈可控整流。電路設(shè)計構(gòu)想方案如下：圖 2.1 電路方框圖2.2 具體電路設(shè)計2.2.1 主電路設(shè)計隨著整流裝置功率的進(jìn)一步加大，它所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為了減輕干擾，可采用多重化整流電路。即將幾個整流電路多重聯(lián)結(jié)可減少交流側(cè)輸入電流的諧波，而對晶閘管多重整流電路采用順序控制的方法可提高功率因數(shù)。根據(jù)此次設(shè)計的要求，采用將兩個三相橋式全控整流電路（帶阻感負(fù)載）并聯(lián)多重 12 脈波整流電路，并且連接一個

8、額定電壓為 220v、額定功率為 42kw交流電輸入并聯(lián)整流電路電動機(jī)負(fù)載觸發(fā)電路教-學(xué)6的直流電動機(jī)的負(fù)載，還有一個電感 l,平衡電抗器 lp。電路采用平衡電抗器來平衡各組整流器的電流，其原理與雙反星型電路中采用平衡電抗器是一樣的。變壓器二次側(cè)的兩繞組的機(jī)型相反可消除貼心的直流磁化，設(shè)置電感量為 lp 的平衡電抗器是為了保護(hù)兩組三相全控橋式整流電路同時導(dǎo)電，每組承擔(dān)一半負(fù)載。依據(jù)題意控制角取 30，利用變壓器的二次繞組不同，使兩組三相交流電源間相位錯開 30，從而使輸出整流電壓 ud,在每個交流電源周期中脈動 12 次，故該電路是 12 脈沖整流電路。整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接

9、法構(gòu)成相位差 30、大小相等的兩組電壓，接至相互并聯(lián)的兩組整流橋。因繞組接法不同，變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比為。llp50 %12a1c1b1c2b2a2mk2ttidvt1vt3vt5vt4vt6vt2vt7vt9vt11vt10vt12vt8圖 2.1 并聯(lián)多重 12 脈沖可控整流電路主電路原理圖此次設(shè)計采用多重聯(lián)結(jié)電路順序控制，使得各整流電橋交流二次輸入電壓錯開一定此相位，但工作是各橋的控制角。這樣可以使輸入電流諧波含量大為降低。根據(jù)總直流輸出電壓從低到高的變化，按順序依次對各橋進(jìn)行控制，雖然不能減少輸入電流的諧波，但是各組橋中只有一組在進(jìn)行相位控制，其余各組或不工作，或位移因數(shù)

10、為 1，因此總的功率因數(shù)提高。教-學(xué)7下面介紹三相橋式全控整流電路：a1c1b1tvt1vt3vt5vt4vt6vt2負(fù)負(fù)載載nl圖 2.3 三相橋式全控整流電路原理在圖 2.3 中陰極連接在一起的三個晶閘管（vt1、vt3、vt5）稱為共陰極組，陽極連接在一起的三個晶閘管（vt4、vt6、vt2）稱為共陽極組。晶閘管的導(dǎo)通順序為 vt1-vt2-vt3-vt4- vt5-vt6.整流輸出電壓 up 的波形早一周期內(nèi)波動六次，且每次脈動的波形相同，所以計算器平均值時，只需要對一個脈波（即 16 周期）進(jìn)行計算即可，當(dāng)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 60）的平均值為:(因為

11、是并聯(lián)兩個三項全控整流電路的電壓相等)同時輸出電流平均值.。同理只有當(dāng)兩個電源的電壓平均值和瞬時平均值相等時，才能使負(fù)載電流平均分配。所以 變壓器二次側(cè)電流為：教-學(xué)82.2.2 觸發(fā)電路設(shè)計使晶閘管開始導(dǎo)通,必須施加觸發(fā)脈沖,在晶閘管觸發(fā)電路中必須有觸發(fā)電路,觸發(fā)電路性能的好壞直接影響晶閘管電路工作的可靠性,也影響系統(tǒng)的控制精度,正確設(shè)計觸發(fā)電路是晶閘管電路應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。所以此次觸發(fā)電路是由六片繼承觸發(fā)電路芯片 kj004 和兩片繼承雙脈沖發(fā)生器芯片kj041 組成。三片繼承觸發(fā)電路芯片 kj004 和一片繼承雙脈沖發(fā)生器芯片 k

12、j041 就可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相橋式全控整流電路的集成觸發(fā)電路，兩個完整的三相橋式全控整流電路的集成觸發(fā)電路并聯(lián)即是此次設(shè)計的觸發(fā)電路。鋸齒波的斜率一致，各晶閘管的觸發(fā)脈沖間隔是60。同理，角接三相橋式全控整流電路觸發(fā)電路的電路和星接三相橋式全控整流觸發(fā)電路相似，至 vt1 變?yōu)橹?vt7，依次類推。如圖 2.4 所示觸發(fā)電路均為模擬的，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠、但缺點是易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達(dá)，精度低，在對精度要求較高的大容量變流裝置中，越來越多的采用數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好的觸發(fā)脈沖對稱度。但以上觸發(fā)電路應(yīng)用于此次設(shè)計可以。2.

13、3 元器件型號選擇一個額定功率為 42kw 的，額定電壓為 220v 的直流電動機(jī)，12 個晶閘管，一個可調(diào)的變電感，一個電感，星接變壓器，交接變壓器，若干導(dǎo)線。具體參數(shù)計算如下：的波形在一個周期內(nèi)脈動 6 次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其du平均值時，只需對一個脈波（即 1/6 周期）進(jìn)行計算即可。此外，因為所以電壓輸出波形是連續(xù)的，以線電壓的過零點為時間坐標(biāo)的零點，可030得整流輸出電壓連續(xù)時的平均值為。和030教-學(xué)9輸出電流平均值為：u1kj00412345678910111213141516u2kj00412345678910111213141516u3kj0041234567

14、8910111213141516u4kj04112345678910111213141516v15vr10c1r11c2r12c3r1r7r4r2r8r5r3r9r6c7c8c9uco50 %up50 %rp450 %rp550 %rp650 %rr0r01至vt1至vt2至vt3至vt4至vt5至vt6r19r20r21r16r17r18c4c5c6rp150 %rp250 %rp350 %v1-15vr13r14r15usausbusc圖 2.4 星接三相橋式全控整流電路觸發(fā)電路的電路原理圖教-學(xué)10 代入式計算有：變壓器二次側(cè)電流為:代入數(shù)值計算得:將電流波形分解為傅里葉級數(shù)，以 a 相

15、為例，將電流正、負(fù)半波的中點作為時間零點，則有所以解電流基波和各次諧波有效值分別為：教-學(xué)11有上述式子可得基波因數(shù)為：可明顯看出電流基波與電壓的相位差仍為 ，故位移因數(shù)仍為功率因數(shù)即為把代入計算得030交流輸入相電壓有效值：boost 開關(guān)頻率： 50khz 輸出額定電壓： 輸出最大電流： 輸出額定功率： boost 電感的參數(shù)設(shè)計：boost 電路輸入電流峰值為輸入相電流峰值教-學(xué)12式中， 為輸入相電壓有效值，假設(shè)效率為 0.95。設(shè)計電路中電流紋波的峰峰值為電流峰值的 15，占空比為計算出電感值為開關(guān)電源的變壓器、電感磁心一般是低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電

16、阻率?？捎米鞔判牡能洿挪牧嫌泻芏喾N，但適合作高頻條件下的 boost 電感的只有幾種。鐵氧體電阻率高，高頻損耗小，溫升低，價格便宜，但有防飽和問題，要開氣隙后才能使用，還有 emi 產(chǎn)生。磁粉芯 b 值和 h 值高，材料內(nèi)含有均勻氣隙，不必開氣隙，不易飽和，設(shè)計計算簡便。磁粉芯一般都是環(huán)形的，繞線有些困難，但由于磁路是閉合的，無漏磁，不會產(chǎn)生 emi。因此，本試驗中采用實驗室現(xiàn)有的鉬坡莫合金粉末磁心，截面積。磁路根據(jù)公式計算出匝數(shù)為軟開關(guān)電路參數(shù)設(shè)計：二極管反向恢復(fù)時間教-學(xué)13最大諧振時間計算得出根據(jù)為了讓主開關(guān) s 有充足的時間開通和輔助開關(guān)r s 有充足的時間zcs 關(guān)斷,取選取晶閘管承

17、受的最大反向電壓是：流過每個晶閘管的電流的有效值是：晶閘管的額定電壓為：教-學(xué)14晶閘管的額定電流為：2.4 系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析如圖 2.7 為二極管整流橋星接的輸出電壓u 和輸出電流i 的波形?？梢姡粋€周期內(nèi)電壓u 有六個波頭，電流i 為六個三角形，與電壓u 同相位。從圖中看出，由于電路中的開關(guān)器件，電壓u 波形有些毛刺。圖 2.7 星接三相橋式全控整流電路輸出電壓和電流的仿真波形如圖 2.8 為另一個二極管整流橋角接的輸出電壓u 和電流i 的仿真波形。這個二極管整流橋的輸入三相電源與二極管整流橋的輸入電源幅值相等，相位相差，因此輸出電壓u 與電壓u 相差，電流 i 也與 i 相差。

18、教-學(xué)15圖 2.8 角接三相橋式全控整流電路輸出電壓和電流的仿真波形圖 2.9 輸出電流仿真波形教-學(xué)16圖 2.10 輸出電流仿真波形教-學(xué)17第 3 章 課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計，首先明確課程設(shè)計的題目，要求設(shè)計一個并聯(lián)多重 12 脈沖整流電路，為額定電壓為 220v、功率為 42kw 的直流電動機(jī)提供直流可調(diào)電源。在設(shè)計的過程中需要設(shè)計一個并聯(lián) 12 脈沖整流電路作為主電路，以及設(shè)計一個觸發(fā)電路，在總電路設(shè)計之后還需要進(jìn)行 matlab 仿真實驗。在設(shè)計過程中在設(shè)計一個并聯(lián)多重 12 脈沖整流電路作為主電路之前。并聯(lián)多重整流電路需要兩個三相橋式全控整流電路的并聯(lián)，所以先解決三相橋式全控整流電路的設(shè)計。三相橋式全控整流電路的電路設(shè)計需要晶閘管、變壓器、直流電動機(jī)、電感、可調(diào)電感等。采用順序控制的方法，減少交流輸入的電流諧波，同時減少直流輸出電壓的諧波幅值。由于晶閘管的導(dǎo)通必須要有觸發(fā)電路，所以設(shè)計一個觸發(fā)電路。由于三相橋式全控整流電路的觸發(fā)電路與并聯(lián)多重 12