三相橋式可控整流電路的設(shè)計1

1、課程設(shè)計說明書 三相橋式可控整流電路的設(shè)計院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 教授 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 號：班 級： 1503班 完成時間： 2017年11月16日 摘 要 整流電路就是把交流電能轉(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(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)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(fù)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。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入

2、電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離(可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響)。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、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。本文主要介紹三相橋式全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖,由工頻三相電壓380V經(jīng)升壓變壓器后由SCR(可控硅)再整流為直流供負(fù)載用。但是由于工藝要求大功率,大電流,高電壓,因此控制比較復(fù)雜,特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應(yīng),否則輸出的電壓波動大甚至還有可能短路造成設(shè)備損壞。關(guān)鍵詞: 整流， 變壓， 觸發(fā)， 過電壓， 保護(hù)電路目 錄1緒論1 1.1背景1 1

3、.2國內(nèi)外的現(xiàn)狀1 1.3主要的工作內(nèi)容12三相橋式可控整流電路設(shè)計2 2.1設(shè)計方案的選擇2 2.2主電路工作原理22.3參數(shù)計算與器件選擇33觸發(fā)電路設(shè)計5 3.1集成觸發(fā)芯片原理5 3.2集成觸發(fā)電路原理54保護(hù)電路的設(shè)計7 4.1晶閘管的保護(hù)電路7 4.2交流側(cè)的保護(hù)電路8 4.3直流側(cè)的保護(hù)電路95仿真及結(jié)果分析 10 5.1 MATLAB簡介10 5.2 MATLAB建模10 5.3仿真結(jié)果 10 5.4仿真結(jié)果分析 12結(jié)束語13參考文獻(xiàn)14致謝15附錄161緒論1.1課題背景三相橋式可控整流電是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用的最廣泛的電路。不僅應(yīng)用于一般工業(yè)領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于

4、交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領(lǐng)域。因此，對三相橋式可控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對比分析與研究具有一定的現(xiàn)實意義。這不僅是電力電子電路理論學(xué)習(xí)的重要一環(huán)，而且對工程實踐的實際應(yīng)用具有預(yù)測和指導(dǎo)作用。1.2國內(nèi)外的現(xiàn)狀電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè),交通運輸,空間技術(shù),國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域,進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來越多電力電子應(yīng)用在國民工業(yè)中，一些技術(shù)先進(jìn)的國家，經(jīng)過電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。1.3主要的工作內(nèi)容三相交流輸入線電壓380V，整

5、流電壓在0220V連續(xù)可調(diào)。應(yīng)用kj004觸發(fā)電路鎖定相位角，并用MATLAB仿真實現(xiàn)。2三相橋式可控整流電路設(shè)計2.1設(shè)計方案的選擇三相可控整流電路有三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。因為三相整流裝置三相平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動小，對電網(wǎng)影響小，同時三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，為此在應(yīng)用中較少，所以采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三

6、相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直，當(dāng)電感足夠大時，負(fù)載電流波形可以近似為一條水平線。在實際應(yīng)用中，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。當(dāng)功率超過4KW時，考慮到三相負(fù)載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。2.2主電路工作原理晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號如圖. 2-1所示，晶閘管的導(dǎo)通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖2-1 主電路原理圖2.3參數(shù)

7、計算與器件選擇整流變壓器: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，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： （公式1） 變比為： （公式2變壓器一次和二次側(cè)的相電流計算公式為： 公式3 公式4而在三相橋式全控中 公式5 公式6所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級容量為： 公式7變壓器初級容量為： 公式8變壓器容量為： 公式9即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法，；次級繞組星形接法，；容量選擇為9.46989kW。晶閘管： 晶閘管的額定電壓晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 公式10故橋臂的工作電壓幅值為： 公式11 考慮裕量，則額定電壓為： 公式

8、12 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為： 公式13考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：公式14平波電抗器：為了限制輸出電流脈動和保證最小負(fù)載電流時電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相橋式全控整流電路帶電動機(jī)負(fù)載系統(tǒng)，有： 公式15其中， （單位為mH）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當(dāng)負(fù)載電流降至20A時電流仍連續(xù)。所以取20A。所以有： 公式163觸發(fā)電路設(shè)計3.1集成觸發(fā)芯片原理本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度

9、的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。原理圖如下：圖3-1 KJ004的電路原理圖3.2集成觸發(fā)電路原理圖三相橋式全控觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖3-2所示：圖3-2 集成觸發(fā)電路圖4保護(hù)電路的設(shè)計為了保護(hù)設(shè)備安全，必須設(shè)

10、置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過電流與過電流保護(hù)，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(hù)器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護(hù)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的數(shù)值。本例中設(shè)計的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護(hù)方案，分別對晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計。4.1 晶閘管的保護(hù)電路晶閘管的過電流保護(hù)：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對于晶閘管初開通時引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回

11、路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負(fù)載回路接地時可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù)。如圖4-1所示：圖4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路晶閘管的過電壓保護(hù)：晶閘管的過電壓保護(hù)主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)電流的電感會因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如圖4-2所示：圖4-2并聯(lián)RC電路阻容吸收回路4.2 交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運行過程中會受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲

12、，同時設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過電壓保護(hù)，可采用如圖4-3所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護(hù)電路。整流電路正常工作時，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng) 、 放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。圖4-3反向阻斷式過電壓抑制RC電路4.3 直流側(cè)保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖4-4中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)切斷時，因直流側(cè)電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓。另

13、外，由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時，變壓器釋放的儲能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過電壓，仍會通過導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過電壓保護(hù)，用于抑制過電壓。圖4-4 直流側(cè)阻容保護(hù)5仿真及結(jié)果分析5.1MATLAB簡介MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先

14、進(jìn)水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連matlab開發(fā)工作界面接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。5.2電路建模建立一個新的模型窗口，命名為ban2。將三相橋式全控整流器和同步6脈沖觸發(fā)器子系統(tǒng)復(fù)制到ban2模型窗口中。通過合適的連接，最后連接成如圖5-4所示的命名為修改版的三相橋式全控整流器電路仿真模型。相關(guān)參數(shù)說明：交流電壓源Ua、Ub、Uc等于U2為17

15、9.6V，頻率為50Hz，Ua相序為0度，Ub相序為-120度，Uc相序為-240度。RC中的參數(shù)為：R為1歐，L為0H，C為（1e-6）F。RL中的參數(shù)為：R的參數(shù)為0.721歐，L（平波電抗器）的參數(shù)為4.4mH。DC的參數(shù)為-220V可設(shè)為任意值。圖5-1 三相橋式全控整流電路仿真圖5.3仿真結(jié)果（1）觸發(fā)角為0度時的波形圖5-2觸發(fā)角為0度時ud、id的波形圖 （2）觸發(fā)角為30度時的波形圖5-3觸發(fā)角為30度時ud、id的波形圖（3）觸發(fā)角為90度時的波形圖5-4觸發(fā)角為90度時ud、id的波形圖5.4仿真結(jié)果分析 通過仿真和分析，可知三相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角 載特性的

16、影響，文中應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具simulink 流電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與相關(guān)文獻(xiàn)中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。采用 Matlab/ Simulink 對三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣 的繪圖和計算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用Matlab /Simulink 進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。結(jié)束語通過本次設(shè)計讓我對三相晶閘管有了更深刻的了解并且知道要想成為一名出色的工程設(shè)計師是很不容易的需要充分的知識基礎(chǔ)和一定的耐

17、力。在此基礎(chǔ)上我也學(xué)到了很多開闊了眼界。在設(shè)計中我也感到平時積累不夠書到用時方恨少。在以后的學(xué)習(xí)工作中我要更加的努力學(xué)習(xí)自己的專業(yè)課豐富自己的業(yè)余生活。?參考文獻(xiàn)1 王兆安，黃俊主編電力電子技木M第四版北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20042 王云亮主編電力電子技術(shù)M第一版北京：電子工業(yè)出版社，20043 梁廷貴主編現(xiàn)代集成電路實用手冊可控硅觸發(fā)電路分冊M北京：科學(xué) 技術(shù)文獻(xiàn)出版社，20024 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 19915 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20096 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真M.北京：中國電力出版社，20077 范瑜.電氣工程概述M.北京：高等教育出版社，20068 黃立宏，廖基定.高等數(shù)學(xué)（上）M.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，20069 周杏鵬.現(xiàn)