中南大學電力電子課程設計(晶閘管整流)

電力電子技術課程設計報告任課老師：楊建老師課題名稱：單相雙半波晶閘管整流電路的設計(反電勢、電阻負載)設計者：程壹濤班級：電氣試驗1301學號：0303130115時間：2015-12-05目錄一、課題選擇1.1

課題名稱1.2

設計條件1.3

任務要求二、方案設計2.1

原理框圖三、主電路原理設計3.1主電路中各元件參數的計算3.2變壓器的參數計算3.3閘管電路對電網及系統(tǒng)功率因數的影響四、整流電路原理及設計4.1整流元件的選擇4.2電流定額（INVT）的計算五、觸發(fā)電路的選擇、原理及設計5.1相控觸發(fā)芯片的選擇5.2相控觸發(fā)工作原理及電路原理圖六、保護電路的工作原理及元器件的選擇6．1保護電路的工作原理6.2保護電路元器件的選擇七、MATLAB仿真實驗7.1模型的建立7.2模型電路參數的設置7.3模型電路參數對系統(tǒng)的影響7.4模型電路的波形顯示7.5波形分析八、本次設計總結九、參考文獻十、附錄課題選擇1.1課題名稱單相雙半波晶閘管整流電路的設計（反電勢、電阻負載）1.2設計條件：（1）電源電壓：交流100V/50Hz（2）輸出功率：5000W（3）移相范圍30°~150°（4）反電勢：E=70V1.3任務要求：（1）主電路設計（包括整流元件定額的選擇和計算等）,討論晶閘管電路對電網及系統(tǒng)功率因數的影響。(2)觸發(fā)電路設計。觸發(fā)電路選型（可使用集成觸發(fā)器），同步信號的產生等。(3)晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設計,計算保護元件參數并選擇保護元件型號。(4)提供系統(tǒng)電路圖紙不少于一張。(5)利用仿真軟件分析電路的工作過程。二、具體方案設計2.1

原理框圖過電保護觸發(fā)電路過電保護觸發(fā)電路反電動勢負載整流電路變壓器單相電源反電動勢負載整流電路變壓器單相電源在MATLAB仿真中直接用幅值為140V的兩個交流電壓源代替在MATLAB仿真中直接用幅值為140V的兩個交流電壓源代替該電路主要由四部分構成，分別為電源，過電保護電路，整流電路和觸發(fā)電路構成。輸入的信號經變壓器變壓后通過過電保護電路，保證電路出現過載或短路故障時，不至于傷害到晶閘管和負載。在電路中還加了防雷擊的保護電路。然后將經變壓和保護后的信號輸入整流電路中。在電路中,過電保護部分我們分別選擇的快速熔斷器做過流保護,而過壓保護則采用

RC

電路。整流部分電路則是根據題目的要求，我們選擇學過的單相全波整流電路。該電路的結構和工作原理是利用晶閘管的開關特性實現將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ?。單結晶體管直接觸發(fā)電路的移相范圍變化較大，而且由于是直接觸發(fā)電路它的結構比較簡單。一方面是方便我們對設計電路中變壓器型號。主電路原理及設計3.1主電路中各元件參數的計算單相全波整流帶反電動勢電阻負載電路如圖

所示。波形圖如下圖所示根據圖中可知，單相全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出電壓相同，其中β=π/6。設電阻值的大小為R由條件可以得到：（1）U2的幅值為：√2U2?sin（π-β）=E√2U2=E/sin(π-β)=140VU2=99（2）在一個周期內，任意

t時刻所求的瞬時功率分為兩部分：3.2變壓器的參數計算（1）變壓器二次側電壓的計算：在變壓器一次側接入100V/50Hz的電源電壓，輸出功率5000W，移相范圍：30°-150°。經過計算，R=0.766Ω,變壓器二次側的電壓值有效值為：2U2=198V。其頻率為50Hz。（2）變壓器一二次側電流的計算：N1根據條件有，

N2

U12U2

12

，當變壓器二次側繞組的一半有電流通過時，且二次側電流的有效值I2

53.8A，此時變壓器一次側電流的有效值為：I1

I2

53.8A（3）變壓器容量的計算：S

U1I1

100V

53.8A5.38kVA（4）變壓器型號的選擇：N1:N2

1:2S

5.38kVA3.3閘管電路對電網及系統(tǒng)功率因數的影響功率因數是供電系統(tǒng)的一個非常垂要的運行指標。功率因數提高可降低電力系統(tǒng)的電能損耗和電壓損耗，使電源容量得以充分利用由于相控型晶閘管電力變流器造成電網電壓波形畸變,產生高次諧波和功率因數變差,成為供電系統(tǒng)的一大公害,影響電網的供電質量,因此,必須采取措施,以減小其不良影響。晶閘管影響功率因數的分析：晶閘管裝置的功率因數是交流側的有功功率P1與視在功率S1之比(COSф=P1/S1)。以單相全控橋式電路為例,不計變壓器的漏抗,比接大電感負載(即電流平直),當電路工作在整流狀態(tài)時,交流側電壓U1與電流i1的波形如下圖所示：整流裝置的S1=U1I1(U1，I1為有效值),由于Ul是正弦波,而I1是非正弦波,因此從電網輸人有功功率:P1=U1*I11*COSф1式中：I11——變壓器一次側電流基波分量I11的有效值。COSф1——位移因數,基波電流I11與電壓U1相位差角的余弦.則功率因數為:COSф=P1/S1=U1*I11*COSф1/U1I1=I11/I1*COSф1I11/I1為電流畸變系數,表示電流波形中所含高次諧波的程度。它與整流變壓器、電路型式以及負載性質有關。I11/I1越接近于1,電流波形就越接近于正弦波。其次,由圖1可看出當忽略換相重疊角時,COSф=COSa。可見晶閘管整流裝置不像其他電氣設備,它的功率因數與負載性質無直接關系,而主要取決于控制角的余弦。考慮換相重疊角y,COSф1不僅與a有關,而且與y有關。a越大,下越大,則COSф1越低。晶閘管裝置工作在有源逆變狀態(tài)時,COSф1將隨著逆變角召的增大而降低。提高功率因數的措施從以上分析可知,要提高晶閘管裝置的功率因數,就要設法減小高次諧波、控制角a和換相重疊角y。而晶閘管整流裝置就是利用改變a來調壓的。要獲得低電壓,a自然要大,勢必使功率因數降低。因此,要使晶閘管裝置在低電壓下仍有較高的功率因數,則必須采取下述措施：(1)采用小控制角(逆變角)運行對于需要長時間工作在低電壓下且相對穩(wěn)定的負載,可采用改變整流變壓器的二次抽頭或采用星一三角變換等方法降低變壓器二次側電壓,這樣就可使晶閘管裝置輸出低電壓時可工作在小控制角下;需要輸出高電壓時,升高交流側的電壓。這樣就能使晶閘管裝置盡量運行在小控制角狀態(tài)。(2）增加整流電路的相數整流電路的相數越多,電流中的高次諧波的最低次數越高,且其幅值也減小,畸變因數更接近于1,從而提高了功率因數。(3)設置補償電容器當補償電容器與晶閘管整流裝置并聯時,使功率因數得以改善。但采用這種方法應注意,由于電路中存在高次諧波,如果電容與電路里的電感配合不當,就會產生諧振。為此,在補償電容器回路中往往串聯電抗器,合理選擇電感值,可防止諧振產生。四、整流電路原理及設計4.1整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時主要考慮晶閘管的參數及其選取原則。晶閘管的主要參數如下：(1)電壓定額UNVT①斷態(tài)重復峰值電壓

UDRM

斷態(tài)重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的峰值電壓。②反向重復峰值電壓URRM

反向重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。③通態(tài)（峰值）電壓UTM

通常取UDRM

和URRM

中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓在選用管子時，額定電壓要留有一定裕量，應為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2～3

倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓

UTM

min(UDRM,URRM)UNVT

≥(2~

3)

2√2U2

560~840V取

UNVT

800VUNVT

：工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓4.2電流定額INVT通態(tài)平均電流IT(AV)，其定義是晶閘管在室溫

40°和規(guī)定的冷卻條件下，結溫不超過額定結溫時所允許的流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。晶閘管的選擇原則：①所選晶閘管電流有效值IVT

大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值。②選擇時考慮（1.5～2）倍的安全裕量。即則晶閘管的額定電流為INVT

40

A。在本次設計中選用

2

個

KP50-10D

的晶閘管。五.觸發(fā)電路原理及設計5.1

相控觸發(fā)芯片的選擇相控觸發(fā)電路芯片選擇KJ004集成觸發(fā)電路芯片構成的集成觸發(fā)器KJ004可控硅移相電路可控硅移相觸發(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)。器件輸出兩路相差

180

度的移相脈沖,可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低,有脈沖列調制輸出端等功能與特點。芯片KJ004

的原理圖如圖所示：芯片

KJ004

有

12

個引腳，其封裝引腳圖如圖

所示：該芯片的引腳功能如表所示：5.2相控觸發(fā)工作原理及電路原理圖晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對其產生的觸發(fā)脈沖要求：①觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。②觸發(fā)信號應有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。③觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。④觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。單結晶體管觸發(fā)電路由單結晶體管構成的觸發(fā)電路具有簡單、可靠、抗干擾能力強、溫度補償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應用。他由自激震蕩、同步電源、移相、脈沖形成等部分組成，電路圖如圖

所示。六、保護電路的工作原理及元器件的選擇6．1保護電路的工作原理①過電流保護：過電流保護就是當電流超過預定最大值時，使保護裝置動作的一種保護方式。當流過被保護原件中的電流超過預先整定的某個數值時，保護裝置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號。當電力電子變流裝置內部某些器件被擊穿或短路；驅動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現負載過載；直流側短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當的過電流保護。②過電壓保護：過電壓保護是當電壓超過預定最大值時，使電源斷開或使受控設備電壓降低的一種保護方式。設備在運行過程中，會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現，因此，必須對電力電子裝置進行適當的過電壓保護。晶閘管的過流、過壓保護電路如圖

所示。6.2保護電路元器件的選擇過變壓器二次側保護，采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。選擇快速熔斷器應考慮：①電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定，取

800V

電壓值。②電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。③快熔的tI2值應小于被保護器件的最大允許tI2max值 ④為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。因為晶閘管的額定電流為40A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為

60A。選擇型號為

KH000-63A/1000V

AC。對過電壓、過電流保護，采用并聯

RC

電路的方式，對電阻和電容大小選取的計算式如下：①電容

C

的選擇：C

(2.5~5)

10?8INVT

1~

2F所以選擇2uF的電容②電阻

R

的選擇：R

(2~

4)

535

(0.367

I2)

54.2~108.4?選擇

80?電阻七、

MATLAB

仿真實驗7.1模型的建立單相雙半波晶閘管整流電路模型主要由交流電源、同步觸發(fā)脈沖、反電動勢電阻負載、測量等部分組成。采用

MATLAB

面向電氣原理結構圖方法構成的單相雙半波整流電路仿真模型如圖

所示。

單相雙半波整流電路MATLAB仿真模型7.2模型電路參數的設置在搭建好圖示的單相雙半波整流電路之后，需要對電路中各個元器件的參數進行設置。雙擊Series

RLC

Branch元件，選擇Branch

type為R，即只含有電阻，并且設置Resistance

(Ohms)參數為0.766。雙擊反電動勢負載器件DC

Voltage

Sourced，設置參數Amplitude

(V)為70。在電路中用到的雙半波模型可以用兩個交流電壓AC

Voltage

Source代替，雙擊元件，修改峰值電壓參數Peak

amplitude

(V)為140，設置頻率Frequency

(Hz)為50。控制晶閘管的觸發(fā)脈沖Pulse

Generator只需要一個，雙擊之后，設置其參數Period

(secs)為0.01，即頻率為100Hz；設置參數PulseWidth的數值為10，即占空比為10%；設置參數Phasedelay

(secs)的值，可以通過控制延時時間來控制晶閘管的觸發(fā)角。7.3模型電路參數對系統(tǒng)的影響在此整流電路中，對系統(tǒng)性能以及穩(wěn)定性有影響的參數主要有觸發(fā)脈沖的頻率，觸發(fā)脈沖的占空比，觸發(fā)脈沖的延時時間。頻率因為此整流電路為雙半波整流，需要在正負半周各有一次晶閘管的切換，而兩個交流電源為相位相同，頻率為50HZ的正弦波，所以由此可知，觸發(fā)脈沖頻率應為100HZ，即將周期設為0.01s.否則電路無法按照預期結果運行。占空比

占空比直接影響到晶閘管能否導通，因為晶閘管導通需要一定寬度的觸發(fā)脈沖，而且脈沖前沿要陡，一開始的時候，默認的5%的占空比不足以使晶閘管正常導通，導致沒有波形輸出。在10%左右的時候才可以正常導通。延時時間延時時間是通過脈沖周期來算的，通過此來控制觸發(fā)脈沖延后正弦波多長時間，即觸發(fā)角的大小。7.4模型電路的波形顯示通過設置不同的觸發(fā)角，觀察仿真電路的波形，主要觀察電壓源波形、輸出電路中的電壓波形、電流波形以及電阻負載兩端的電壓波形。注：從上到下波形依次是：輸入交流電壓（正弦波）負載和反電動勢電壓負載電流反電動勢電壓負載電壓觸發(fā)角為15°觸發(fā)角為30°觸發(fā)角為36°觸發(fā)角為45°（5）觸發(fā)角為60°（6）觸發(fā)角為90°（7）觸發(fā)角為120°（8）觸發(fā)角為135°（9）觸發(fā)角為150°（10）觸發(fā)角為165°7.5波形分析從圖中的的波形圖可以看出，輸出電流在一個周期內有部分時間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。當觸發(fā)角時，觸發(fā)脈沖到來，因為反電動勢的作用使晶閘管承受負電壓，不可能導通。為了使晶閘管可靠導通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當δ時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲了

δ。但是當150°≤δ≤180°時，觸發(fā)脈沖到來，晶閘管承受負電壓，依舊不可能導通，即晶閘管在150°≤≤180°段內截止。如上圖所示，當負載為直流電動機時，如果出現電流斷續(xù)，則電動機的機械特性將很軟。一般在主電路的直流輸出側串聯一個平波電抗器，用來簡紹電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。八、本次設計總結本次電力電子課程設計我們真切地感受到了電力電子技術的奇妙性和知識的無窮無盡，我們在設計過程中遇到了很多困難，主要是對電力電子技術掌握得不是很熟悉，后來我們兩個人就把這本書上的內容系統(tǒng)地看了一遍，對其中的主要內容以及框架結構就有了很深的了解，然后我們又把以前學習的MATLAB的相關知識熟悉了幾次，這樣我們對此次的設計就得心應手了，接著我們做這個設計的過程中順利了許多。通過單相雙半波整流電路的設計，使我加深了對單相雙半波晶閘管整流電路的理解，并且對電力電子該課程產生了濃厚的興趣。對