中南大學(xué)電力電子課程設(shè)計(jì)(晶閘管整流)

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告任課老師：楊建老師課題名稱：?jiǎn)蜗嚯p半波晶閘管整流電路的設(shè)計(jì)(反電勢(shì)、電阻負(fù)載)設(shè)計(jì)者：程壹濤班級(jí)：電氣試驗(yàn)1301學(xué)號(hào)：0303130115時(shí)間：2015-12-05目錄一、課題選擇1.1

課題名稱1.2

設(shè)計(jì)條件1.3

任務(wù)要求二、方案設(shè)計(jì)2.1

原理框圖三、主電路原理設(shè)計(jì)3.1主電路中各元件參數(shù)的計(jì)算3.2變壓器的參數(shù)計(jì)算3.3閘管電路對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響四、整流電路原理及設(shè)計(jì)4.1整流元件的選擇4.2電流定額（INVT）的計(jì)算五、觸發(fā)電路的選擇、原理及設(shè)計(jì)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(hù)電路的工作原理及元器件的選擇6．1保護(hù)電路的工作原理6.2保護(hù)電路元器件的選擇七、MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)7.1模型的建立7.2模型電路參數(shù)的設(shè)置7.3模型電路參數(shù)對(duì)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(shè)計(jì)總結(jié)九、參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)（反電勢(shì)、電阻負(fù)載）1.2設(shè)計(jì)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(shì)：E=70V1.3任務(wù)要求：（1）主電路設(shè)計(jì)（包括整流元件定額的選擇和計(jì)算等）,討論晶閘管電路對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。(2)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路選型（可使用集成觸發(fā)器），同步信號(hào)的產(chǎn)生等。(3)晶閘管的過電壓保護(hù)與過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì),計(jì)算保護(hù)元件參數(shù)并選擇保護(hù)元件型號(hào)。(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(shè)計(jì)2.1

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

RC

電路。整流部分電路則是根據(jù)題目的要求，我們選擇學(xué)過的單相全波整流電路。該電路的結(jié)構(gòu)和工作原理是利用晶閘管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鞯墓δ堋谓Y(jié)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(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。一方面是方便我們對(duì)設(shè)計(jì)電路中變壓器型號(hào)。主電路原理及設(shè)計(jì)3.1主電路中各元件參數(shù)的計(jì)算單相全波整流帶反電動(dòng)勢(shì)電阻負(fù)載電路如圖

所示。波形圖如下圖所示根據(jù)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(shè)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(gè)周期內(nèi)，任意

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

N2

U12U2

12

，當(dāng)變壓器二次側(cè)繞組的一半有電流通過時(shí)，且二次側(cè)電流的有效值I2

53.8A，此時(shí)變壓器一次側(cè)電流的有效值為：I1

I2

53.8A（3）變壓器容量的計(jì)算：S

U1I1

100V

53.8A5.38kVA（4）變壓器型號(hào)的選擇：N1:N2

1:2S

5.38kVA3.3閘管電路對(duì)電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響功率因數(shù)是供電系統(tǒng)的一個(gè)非常垂要的運(yùn)行指標(biāo)。功率因數(shù)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(wǎng)電壓波形畸變,產(chǎn)生高次諧波和功率因數(shù)變差,成為供電系統(tǒng)的一大公害,影響電網(wǎng)的供電質(zhì)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(shù)的分析：晶閘管裝置的功率因數(shù)是交流側(cè)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(jì)變壓器的漏抗,比接大電感負(fù)載(即電流平直),當(dāng)電路工作在整流狀態(tài)時(shí),交流側(cè)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(wǎng)輸人有功功率:P1=U1*I11*COSф1式中：I11——變壓器一次側(cè)電流基波分量I11的有效值。COSф1——位移因數(shù),基波電流I11與電壓U1相位差角的余弦.則功率因數(shù)為:COSф=P1/S1=U1*I11*COSф1/U1I1=I11/I1*COSф1I11/I1為電流畸變系數(shù),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(fù)載性質(zhì)有關(guān)。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(dāng)忽略換相重疊角時(shí),COSф=COSa?？梢娋чl管整流裝置不像其他電氣設(shè)備,它的功率因數(shù)與負(fù)載性質(zhì)無直接關(guān)系,而主要取決于控制角的余弦?？紤]換相重疊角y,COSф1不僅與a有關(guān),而且與y有關(guān)。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(shí),COSф1將隨著逆變角召的增大而降低。提高功率因數(shù)的措施從以上分析可知,要提高晶閘管裝置的功率因數(shù),就要設(shè)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(diào)壓的。要獲得低電壓,a自然要大,勢(shì)必使功率因數(shù)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(shù),則必須采取下述措施：(1)采用小控制角(逆變角)運(yùn)行對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間工作在低電壓下且相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)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(cè)電壓,這樣就可使晶閘管裝置輸出低電壓時(shí)可工作在小控制角下;需要輸出高電壓時(shí),升高交流側(cè)的電壓。這樣就能使晶閘管裝置盡量運(yùn)行在小控制角狀態(tài)。(2）增加整流電路的相數(shù)整流電路的相數(shù)越多,電流中的高次諧波的最低次數(shù)越高,且其幅值也減小,畸變因數(shù)更接近于1,從而提高了功率因數(shù)。(3)設(shè)置補(bǔ)償電容器當(dāng)補(bǔ)償電容器與晶閘管整流裝置并聯(lián)時(shí),使功率因數(shù)得以改善。但采用這種方法應(yīng)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(dāng),就會(huì)產(chǎn)生諧振。為此,在補(bǔ)償電容器回路中往往串聯(lián)電抗器,合理選擇電感值,可防止諧振產(chǎn)生。四、整流電路原理及設(shè)計(jì)4.1整流元件的選擇由于單相雙半波整流帶阻性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參數(shù)及其選取原則。晶閘管的主要參數(shù)如下：(1)電壓定額UNVT①斷態(tài)重復(fù)峰值電壓

UDRM

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

反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓在選用管子時(shí)，額定電壓要留有一定裕量，應(yīng)為正常工作時(shí)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(shí)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(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)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(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)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(shí)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(shè)計(jì)中選用

2

個(gè)

KP50-10D

的晶閘管。五.觸發(fā)電路原理及設(shè)計(jì)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(gòu)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(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。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(duì)同步電壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。芯片KJ004

的原理圖如圖所示：芯片

KJ004

有

12

個(gè)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(diào)制觸發(fā)等。觸發(fā)電路對(duì)其產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖要求：①觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。②觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。③觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)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(jié)晶體管觸發(fā)電路由單結(jié)晶體管構(gòu)成的觸發(fā)電路具有簡(jiǎn)單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度補(bǔ)償性能好，脈沖前沿徒等優(yōu)點(diǎn)，在容量小的晶閘管裝置中得到了廣泛應(yīng)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(hù)電路的工作原理及元器件的選擇6．1保護(hù)電路的工作原理①過電流保護(hù)：過電流保護(hù)就是當(dāng)電流超過預(yù)定最大值時(shí)，使保護(hù)裝置動(dòng)作的一種保護(hù)方式。當(dāng)流過被保護(hù)原件中的電流超過預(yù)先整定的某個(gè)數(shù)值時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)，并用時(shí)限保證動(dòng)作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失?。灰约敖涣麟娫措妷哼^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(xiàn)過電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。②過電壓保護(hù)：過電壓保護(hù)是當(dāng)電壓超過預(yù)定最大值時(shí)，使電源斷開或使受控設(shè)備電壓降低的一種保護(hù)方式。設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)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。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)，因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)。晶閘管的過流、過壓保護(hù)電路如圖

所示。6.2保護(hù)電路元器件的選擇過變壓器二次側(cè)保護(hù)，采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。選擇快速熔斷器應(yīng)考慮：①電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定，取

800V

電壓值。②電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。快熔一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。③快熔的tI2值應(yīng)小于被保護(hù)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(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl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(hào)為

KH000-63A/1000V

AC。對(duì)過電壓、過電流保護(hù)，采用并聯(lián)

RC

電路的方式，對(duì)電阻和電容大小選取的計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)勢(shì)電阻負(fù)載、測(cè)量等部分組成。采用

MATLAB

面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)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(shù)的設(shè)置在搭建好圖示的單相雙半波整流電路之后，需要對(duì)電路中各個(gè)元器件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。雙擊Series

RLC

Branch元件，選擇Branch

type為R，即只含有電阻，并且設(shè)置Resistance

(Ohms)參數(shù)為0.766。雙擊反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載器件DC

Voltage

Sourced，設(shè)置參數(shù)Amplitude

(V)為70。在電路中用到的雙半波模型可以用兩個(gè)交流電壓AC

Voltage

Source代替，雙擊元件，修改峰值電壓參數(shù)Peak

amplitude

(V)為140，設(shè)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(gè)，雙擊之后，設(shè)置其參數(shù)Period

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

(secs)的值，可以通過控制延時(shí)時(shí)間來控制晶閘管的觸發(fā)角。7.3模型電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響在此整流電路中，對(duì)系統(tǒng)性能以及穩(wěn)定性有影響的參數(shù)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(shí)時(shí)間。頻率因?yàn)榇苏麟娐窞殡p半波整流，需要在正負(fù)半周各有一次晶閘管的切換，而兩個(gè)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(yīng)為100HZ，即將周期設(shè)為0.01s.否則電路無法按照預(yù)期結(jié)果運(yùn)行。占空比

占空比直接影響到晶閘管能否導(dǎo)通，因?yàn)榫чl管導(dǎo)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(shí)候，默認(rèn)的5%的占空比不足以使晶閘管正常導(dǎo)通，導(dǎo)致沒有波形輸出。在10%左右的時(shí)候才可以正常導(dǎo)通。延時(shí)時(shí)間延時(shí)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間，即觸發(fā)角的大小。7.4模型電路的波形顯示通過設(shè)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(fù)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(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)電壓負(fù)載電流反電動(dòng)勢(shì)電壓負(fù)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(gè)周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。當(dāng)觸發(fā)角時(shí)，觸發(fā)脈沖到來，因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)的作用使晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)δ時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲了

δ。但是當(dāng)150°≤δ≤180°時(shí)，觸發(fā)脈沖到來，晶閘管承受負(fù)電壓，依舊不可能導(dǎo)通，即晶閘管在150°≤≤180°段內(nèi)截止。如上圖所示，當(dāng)負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。一般在主電路的直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來簡(jiǎn)紹電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。八、本次設(shè)計(jì)總結(jié)本次電力電子課程設(shè)計(jì)我們真切地感受到了電力電子技術(shù)的奇妙性和知識(shí)的無窮無盡，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中遇到了很多困難，主要是對(duì)電力電子技術(shù)掌握得不是很熟悉，后來我們兩個(gè)人就把這本書上的內(nèi)容系統(tǒng)地看了一遍，對(duì)其中的主要內(nèi)容以及框架結(jié)構(gòu)就有了很深的了解，然后我們又把以前學(xué)習(xí)的MATLAB的相關(guān)知識(shí)熟悉了幾次，這樣我們對(duì)此次的設(shè)計(jì)就得心應(yīng)手了，接著我們做這個(gè)設(shè)計(jì)的過程中順利了許多。通過單相雙半波整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)單相雙半波晶閘管整流電路的理解，并且對(duì)電力電子該課程產(chǎn)生了濃厚的興趣。對(duì)