电力电子技术课程设计三相半波整流电路的设计.doc

课程设计说明书 NO.1课程设计题目：三相半波整流电路的设计一、课程设计的目的电力电子技术课程是一门学科必修课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。其目的是训练学生综合运用学过的交流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力。通过设计能够使学生巩固、加深对交流电路基本原理的理解，提高学生运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养学生的创新精神和创新能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。二、主电路的选择与设计方案设计思路：主电路采用三相半波可控整流电路；采用正弦波同步触发三个晶闸管，实现AC变DC，通过改变触发电路的相角可以调整DC电压.；三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，因此其应用较少。但其所用元件较少，所以采用三相半波可控整流电路为主电路。主电路的设计：1、 当电路带电阻负载时的工作情况（1）原理说明三相半波可控整流电路为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流人电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则是该相所对应的。二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压，在一个周期中，器件工作情况如下：在t1t2期间， 相电压最高，VD1导通，ud= ua；在t2t3期间，b 相电压最高，VD2导通，ud= ub；在t3t4期间，c 相电压最高， 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.2VD3导通，ud= uc。此后，在下一周期相当于t1的位置即t4时刻，VD1又导通，重复前一周期的工作情况。如此，一周期中VD1、VD2、VD3轮流导通，每管各导通120o。ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。 在相电压的交点t1、t2、t3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。对三相半波可控整流电路而言，自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角  的起点，即=0o，要改变触发角只能是在此基础上增大，即沿时间坐标轴向右移。若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。由单相可控整流电路可知，各种单相可控整流电路的自然换相点是变压器二次电压u2的过零点。 当 = 0o时，变压器二次侧 a 相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120o，可见变压器二次绕组电流有直流分量。 VT1两端的电压波形，由3段组成：第1段, VT1导通期间，为一管压降，可近似为uVT1=0；第2段，在VT1关断后,，VT2导通期间，uVT1= uaub = uab ,为一段线电压；第3段，在VT3 导通期间，uVT1= uauc = uac为另一段线电压。即晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成。由图可见， = 0o时，晶闸管承受的两段线电压均为负值，随着  增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。其他两管上的电压波形形状相同，相位依次差120o。 增大  值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应地发生变化。    当=30o时的波形。从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120o。 如果 >30o，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90o，小于120o 若角继续增大，整流电压将越来越小，150o时，整流输出电压为零。故电阻负载时  角的移相范围为150o。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.3（2）负载电压整流电压平均值的计算分两种情况：1)  30o时，负载电流连续，有当  = 0 时，Ud 最大，为 Ud= Ud01.17U2.2)   >30o 时,负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有 UdU2 随  变化的规律如图所示 见书53页 负载电流平均值为：晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即       由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压 ud,其最小值为零,而晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值,即 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.4故有，晶闸管的重复峰值电压为： 输入电压为380V；故有，晶闸管的重复峰值电压为： =2.45×380=931V（3）电路图及其波形=0o时的波形=30o时的波形 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.5=60o时的波形2、当电路带阻感负载是的工作情况：（1）原理说明 如果负载为阻感负载，且L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形彼。（2）负载电压30o 时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。>30 o时，当 u2 过零时,由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1 继续导通，直到下一相晶闸管 VT2 的触发脉冲到来，才发生换流，由 VT2 导通向负载供电，同时向 VT1 施加反压使其关断。这种情况下 ud 波形中出现负的部分, 若  增大，ud 波形中负的部分将增多,至  =90o时, ud波形中正负面积相等, ud的平均值为零。可见阻感负载时 的移相范围为90o.由于负载电流连续，可求出Ud，即      Ud / U2 成余弦关系，如图曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，则当 >30o 后,与电感量足够大的情况相比较, ud 中负的部分将会减少，整流电压平均值Ud 略为增加, Ud / U2 与  的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种的一个例子。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.6变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为：     由此可求出晶闸管的额定电流为：      晶闸管两端电压波形由于负载电流连续，因此晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即 UFMURM2.45 U2id 波形有一定的脉动，与分析单相整流电路阻感负载时的 id 波形有所不同。这是电路工作的实际情况，因为负载中电感量不可能也不必非常大，往往只要能保证负载电流连续即可，这样 id 实际上是有波动的，不是完全平直的水平线。通常，为简化分析及定量计算，可以将 id 近似为一条水平线，这样的近似对分析和计算的准确性并不产生很大影响。（3）电路图及其波形=0o时的波形 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.7=30o时的波形=60o时的波形三、参考参数根据题目要求，输入电压为380伏、50赫兹 输出功率为2kw故有，晶闸管的重复峰值电压为： =2.45×380=931V四、触发电路的选择与设计 为了控制三相半波电路的导通角度，进一步控制电路需要对触发电路进行设计，本电路采用KC04集成移相触发电路，其原理如图所示： 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.8五、保护电路的设计电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过流。采用快速熔断器、直流快速熔断器和过流继电器是较为常用的措施。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过流保护措施。在选择快速熔断器是应考虑：1、 电压等级应根据熔断后快速熔断器实际承受的电压来确定。2、 电流容量应按起在主电路中的连接方式和主电路连接形式确定熔断器与晶闸管串联接入电路中。3、 熔断其的I2t值应小于被保护器件的允许值。4、 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为这个电路功率较小所以采用全保护方式： 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.9六、思考题1. 每只晶闸管承受的正反电压是否相同?不相同，最大反向电压等于变压器二次线电压的峰值URM=2.45U2；最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值UFM=1.414U2。2. 电阻负载与阻感负载触发角的移项范围是多少?R ： 0o150o ； RL： 0o90o3. 阻感负载时，R由大变小电流的脉动情况如何变化，为什么？由于负载中电感不可能也不必非常大，往往只要保证负载电流连续即可，因此电流是有脉动的，由于影响不大，可近似看作直线，所以根据欧姆定律得知，当R由大变小时，脉动情况会变大。七、设计体会为期一周的把电力电子技术的课程设计结束了，通过这次课程设计使我认识到：课程设计培养了我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新月异，电力电子技术已经成为当今诸多应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。对于自动化专业的学生来说掌握电子的开发技术是十分重要的。 沈 阳 大 学课程设计说明书 NO.10课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，学以致用，才是真正的掌握了所学的知识，将知识融会贯通从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到很多困难，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说集成电路的应用，晶闸管的触发和应用，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识！同时，对给过我帮助的老师和所有同学再次表示忠心的感谢！希望通过这次的设计提高了我的能力，使我自己能够更好的了解电力电子技术的发展及其应用，为以后的学习和工作打好基础。八、 参考文献1、梁廷亮.现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册M.北京：科学文献出版社.2002,2: 101-1082、王兆安.电力电子技术.第四版M.北京：机械工业出版社.2004,1 :51-543、王云亮.电力电子技术M.北京：电子工业出版社.2004,8 :72-854、李序葆,赵永健.电力电子器件及其应用M.北京:机械工业出版社,2004,8:58-615、莫正康.电力电子应用技术M.北京:机械工业出版社,2000,5:40-44 沈 阳 大 学