三相晶闸管可控整流电源设计课程设计报告.doc

2013 2014 学年 第 二 学期 电力电子技术 课 程 设 计 报 告题 目： 三相晶闸管可控整流电源设计 专 业： 自动化 班 级： 一 班 姓 名： 高蓝旭 龚志强 郭二杰 方国昌 韩小胜 洪凯 指导教师： 焦俊生 电气工程学院2014年5月16日1、任务书课题名称三相晶闸管可控整流电源设计指导教师副教授：焦俊生 执行时间20132014学年第 二 学期 第 13 周学生姓名学号承担任务高蓝旭1109111009排版的设计龚志强1109111010总结心得郭二杰1109111011查找相关资料韩小胜1109111012编写控制程序洪凯1109111013完成课程设计的制作方国昌1109111008电路图的绘制设计目的1.根据所学课程，完成课程设计2. 掌握电力电子方面的知识3. 熟悉三相整流电路的内容设计要求（1）技术要求1.三相交流电源，线电压380V。2.整流输出电压URdR在0210V连续可调。3.最大整流输出电流20A。4.负载为阻感负载，且电感值较大（工作时可认为负载电流是连续平滑的直流）。（2）主要设计内容1.整流变压器额定参数的计算（选择变压器次级额定电压和变比，初、次级绕组的导线直径。计算时取导线电流密度为5A/mmP2P）；2.晶闸管器件的电流、电压定额等参数的计算；3.集成触发电路的设计。（包括：触发电路的定向；触发电路采用集成触发电路）。摘 要 目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到95%。电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。而电能的传输中，直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。关键字：电力电子技术 三相可控整流电路 晶闸管目录摘 要1一、电力电子技术概况3二、方案选择32.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案32.2方案选择4三 主电路原理分析53.1 电路工作原理及过程的分析53.2 电路工作原理及过程的分析63.3 电路工作原理及过程的分析73.4 电路的工作特点：9四、主电路元件计算及选择104.1、变压器参数计数104.2、电力电子器件电压、电流等定额计算114.3、平波电抗器电感值的计算124.4、电容滤波的电容计算12五、保护电路12六、相控电路的驱动控制136.1、集成触发器136.2触发电路的定相15七、结束语18八、附录19九、参考文献19十、答辩记录及评分表20T一、电力电子技术概况电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。它的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。二、方案选择2.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少，所以采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高，和三相半波电路相比，在电源电压相同、控制角一样时，输出电压又提高了一倍。又因为整流变压器二次绕组电流没有直流分量，不存在铁心被直流磁化问题，故绕组和铁心利用率高，所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统，以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。保护电路整流电路380V三相交流电负载电路触发电路图2.1系统原理方框图2.2方案选择课设题目中给出的正是要求为220V、20A的直流电动机供电，它的容量为S= kw，属于高容量，所以应选用三相可控整流电路整流。另外三相桥式整流电压的脉动频率比三相半波高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也减小约一半。三相半波虽具有接线简单的特点，但由于其只采用三个晶闸管，所以晶闸管承受的反向峰值电压较高，并且电流是单方向的，存在直流磁化问题。基于以上原因，最终我选择三相桥式全控电路为电机整流。三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。三 主电路原理分析 目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图书（1），习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从至的顺序导通，为此将按图示的顺序编号，即共阴极组中与三相电源相接的3个晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别为按此编号，晶闸管的导通顺序为。 下面对其带阻感负载时工作情况进行分析：先假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角时的情况。此时，对于共极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。3.1 电路工作原理及过程的分析时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析的波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压波形为线电压在正半周期的包络线。图3为时，即在自然换相点触发换相时，把一个周期等份6段。在第1段期间，a相电位高，因而共阴极组的晶闸管被触发导通，b相电位最低。所以共阳极组的晶闸管被触发导通，这时电流由a相经流向负载，再经流入b相，变压器a,b两相工作。经过角后，进入第2段工作时期。此时a相电位仍然最高，晶闸管继续导通，但是c相电位却变成最低。当经过自然换相点时，触发c相晶闸管，电流从b相换到c相，承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经、负载R,L、流回电源c相，变压器a,c两相工作，再经过后，进入第3段时期。此时b相电位最高，共阴极组经过自然换相点时触发导通晶闸管，电流即从a相换到b相，c相晶闸管电位仍然最低而继续导通，这时变压器b,c两相工作。在第3段期间，b相电位最高，晶闸管仍然继续导通，这时a相电位却变成最低，所以晶闸管导通，这时电流由b相流出经、负载R,L、晶闸管流回b相电源，变压器b,a两相工作。在第4段期间，c相电位最高，晶闸管导通，b相电位最低，晶闸管导通，电流由c相流出经、负载R,L、晶闸管流回电源b相，变压器c,b两相工作。图3：3.2 电路工作原理及过程的分析 ，下面给出其波，与相比，一周期中波形仍由段线电压构成，每一段导通晶闸管等仍符合表的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了，组成的每一段线电压因此推迟，平均值降低。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 图4为时，把一个周期同样等份6段。在第1段期间，a相电位高，因而晶闸管被触发导通，b相电位最低。这时晶闸管被触发导通，这时电流由a相经流出而流向负载R,L，再经流入b相，变压器a,b两相工作。在第2段工作时期,此时a相电位仍然最高，晶闸管继续导通，a相电位最低。因而晶闸管被触发导通，电流由a相流出经晶闸管流入负载，经过流入c相，变压器c,a两相工作，在第3段工作时期，b相电位最高，因而晶闸管被触发导通，a相电位最低，晶闸管被触发导通，电流由b相经流出，经过负载，经过流入a相，这时变压器b,a两相工作。在第4段期间，c相电位最高，晶闸管被触发导通，a相电位最低，晶闸管导通，这时电流由c相经流出、经过负载、再经流入a相，a电位最低，变压器c,a两相工作。在第5段工作期间，c相电位最高，晶闸管导通，b相电位最低，晶闸管导通，电流由c相经流出、负载、再经流入b相，变压器c,b两相工作。图4：3.3 电路工作原理及过程的分析时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。，若电感L足够大，中正负面积将基本相等，平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路角移相范围为。三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电，当时，波形连续，由于电感L的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流的波形可以近似为一条水平线。由波形可见，在晶闸管导通段，波形由负载电流波形决定，和波形不同。当时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不会出现负的部分。而阻感负载时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。如图2时所示，若电感L足够大，中正负面积基本相等，平均值近似为零。这表明带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为。   三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对电动机进行控制。整流电路在接入电网时由于变压器一次侧电压为380V，大于电动机的额定电压，所以选用降压变压器，为得到零线，变压器二次侧必须接成星型，而一次侧接成三角形，这样可以避免三次谐波电流流入电网，减少对电源的干扰。图(1)   主电路原理图3.4 电路的工作特点：1. 三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。2. 三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差为。对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差为。在电感负载情况下，每个晶闸管导通.3. 由于共阴极组晶闸管是在正半周触发，共阳极组晶闸管是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位差为。4. 三相桥式全控整流电路每隔60度有触发换流到下一号晶闸管。例如由换流到，因此每隔60度要触发一个晶闸管，触发脉冲的顺序是，依次下去。相邻两脉冲的相位差是60度。5. 整流输出的电压，也就是负载上的电压，它属于变压器次级的线电压。6. 晶闸管所承受的电压波形如图一所示。三相桥式全控整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。7. 由于该电路的负载为阻感负载，且WL>>R，所以整流输出电流为一条直线。每个晶闸管导电，电流波形为长方形波。四、主电路元件计算及选择4.1、变压器参数计数 根据地已知的技术要求： 一次侧线电压U1=380V，整流输出电压加在阻感负载上，且电感值较大（工作时可认为负载电流是连续平滑的直流）， 由输出电压可由控制触发角来调节，且整流输出电压URdR在0210V内连续可调。 可取时，由上面的分析 得出考虑到变压器有漏感，会造成减小，但漏电感又在设计中无给出，由于其为小型变压器，电压损失较小，故可取。三相交流电源，线电压380V，知其相电压 由上结果计算变比N 计算得： 下面计算初、次级绕组的导线直径。计算时取导线电流密度为5A/mmP2P； 计算得： 再由变比与电流的关系得一次侧电波有效值 根据经济电流密度法来选择导线, ，。变压器一次侧: 变压器二次侧: 可根据计算选取变压器一次侧导线直径0.50mm,二次侧导线直径1.02mm。4.2、电力电子器件电压、电流等定额计算 1）晶闸管电压定额(一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍): 2）晶闸管电流定额(一般取其平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍): 已知计算得: 4.3、平波电抗器电感值的计算 一般只要主电路电感足够大,可以只考虑电流连续段,完全按线性处理.当带电机时在低速轻载时,断续作用显著,对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统,有 L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器和电感。前者数值都较小，所以上式求的近似为平波电抗电感。而一般取电动机额定电流的。可取为其额定值。 因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减少约一半，这也是三相桥式整流电路的一大优点。4.4、电容滤波的电容计算根据“电压下降速度相等”原则，三相桥式结构时而负载电阻为 容量： 加此电容可以滤去电压中高频成分。五、保护电路 我们采取缓冲电路,它的作用是抑制电力电子器件的内因过电压或者过电流和,减少器件的开关损耗.在有缓冲电路的情况下,晶闸管开通时缓冲电容向先通过向晶闸管放电,使电流先上一个台阶,以后因为有抑制电路的,的上速度减慢。、是在V关断时为中的磁场能量提供放电回路而设置的。在V关断时，负载电流通过分流，减轻了的负担，抑制了和过电压。图5.1 保护电路六、相控电路的驱动控制晶闸管可控整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制电压大小。为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。6.1、集成触发器集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。目前国内常用的有KJ系列和KC系列，两者生产厂家不同，但很相似。我根据我们的教材选了KJ系列 下图为KJ004电路原理图。其中点划线内为集成电路部分。从图中可以看出，它与分立元件的锯齿波移相触发电路相似。可以分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。由1个KJ004构成的触发单元可输出个相位间隔的触发脉冲。 只需用3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管脉冲放大即构成完整的三相全控桥触发电路，如图下所示：图6.1相控电路 其中，KJ041内部实际是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。 以上触发电路均为模拟量的，其优点是结构简单、可靠，但缺点中易受电网电压影响，触发脉冲的不对称度较高，可达，精度你。在对精度要求高的大容量变流装置中，越来越多地采用了数字触发电路，可获得很多的触发脉冲对称度。而在送触发脉冲时，又加了一脉冲变压器，起电气隔离作用，对于是晶闸管起保护作用，电路图如下：图6.2 触发电路6.2触发电路的定相 向晶闸管整流电路供电的交流电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了变当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。 为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来的问题是触发电路的定相，即选择同步电压的相位，以保证触发脉冲相位正确，触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。 触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。 如下给出了主电路电压与同步电压的关系示意图。 对于晶闸管，其阳极与交流侧电压相接，可简单表示为所接主电路电压为，的触发脉冲从到的范围为。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的对应于锯齿波起点，通常使锯齿波的上升段的为，上升段起始的和终了的线性度不好，舍去不用，使去中间的。锯齿波的中点与同步信号的位置对应。 三相整流电路器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使的触发角为。当时为整流工作，时为逆变工作。将确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有的移相范围。于是与同步电压的对应，也就与同步电压的对应。对应于阳极电压的位置对应，则其同步信号的应与的对应，说明的同步电压应滞后于。对于其他5个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压。对于共阴极组的、和，他们的阴极分别与、和。 以上分析了同步电压与主电路的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。 下图给出了变压器接法的一种情况及相应的矢量图，其中主电路整流变压器为联结，同步变压器为联结。这时，同步电压选取的结果见表晶闸管主电路电压同步电压图6.2 电路原理图七、结束语 经过几天的努力，我们的课程设计完成。一路走过来，感觉比较充实还有一点成就感，因为这是通过大家的努力完成的。 在这次课程设计中，我们到校图书馆查阅了大量的资料，学到了很多有用的但课本上没有的东西，并且有不懂的地方积极的请教老师以及和同学之前讨论，进一步巩固了课堂上学的东西。电力电子技术是一门基础性和支持性很强的技术，本学期我们学习了这门课程，在学习过程中掌握了电力电子技术的一些基本原理。通过本次课程设计，我们对这门课程有了更深的了解，以及对各个知识点有了更好的掌握。本次我们的电力电子课程设计题目为三相桥式可控整流电路，通过多天的努力与同学间的探讨使我们不仅掌握了晶闸管、触发电路的基本原来及其应用，也对这门学科有了更深的了解。也懂得了电力电子这门课程在实际生产中的应用将电力电子方面的知识应用到实际生产中，分析与复杂的数学计算，并力求将知识点与能力点紧密结合，从而有助于我们在工程应用能力上的培养。此次课程设计对于一名刚学习完电力电子技术的我来说有一定的难度，但是这对于我们掌握，理解学习过的知识有很大的帮助，对于思维 、逻辑及其理论知识的运用等多方面有了更加进一步的掌握，在完成的过程中我查阅了很多老师的参考书通过参考及运用自己所掌握的知识完成了此次的设计，在这里我也感谢所有给予我们关心帮助的老师和同学，希望以后有更多的机会来锻炼我们的综合素质，为以后的学习、生活打下良好的基础。八、附录 1、所选元器件清单整流变压器 1个同步压器 1个KP30型晶闸管 6个 KJ004集成块 3个 KJ041集成块 1个 晶体管放大器 6个 二极管 21个 电感器 1个电容器 若干 电阻 若干九、参考文献1 王兆安.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,2003 2 潘再平.电力电子技术与电机控制实验教程,浙江大学出版社,20013 王兆安,黄俊.电力电子变流技术(第四版)机械工业出版社,2001 4 马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,20045 马建国.电子系统设计.高等教育出版社,2004 6 王锁萍.电子设计自动化教程.电子科技大学出版社2002十、答辩记录及评分表 课题名称三相晶闸管可控整流电源设计答辩教师 焦俊生 答辩时间20132014 学年第 二 学期 第 13 周答辩记录 评 分 表学生姓名学号评分方国昌1109111008高蓝旭1109111009龚志强1109111010郭二杰1109111011韩小胜1109111012洪凯1109111013