电力电子技术三相桥式晶闸管整流电路设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术 课程设计（论文）题目：三相桥式晶闸管整流电路设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目三相桥式晶闸管整流电路设计课程设计（论文）任务实现功能交流电源通过变压器隔离变压之后，经过晶闸管整流电路输出直流电压，作为负载的供电电源。负载为阻感负载，且R=5，L=50mH。设计任务及要求1、计算变压器容量，选择型号；2、计算晶闸管的额定参数，选择型号；3、设计主电路；4、选择晶闸管的触发电路和相应的保护电路、仿真分析；5、按学校规定格式，撰写、打印明书一份；设计说明书在4000字以上。技术参数电源电压100V/50Hz，输出电压060V。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）2、计算参数，选择器件（2天）3、设计主电路和触发电路、保护电路（2天）4、仿真分析（2天）5、撰写、打印设计说明书（2天）6、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要三相整流电路就是将三相交流电能转化成直流电能为直流电机等负载供电。本次课设主要是三相晶闸管整流电路的主电路、触发电路、保护电路的设计，变压器容量等参数的计算，变压器型号的选择。晶闸管额定电流额定电压的计算，晶闸管型号的选择。针对主电路和负载的特点设计的过流保护电路和过压保护电路。在最后利用MATLAB仿真软件进行了计算机仿真分析关键词：整流；变压：晶闸管；仿真目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案32.1 概述32.2 系统组成总体结构3第3章 主电路设计53.1 主电路设计以及器件的选择53.2 电路电压、电流等定额计算53.3 电力电子器件电压、电流等定额计算7第4章 保护电路的设计94.1 过压保护电路94.2 过流保护电路10第5章 触发电路的设计11第6章 MATLAB仿真12第7章 课程设计总结15参考文献16第1章 绪论电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅应用于一般的工业，也广泛应用于交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明，空调等家用电器以及其它领域中也有着广泛的应用。（1）一般工业工业中大量应用各种交直流电机，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近些年来也采用了变频调速装置，以达到节能的目的。直流电机有良好的调速性能，给其供电的可控整流或直流斩波电源都是电力电子装置。近些年电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，这使交流调速技术大量应用并占据主导地位。功率上从几百瓦到数千瓦的变频调速装置，软启动装置等。电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。需要大量的整流电源。电镀装置也需要整流电源。（2）交通运输电气化铁路中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车采用的整流装置，交流机车采用的变频装置。直流斩波也广泛应用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键的技术。除牵引电机的传动外 ，车辆中的各种辅助电源也离不开电力电子技术。电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力转换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶和电梯也都离不开电力电子技术。（3）家用电器电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐渐取代白炽灯和日光灯。空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等家用电气也应用了电力电子技术。（4）电力系统电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。最终用户在使用电能时常常需要进行预处理。如降压、滤波、无功补偿等；据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化过程中，电力电子技术是关键之一。毫不夸张的说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。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流装置。近年来发展起来的柔性交流输电可以大幅度提高电网输电能力和稳定性。手段快速、精确、连续的控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼震荡的性能加以改善和提高。如有源滤波器可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。不间断电源和各种开关电源等这一类应用最为普遍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。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。（5）新能源的开发和利用传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受到环境的制约发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。为了合理利用水利发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中大型电动机的启动和调速都需要用到电力电子技术。而我们通常说的电力有交流直流两种。从公共电网直接得到的电力是交流，从蓄电池得到的电力是直流。从这些电源的到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。电力变换通常分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。交流变直流叫整流，直流变交流叫逆变。本论设计主要针对整流技术进行深入学习研究，主要用到的电力电子器件为晶闸管，利用晶闸管构成三相桥式整流电路，并对驱动电路控制电路保护电路进行设计，进而加深对电力电子技术整流技术的理解和深入学习。第2章 课程设计的方案2.1 概述整流电路时电力电子中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流应用的十分广泛，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。整流电路可以从各种角度分类，主要分类方法有：按组成的期间分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单项电路和多想电路；按变压器二次侧电流方向分为单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。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。当负载容量较大（如超过4kW以上），或者要求直流电压的脉动要小时，应采用三相可控整流电路。本次设计主要是综合应用所学知识，设计出三相桥式晶闸管整流电路。并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。2.2 系统组成总体结构该系统主要由主电路、保护电路、控制电路、触发电路。具体关系如图2.2 系统结构图。负载保护电路主电路触发电路 图2.2 系统结构图主电路:主要由变压器以及晶闸管组成。变压器有变压的功能，同时也起到了将一次侧与二次侧的电气完全隔绝。另外，利用其铁芯高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。用隔离变压器使二次回路对地悬浮，只能用在供电范围较小、线路较短的场合。晶闸管：在三相晶闸管全控整流电路中，六个晶闸管分为两组，即共阴极组合共阳极组两组，按照VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6交替触发，并且相隔60°的电角度，从而实现整流的目的。当负载为感性并且电感很大，流过负载的电流为平直的直线。保护电路：在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路性能设计良好以外，采用合适的过压保护、过流保护、du/t保护和di/t保护也是必要的。第3章 主电路设计3.1 主电路设计以及器件的选择主电路隔离变压器和晶闸管搭建而成，主电路的电路图如图3.1主电路结构图。图3.1 主电路机构图 3.2 电路电压、电流等定额计算当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60°时）的平均值为： 根据已知的技术要求：一次侧线电压U1=100V，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Ud在0117V内连续可调。可取时，由上面的分析得出 三相交流电源，相电压等于100V 由上结果计算变比： 计算得 2计算电流再由变比与电流的关系得一次侧电流有效值：3.3 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:选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.52倍。3变压器容量的计算计算出设备的计算负荷后，就可选择变压器了。变压器的容量首先应保证在计算负荷下变压器长期可靠运行。对仅有一台变压器运行的变电所，变压器容量应满足下列条件考虑到节能和留有余量，变压器的负荷率一般取70%-85%。这里我们取70%。由此可计算变压器容量为：综上所述，选用容量为5的三相变压器型号为SCB10-5KVA/100V/50V。选用的晶闸管的型号为KK305，其额定电流为30A，承受的最大电压为500V。第4章 保护电路的设计4.1 过压保护电路电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：（1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压、电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。（2）雷击过电压：由雷击引起的过电压内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：（1）换相过电压：由晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反响电流流过，使残存的载流子恢复，而当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过压。（2）关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。由此可见在电力电子电路中对电力电子器件的保护是必不可少的，减少过电压过电流情况下对器件的损坏，从而对 电力电子电路的可靠运行提供保障。如图4.1。图4.1反向阻断式过压保护电路图4.2 过流保护电路电力电子电路运行不正常或者发生故障的时候，可能会发生过流。过流分过载和短路两种情况。保护电力电子器件，我们通常在电力电子电路中加入一些过流保护电路。其中快速熔断器，直流快速熔断电路和过流继电器是较为常用的措施。一般的电力电子电路均同时采用几种过流保护措施，以提高电路的可靠性和合理性。图4.2过流保护电路第5章 触发电路的设计如图为是由构成的触发脉冲的输出电路。输出端分别与晶闸管门极相连。 图5.1触发电路电路图第6章 MATLAB仿真针对所设计的电路图进行了仿真的到的一组输出波形。图6.1为触发晶闸管的六路触发脉冲，一次触发VT1到VT6晶闸管。图6.2为触发角为0度负载两端电压的输出波形和VT1晶闸管的触发脉冲波形。图6.2为触发角是30度负载两端电压的输出波形和VT1晶闸管的触发脉冲波形。图6.3为触发角是60度负载两端电压的输出波形和VT1晶闸管的触发脉冲波形。图6.4为触发角是90度负载两端电压的输出波形和VT1晶闸管的触发脉冲波形。图6.5利用MATLAB软件进行仿真分析的电路图。图6.5MATLAB仿真分析的电路图图6.1六路触发脉冲的波形。图6.1六路触发脉冲波形图6.2晶闸管门极触发脉冲波形、输出电压、晶闸管承受电压波形。图6.2触发角为0°图6.3号晶闸管门极触发脉冲波形、输出电压、晶闸管承受电压波形。图6.3触发角为30°图6.4晶闸管门极触发脉冲波形、输出电压、晶闸管承受电压波形。 图6.4触发角为60°第7章 课程设计总结首先要感谢老师的这两周的时间里精心指导，为我指导迷津，提供帮助。在我们课程设计遇到困难的时候、在我们对设计一筹莫展的时候，是老师给我指明了方向，提出了问题，。老师的指导下，完成了一个三相桥式晶闸管整流电路的课程设计。这个看似简单的设计，并没有想象中的那么简单，反而是遇到了一些困难，也花费了很多的精力在里面，让我真正的体会到了什么叫学以致用，也明白了将学和用相结合是多么的重要。通过这次课程设计，我更深入的理解了三相桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串起来组成的电路，也对其用Multisim画电路图，有了更进一步的认识和理解。对于理论知识的吸收、理解和应用，有了一定的提高。在这次设计过程中，我最深刻的认识就是，课程设计的过程中可以把学到的知识横向比较的来进行理解，例如在这次的设计过程中，我们遇到了一个小问题，那就是：在电感性负载时三相桥式半控整流电路和单相桥式半控电路有什么相似之处？三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路有什么区别？这个问题在课本中都很难得到准确的答案的，因为课本中的理论知识是以章节的形式出现的，是独立的纵向的知识结构。在课程设计中，锻炼了我们把知识横向比较和运用的能力。这样的方法可以更深刻的理解知识，把握理论的要点。通过这次设计，我们深刻的理解了书本理论知识到实际应用层面的转化，是一个质变的过程。而这个质变的过程正是以量变为基础的，没有扎实的理论知识作为基础，是不可能有实际工程应用的转变的。这也告诉我们了一个道理，大学里学到的知识并不是用来应付那简单的期末考试的，更重要的是要用到实际应用中，有言道：“实践是检验真理的唯一标准”，这次课程设计正是给我们提供了一个这样的平台来检验自己学到的真理。还有很重要的一点，那就是实验室的老师，给我们提供了很大的帮助。使我们得到了知识上和本领上的升华。这样的设计很锻炼学生的实际应用能力，应该多多进行这样的课程设计，对于我们以后进入社会，扮演工作的角色，提供坚实的实际应用基础。参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2001：25-362 王文郁，电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001：115-1263 李宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，2001：200-2064 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