三相橋式全控整流電路課程設(shè)計

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書</p><p>　　三相橋式全控整流電路</p><p>　　系 、 部： 電氣與信息工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b&

2、gt;　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1. 電子技術(shù)的發(fā)展趨勢1</p><p>　　2. 本人的主要工作3</p><p>　　第2章 主電路的設(shè)計及原理3</p><p><b>　　1. 總體框圖3</b></p><p>　　2. 主電路的設(shè)計原理

3、4</p><p>　　2.1帶電阻負載時5</p><p>　　2.2阻感負載時7</p><p><b>　　3. 觸發(fā)電路9</b></p><p>　　4. 保護電路10</p><p>　　5. 參數(shù)計算11</p><p>　　5.1 整流變壓器的

4、選擇11</p><p>　　5.2 晶閘管的選擇11</p><p>　　5.3 輸出的定量分析12</p><p>　　第3章 MATLAB的仿真13</p><p>　　1. MATLAB仿真軟件的簡介13</p><p>　　2. 仿真模擬圖14</p><p>　　3

5、. 仿真結(jié)果14</p><p>　　第4章 結(jié)束語16</p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1. 電子技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　當今世界能源消耗增長十分迅速。目前，在所有

6、能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才到使用者手中。預計十年后，電力能源中的80%要經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)在21世紀將起到更大作用。 　　電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換的學科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學科。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)

7、域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術(shù)學科。 　　電力電子技術(shù)作為一門高技術(shù)學科，由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等方面有著重要的作用，現(xiàn)在已廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)(例如：電力、機械、交通、化工、冶金、輕紡等)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(例如：航天、現(xiàn)代化通信等)。下面著重討論電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用。 在高壓直流輸電(HVDC)方面的應(yīng)用 　　直流輸電在技術(shù)方面有許多優(yōu)點：(1)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)

8、電網(wǎng)的非同期互聯(lián);(2)可以限制短路電流;(3)沒有電容充電電流;(4)線路有</p><p>　　2. 本人的主要工作</p><p>　?。?）設(shè)計一個三相橋式全控整流電路。 </p><p>　?。?）把設(shè)計的電路圖進行仿真，分析并調(diào)試，使輸出得到所要求的到的值。</p><p>　　（3）用軟件MATLAB ，畫出設(shè)計原理圖。<

9、/p><p>　　（4）完成設(shè)計報告。</p><p>　　第2章 主電路的設(shè)計及原理</p><p><b>　　1. 總體框圖</b></p><p>　　圖2-1-1 總電路的總體框圖</p><p>　　2. 主電路的設(shè)計原理</p><p>　　在三相橋式全控整流

10、電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控制角都是α。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。 </p><p>　　為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發(fā)的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘管是這樣編號的：晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b相，

11、晶管KP5和KP2接c相。</p><p>　　晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。 </p><p>　　為了搞清楚α變化時各晶閘管的導通規(guī)律，分析輸出波形的變化規(guī)則，下面研究幾個特殊控制角，先分析α=0的情況，也就是在自然換相點觸發(fā)換相時的情況。圖1是電路接線圖。</p><p>　　為了分析方便起見，把一

12、個周期等分6段（見圖2）。</p><p>　　在第（1）段期間，a相電壓最高，而共陰極組的晶閘管KP1被觸發(fā)導通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管KP6被觸發(fā)導通。這時電流由a相經(jīng)KP1流向負載，再經(jīng)KP6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為正，共陽極組的b相電流為負。加在負載上的整流電壓為</p><p>　　ud=ua-ub=uab</p><p

13、>　　經(jīng)過60°后進入第(2)段時期。這時a相電位仍然最高，晶閘管KPl繼續(xù)導通，但是c相電位卻變成最低，當經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)c相晶閘管KP2，電流即從b相換到c相，KP6承受反向電壓而關(guān)斷。這時電流由a相流出經(jīng)KPl、負載、KP2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負。在負載上的電壓為</p><p>　　ud=ua-uc=uac</p><p&

14、gt;　　再經(jīng)過60°，進入第(3)段時期。這時b相電位最高，共陰極組在經(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)導通晶閘管KP3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管KP2因電位仍然最低而繼續(xù)導通。此時變壓器bc兩相工作，在負載上的電壓為</p><p>　　ud=ub-uc=ubc</p><p><b>　　2.1帶電阻負載時</b></p><p>

15、<b>　　a=0°時的情況</b></p><p>　　假設(shè)將電路中的晶閘管換做二極管驚醒分析對于共陰極組的三個晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個導通對于共陽極組的三個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的導通認識時刻共陽極組和共陰極組中各有一個晶閘管處于導通狀態(tài)。</p><p>　　從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導通時，Ud1為相電壓的正包絡(luò)線，共陽極組導

16、通時，Ud2為相電壓的負包絡(luò)線，Ud=Ud1-Ud2是兩者的差值，為為線電壓在正半周的包絡(luò)線直接從線電壓波形看，Ud為線電壓中最大的一個，因此Ud波形為線電壓的包絡(luò)線。</p><p>　　圖2-2-1 三項橋式全控整流電路帶電阻負載a=0時的波形</p><p>　　由上述三相橋式全控整流電路的工作過程可以看出：</p><p>　　1.三相橋式全控整流電路在

17、任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，另一個是共陽極組的，只有它們能同時導通，才能形成導電回路。</p><p>　　2. 三相橋式全控整流電路就是兩組三相半波整流電路的串聯(lián)，所以與三相半波整流電路一樣，對于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管KPl、KP3和KP5依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差應(yīng)為120°。對于共陽極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管KP2、KP4和KP6依

18、次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差也是120°。</p><p>　　3.由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽極組是在負半周觸發(fā)，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)該相差180°。</p><p>　　4. 三相橋式全控整流電路每隔60°有一個晶閘管要換流，由上一號晶閘管換流到下一號晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈沖的順序是：1→2→3→4→5→6→1，依次

19、下去。相鄰兩脈沖的相位差是60°。</p><p>　　5.由于電流斷續(xù)后，能夠使晶閘管再次導通，必須對兩組中應(yīng)導通的一對晶閘管同時有觸發(fā)脈沖。為了達到這個目的，可以采取兩種辦法；一種是使每個脈沖的寬度大于60°（必須小于120°），一般取80°～100°，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個應(yīng)導

20、通的晶閘管上都有觸發(fā)脈沖，相當于兩個窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖。這種方法稱雙脈沖觸發(fā)。</p><p>　　6、整流輸出的電壓，也就是負載上的電壓。整流輸出的電壓應(yīng)該是兩相電壓相減后的波形，實際上都屬于線電壓，波頭uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均為線電壓的一部分，是上述線電壓的包絡(luò)線。相電壓的交點與線電壓的交點在同一角度位置上，故線電壓的交點同樣是自然換相點，同時亦可看出，三相橋

21、式全控的整流電壓在一個周期內(nèi)脈動六次，脈動頻率為6 × 50=300赫，比三相半波時大一倍。</p><p>　　7、晶閘管所承受的電壓。三相橋式整流電路在任何瞬間僅有二臂的元件導通，其余四臂的元件均承受變化著的反向電壓。例如在第(1)段時期，KP1和KP6導通，此時KP3和KP4,承受反向線電壓uba=ub-ua。KP2承受反向線電壓ubc=ub-uc。KP5承受反向線電壓uca=uc-ua。晶閘管所

22、受的反向最大電壓即為線電壓的峰值。當α從零增大的過程中，同樣可分析出晶閘管承受的最大正向電壓也是線電壓的峰值。</p><p>　　當a=60°時的情況：</p><p>　　當觸發(fā)角a改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。從wt1角開始把一周期等分為六段，每段60度。在VT1處于通態(tài)的120度期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的Ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120度期間，ia

23、波形的形狀也與同時段的Ud波形相同，但為負值。</p><p>　　當a<60°時，Ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與Ud波形形狀一樣，也連續(xù)。Ud波形每60°中有一段為零，Ud波形不能出現(xiàn)負值。帶電阻負載時三項橋式全控整流電路a角的移相范圍是120°。</p><p>　　圖2-2-2 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a=60度時的波形<

24、/p><p><b>　　2.2阻感負載時</b></p><p>　　當a<60°時，Ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，個晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓Ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同，電阻負載時id波形與Ud波形形狀一樣。而足感負載時，由于電感的作用，似

25、的負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似的為一條水平線。圖2-2-3為三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=0°時的波形。</p><p>　　圖 2-2-3 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=0°時的波形</p><p>　　當a>60時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時Ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用

26、，Ud波形會出現(xiàn)負的部分。圖2-2-4為三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=90°時的波形。</p><p>　　圖 2-2-4 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=90°時的波形</p><p><b>　　3. 觸發(fā)電路</b></p><p>　　觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管開關(guān)可靠導通（門極電流應(yīng)大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應(yīng)

27、有足夠的幅度，不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離</p><p>　　晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步

28、信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多?？煽啃愿?，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。此處就是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。KJ004組成分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。</p><p>　　KJ004觸發(fā)電路為模擬的觸發(fā)電路,其組成為：</p><p>　　3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六

29、路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大,即可得到完整的三相全控橋觸發(fā)電路。三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖2-3-1所示。</p><p>　　圖2-3-1 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p><b>　　4. 保護電路</b></p><p>　　為了保護設(shè)備的安全，必須設(shè)置保護電路。此設(shè)計電路必須對經(jīng)晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進

30、行電路的保護設(shè)計。</p><p>　　1、 晶閘管的過電流保護：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護措施。對于晶閘管初開通引起的較大電流上升率，可在晶閘管的陽極回流串聯(lián)電感進行抑制；對于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負載回路接地時可以采用接入熔斷器進行保護。</p><p>　　圖2-4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路</p><p>　　2、晶閘管的過

31、電壓保護：晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流。當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過恢復電流的電感會因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。</p><p>　　圖2-4-2并聯(lián)RC電阻電容吸收回路</p><p><b>　　5.

32、 參數(shù)計算</b></p><p>　　5.1 整流變壓器的選擇</p><p>　　由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V。由變壓器三角形—心形接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　變化為：</

33、b></p><p>　　變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的相電流計算公式為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　而在三相橋式全控中：</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　所以變壓器的容量分別如下:</p>

34、;<p><b>　　變壓器次級容量為：</b></p><p><b>　　（2-4）</b></p><p><b>　　變壓器初級容量為：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　變

35、壓器容量為：</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　即：</b></p><p>　　變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法U1=380V.I1=82.96A;次級繞組星形接法，U2=127V,I2=248.88A:容量選擇為10Kw。</p><

36、;p>　　5.2 晶閘管的選擇</p><p><b>　　晶閘管的額定電壓</b></p><p>　　由三相全控橋整流電路的波形分析知，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　故橋臂的工作幅值為：</p

37、><p>　　考慮欲量，則額定電壓為：</p><p><b>　　晶閘管的額定電流</b></p><p>　　晶閘管電流的有效值為：</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　考慮欲量，故晶閘管的額定電流為：</p><p>

38、　　5.3 輸出的定量分析</p><p>　　在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出電壓Ud的波形在一周期內(nèi)脈動六次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈沖進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得到整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a<60時）的平均值為：</p><p><b>　　（2-9）</b><

39、;/p><p>　　帶電阻負載且a>60時，整流電壓平均值為</p><p><b>　　（2-10）</b></p><p>　　輸出電流的平均值為： 。</p><p>　　第3章 MATLAB的仿真</p><p>　　1. MATLAB仿真軟件的簡介</p><p&

40、gt;　　Matlab控制系統(tǒng)仿真軟件是當今國際控制界公認的標準軟件，1999年春Matlab5.3版問世，使Matlab擁有更豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，更友善的面向?qū)ο蟆⒏涌焖倬嫉膱D形可視、更廣博的數(shù)學和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應(yīng)用開發(fā)工具，特別是SIMULINK這一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境的出現(xiàn)，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設(shè)的非線性因素、隨機因素，從而及時學生沒有對非線性動態(tài)系統(tǒng)進行分析研究的數(shù)學基礎(chǔ)，

41、仍可通過仿真來認知非線性對系統(tǒng)動態(tài)的影響。</p><p><b>　　2. 仿真模擬圖</b></p><p>　　圖3-2-1 仿真模擬圖</p><p><b>　　3. 仿真結(jié)果</b></p><p>　　此仿真結(jié)果都為組感性負載時的仿真時運行的結(jié)果，且電感的阻值很大。</p>

42、<p>　　此設(shè)計的仿真結(jié)果仿真了0、30、90時的Ud、Id的波形圖，分別如圖3-3-1、</p><p>　　3-3-2、3-3-3所示，其中上面的圖形為Ud的輸出波形圖，下面的圖形為Id的輸出波形圖。</p><p>　　1、當觸發(fā)角a=0時</p><p>　　圖3-3-1 觸發(fā)角為0時的Ud、Id的波形圖</p><p&

43、gt;　　2、 當觸發(fā)角a=30時</p><p>　　圖3-3-2 觸發(fā)角為30時的Ud、Id的波形圖</p><p>　　3、當觸發(fā)角a=90時</p><p>　　圖3-3-3 觸發(fā)角為90時的Ud、Id的波形圖</p><p><b>　　第4章 結(jié)束語</b></p><p>　　通

44、過這次設(shè)計，我的理論知識掌握得更扎實。同時，通過網(wǎng)上搜索等多方面的查詢資料，我學到許多在書本上沒有的知識，也認識到理論聯(lián)系實踐的重要。理論學得好，但如果只會紙上談兵，一點用都沒有。以后也很難找到工作。我深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設(shè)計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個課程設(shè)

45、計的原因。她是為了教會我們?nèi)绾芜\用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。由于對MATLAB軟件的不熟練，在整個設(shè)計到電路的仿真過程中，我個人感覺理論仿真部分是最難的，但是在仿真中，還是發(fā)現(xiàn)了一些問題，有時候一些參數(shù)的稍微改變就會導致輸出的電壓改變很大，這樣使得仿真很難達到理想的效果，在就是仿真時，總是出現(xiàn)一些自己解決不了的問題。但是有了老師和同學們的幫助，這些問題提基本都解決了，又讓我進一步的了解了電力電子技術(shù)在我們生活中的重

46、要性。盡管這門課程我學到的并不多，但是給我在以后學習其他的有關(guān)知識打下了基礎(chǔ)。我覺得我應(yīng)該加強對專業(yè)基礎(chǔ)知識的學習，為</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　王兆安，黃俊主編．電力電子技木．第四版．北京：機械工業(yè)出版社，2004年1月</p><p>　　王云亮主編．電力電子技術(shù)．第一版．北京：電子工業(yè)出版社，200