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湖南工程学院相控式直流可控整流电路的设计

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称:电力电子技术课程设计

题目:相控式直流可控整流电路的设计

专业班级:

学生姓名:学号:

指导老师:

审批:

任务书下达日期2014 年月日设计完成日期2014 年月日

设计内容与设计要求

一.设计内容:

1.电路功能:

1)电网工频交流整流为可调直流电源;

2)电路由主电路与控制电路组成,主电路主要环节:工频整流电路、。控制电路主要环节:脉冲发生电路、驱动电路。

3)功率变换电路中的开关器件采用IGBT或MOSFET。

4)系统具有完善的保护

2. 系统总体方案确定

3. 主电路设计与分析

1)确定主电路方案

2)主电路元器件的计算及选型

3)主电路保护环节设计

4. 控制电路设计与分析

1)检测电路设计

2)功能单元电路设计

3)触发电路设计

4)控制电路参数确定

二.设计要求:

1.设计思路清晰,给出整体设计框图;

2.单元电路设计,给出具体设计思路和电路;

3.分析所有单元电路与总电路的工作原理,并给出必要的波形分析。

4.绘制总电路图

5.写出设计报告;

主要设计条件

1.设计依据主要参数

1)输入输出电压:三相(AC)380(1+15%)、0~300V(DC)2)输出电流:30A

3)功率因数:≥0.8

2. 可提供实验与仿真条件

说明书格式

1.课程设计封面;

2.任务书;

3.说明书目录;

4.设计总体思路,基本原理和框图(总电路图);

5.单元电路设计(各单元电路图);

6.电路改进、实验及仿真等。

7.总结与体会;

8.附录(完整的总电路图);

9.参考文献;

10、课程设计成绩评分表

进度安排

第一周星期一:课题内容介绍和查找资料;

星期二:总体电路方案确定

星期三:主电路设计

星期四:控制电路设计

星期五:控制电路设计;

第二周星期一: 控制电路设计

星期二:电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:写设计报告,打印相关图纸;

星期五下午:答辩及资料整理

参考文献

1.王兆安,电力电子技术(第5版).机械工业出版社,2008.

2.刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内,2009.

3. 浣喜明,姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2008.

4.刘祖润,胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社,1995.

5. 林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.中国电力出版社,2009. 6.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社,2010.

7.徐德鸿.现代电力电子器件原理与应用技术.机械工业出版社,2011.

目录

第1章概述 (1)

第2章系统总体方案确定 (2)

2.1 系统组成结构及其工作原理 (2)

2.2 系统工程流程 (2)

第3章主电路设计 (3)

3.1主电路结构设计 (3)

3.2主电路保护设计 (3)

3.2.1 晶闸管的过压保护 (4)

3.2.2 晶闸管的过流保护 (4)

3.2.3 变压器的保护 (4)

3.3主电路计算及元器件参数选型 (5)

第4章单元控制电路设计 (7)

4.1 主控制芯片的详细说明及其外围元件设计 (7)

4.2控制方法及控制功能单元电路设计 (7)

4.3检测及控制保护电路设计 (7)

4.4驱动电路设计 (7)

4.4.1触发电路原理 (8)

4.4.2触发电路要求 (9)

第5章电路分析 (11)

5.1 仿真原理图 (11)

5.2 系统仿真输出波形 (11)

5.2.1 带电阻负载的仿真 (12)

5.2.2 带阻感负载的仿真 (15)

第6章心得体会 (20)

第7章附录 (21)

7.1 参考文献 (21)

7.2 总电路图 (22)

第1章概述

整流电路(Rectifier)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。整流电路的运用十分广泛,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。

整流电路可从各角度进行分类,主要分类方法有:按组成的器件可分为不可控,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相电路和多相电路;按变压器二次电流的方向是单向或双向,又分为单拍电路和双拍电路。整流电路通常是由主电路,滤波电路和变压器组成。滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的隔离。整流电路有很多种,有半波整流电路,单向桥式半控整流电路,单向桥式全控整流电路,三相桥式半控整流电路,三相桥式全控整流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求,或者为了提高可控整流装置的功率因素,一般可在输入端加整流变压器,把一次电压变为二次电压。由晶闸管等组成的全控整流主电路,其输出端的负载,本课题研究的是电阻特性负载和阻感特性负载。要求输出的电压和电流在一定的范围内变化。因此我们通过控制晶闸管的导通角就可以改变电压的输出值。

第2章系统总体方案确定

2.1 系统组成结构及其工作原理

三相桥式全控整流电路可分为三部分电路模块:主电路模块,触发电路模块,保护电路模块。主电路模块,主要由三组两两串联晶闸管并联而成。触发电路模块组成,3个KJ004集成块,再由留个晶闸管进行脉冲放大。保护电路模块有晶闸管的过电流保护,过压保护。

三相桥式整流电路是通过控制触发角α的大小,即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小,属于相控电路。为保证相控电路的正常工作,首先要确保触发角的范围和在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效触发脉冲,脉冲控制电路由KJ系列集成电路组成,具有技术性能好,体积小,功耗低,调试方便等优点,可以较为精确的对晶闸管进行触发。在门极的触发信号的控制下和流过晶闸管的电流的共同作用下,晶闸管处于导通和截止不断转换的状态而联系通断关系的就是触发角α。

在监控电路和保护电路下,主电路,触发电路就可以在正常条件下工作,在主电路的工作下,将输入的变压器二次端的交流信号变换成整流装置输出端的直流信号,供用户或负载使用。整个过程完成了将三相交流电准确的转换成预期直流电的功能要求。2.2 系统工程流程

根据系统要求,本课题设计的系统工作流程图由:三相电源,主电路,触发电路,保护电路组成。如图2.2所示。

图2.2系统总体框架图

第3章主电路设计

3.1主电路结构设计

三相桥式是应用最为广泛的整流电路,它是由两组三相半波整流电路串联而成的,一组为共阴极组(VT1,VT3,VT5),另一组为共阳极组(VT4,VT6,VT2)。习惯上希望晶闸管按1至6的导通顺序。为此将晶闸管按图示的顺序编号,即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1,VT3,VT5,即共阳极组中与a,b,c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4,VT6,VT2。晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 依此循环,每隔 60 °有一个晶闸管换相。每个时刻均需要2个晶闸管同时导通,形成向负载供电的回路,其中1个晶闸管是共阴极组的,一个是共阳极组的,且不能为同一相得晶闸管。整流输出电压Ud一周期脉动6次,每次脉动的波形都一样,故该电路为6脉波整流电路。三相桥式全控整流电路原理图如图3.1所示。

图3.1三相桥式全控整流电路原理图

3.2 主电路保护设计

晶闸管的保护电路,大致可以分为两种情况:一种是在适当的地方安装保护器件,例如,RC阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等。在一种则是采用电子保护电路,检测设备的输出电压或输入电流,当输出电压或输入电流超过允许值时,借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态,从而抑制过电压或过电流。

3.2.1 晶闸管的过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因一般是由于整流电路内部原因,如整流晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力,它相当于整流桥臂发生永久性短路,使在另外两桥臂晶闸管导通时,无法正常换流,因而产生线间短路引起过电流。对于这种情况,最常见的保护措施就是接入快速熔断器,如图3.3所示。

图3.3晶闸管过流保护

3.2.2 晶闸管的过压保护

晶闸管在运行过程中,会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时,设备自身运行中以及正常运行中也有过电压出现。一般采用的保护措施是并接R—C阻容吸收回路。如下图示。

图3.4 晶闸管过电压保护

3.2.3 变压器的保护

变压器一、二次侧均需阻容保护装置。如图3.5所示。

图3.5 变压器保护设计

3.3 主电路计算及元器件参数选型

3.2主电路元器件的选型及其计算

整流电路的元器件参数一定要根据电路的工作条件来选择,并且要留有一定的安全

裕量。

(1) 晶闸管额定电压的选择:

晶闸管最大正、反向电压峰值均变为变压器二次线电压峰值

26U U U RM FM =

=

故桥臂的工作电压幅值为:

V

U 1.3111276m ≈?=

考虑裕量,则额定电压为:

V

U U N )3.933~6222(1.311)3~2()3~2(m =?==

(2) 晶闸管额定电流的选择:

晶闸管电流的有效值为:

A Id I VT 4.3463

6003

max

≈=

=

考虑裕量,故晶闸管的额定电流为:

A I I VT

AV VT )30.441~97.330(57

.14

.346)

2~5.1(57

.1)

2~5.1()(=== (3) 整流变压器的选择:

由系统要求可知,整流变压器一、二次线电压分别为380V 和220V ,由变压器为Y 接法可知变压器二次侧相电压为:

V

V U 1273

2202≈=

变比为

0.3127

380

21≈==

U U K

变压器一次和二次侧的相电流计算公式为:

K

I K I d

I 11=

d 22I K I I =

而在三相桥式全控中

816.03

2

21==

=I I K K

A I 305d =

所以变压器的容量分别如下: 变压器次级容量为:

2213I U S =

变压器初级容量为:

1123I U S =

变压器容量为:

2

2

1S S S +=

W S k 46989.92

)

0.3816

.0305(3803305816.01273≈???+???=

变压器参数归纳如下:初级绕组三角形接法U 1=380V ,I 1=82.96A ;次级绕组星形接法,U 2=127V ,I 2=248.88A ;容量选择为9.46989kW.

第4章单元控制电路设计

4.1 主控制芯片的详细说明及其外围元件设计

主控制电路主要是整流变压器(transformer),六脉冲触发的三相晶闸管整流器(6-pulse thyristor bridge),电流电压检测器件三相电压-电流检测单元(v-i),在仿真中由于6-pulse thyristor bridge不能使用,选择多功能桥式电路模块,其原理都是一样的。

图4.1 多功能桥式电路

4.2 控制方法及控制功能单元电路设计

多功能桥式电路的控制主要有几个引脚来实现的,其中ABC接三相电压的,三相电压的来源由变压器整流变压器(transformer)经过电网变压获得。G端口为触发电路,可以由锯齿波和集成触发器触发,本次使用的是集成电路触发。

4.3 检测及控制保护电路设计

保护电路主要也是过电流过电压保护,和主电路的保护一样。检测电路的设计,在设计中主要用到的是三相电压-电流检测单元(v-i),vabc和iabc为电压电流检测端口,通过这两个端口可以检测变压后的电压电流波形。

图4.3 电流检测单元(v-i)

4.4 驱动电路设计

4.4.1 触发电路原理

脉冲触发电路设计原理是利用六脉冲同步触发来实现的,每个KJ004控制两个晶闸管,且被控制的两个晶闸管其相位相差180度,所以用三个KJ004来控制驱动电路,如图3-2-1为三相全控桥整流电路的集成触发电路,由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成,可形成六路双脉冲,再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。如果触发电路为模拟的称为模拟触发电路。其优点是结构简单、可靠,但易受电网电压影响,触发脉冲不对称度较高,可达3°~4°,精度低。如果触发电路为数字称为数字触发电路,其脉冲对称度很好。触发电路选用的是KC系列的KCZ6集成化三相全控六脉冲触发组件,电路如图所示。该组件采用三块KC04移相触发器,一块KC41六路双脉冲形成器,一块KC42脉冲列调制形成器组成。三相同步电压经由RC组成的T型网络移相滤波,使之不受波形畸变和换流缺口的干扰。然后分别送入对应的KC04电路8脚,各相滤波电路移相约30°,由电位器RP5~RP7作微调,以保证六相脉冲间隔均匀。同步电压取30V左右,同步输入电流限制在2~3A。同步电压输入后,在KC04电路端子4形成100Hz的锯齿波。锯齿波电压、移相控制电压Uct和偏移电压Up在其9端进行比较,在13端输出固定的触发脉冲,将三块KC04的触发脉冲送至KC42电路的输入端2、4、12,KC42电路将其调制成5~10kHz脉冲列,再从该电路输出端8送至三块KC04的端子14.这时在KC04的输出端1、15输出的调制好的脉冲列移相触发脉冲。三块KC04触发器的六个输出脉冲,送到KC41的1~6端,它的输出端10~15的输出是按后相给前相补脉冲的规律,经VT1~VT6放大,可输出驱动电流为300~800mA 的双窄脉冲列。调节每相的R、C数值,就可改变触发脉冲宽度。如需要180°—α的长脉冲,则可取消R、C元件,并在KC04电路11‘12端之间加接68kΩ电阻。组件控制极性为正,即移相控制电压Uct增加,导通角增大。调节RP2~RP4,可改变锯齿波斜率;调节RP5~RP7,可进行同步相位微调。通过上述方法,可等到理想的三相平衡度。为了使脉冲变压器在脉冲间断时去掉剩磁,稳压管VST可选合适的击穿电压,使脉冲变压器反电动势建立一定值后给予短路,消除剩磁,使磁状态复原。VST的击穿电压选取与电源电压接近

图4.1三相全控桥整流电路的集成触发电路

4.4.2触发电路要求

晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条:

(1)触发信号要有足够的功率为使晶闸管可靠触发,触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值,即必须保证具有足够的触发功率。

(2)触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步为了保证电路的品质及可靠性,要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此,晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关系,即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压,使其与晶闸管主电压之间满足一定的相位关系。

(3)触发脉冲要有一定的宽度,前沿要陡为使被触发的晶闸管能保持住导通状态,晶闸管的阳极电流在触发脉冲消失前必须达到擎住电流,因此,要求触发脉冲应具有一

定的宽度,不能过窄。特别是当负载为电感性负载时,因其中电流不能突变,更需要较

宽的触发脉冲,才可使元件可靠导通。

(4)触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。例如,单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为180°,而电感性负载(不接续流管时)要求移相范围为90°。三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围为150°,而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为120°。集成触发器具有可靠性高,技术性能好,体积小,功耗低,调试方便等特点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及,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,下面以KJ系列为例。KJ004集成触发器与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,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。如图为KJ004电路原理

图4-4-2 KJ004原理图

第5章电路分析

5.1 仿真原理图

如图5.1为三相整流电路仿真原理图

图5.1仿真原理图

5.2 系统仿真输出波形

5.2.1带电阻负载的仿真

负载设置为10Ω,仿真时间0.2s。触发角为0°,30°,60°,90°,分别对应的波形如下图所示。

(1)α=0°时,如图5.2.1.1所示,上到下依次为三相电流,晶闸管VT1,检测电压,

图5.2.1.1三相电流,晶闸管VT1电压,检测电流,检测电压,六脉波信号

(2)α=30°时,如图5.2.1.3所示,上到下依次为三相电流,晶闸管VT1,检测电压,

图5.2.1.3三相电流,晶闸管VT1电压,检测电流,检测电压,六脉波信号

(3)α=60°时,如图5.2.1.5所示,上到下依次为三相电流,晶闸管VT1,检测电压,

图5.2.1.5三相电流,晶闸管VT1电压,检测电流,检测电压,六脉波信号

图5.2.1.6从上往下依次为输出电流电压的波形。

(4)α=90°时,如图5.2.1.7所示,上到下依次为三相电流,晶闸管VT1,检测电压,

检测电流,六脉波信号。5.2.1.8图为输出电流电压的波形。

图5.2.1.7三相电流,晶闸管VT1电压,检测电流,检测电压,六脉波信号

图5.2.1.8从上往下依次为输出电流电压的波形。

5.2.2带阻感负载的仿真。

负载设置为10Ω,仿真时间0.2s。触发角为0°,30°,60°,90°,分别对应的波形

如下图所示。

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