220V100A三相橋式可控整流電路

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 遼 寧 工 業(yè) 大 學電力電子技術課程設計（論文） 題目：220V100A三相橋式可控整流電路院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間：2010-12-27至2011-1-7專心-專注-專業(yè)課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目220V100A三相橋式可控整流電路課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能為1臺額定電壓220V、功率為20kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現(xiàn)直流電動機的調速。設計任務1、方案的經濟技術論證。2、

2、主電路設計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。5、觸發(fā)電路設計或選擇。6、繪制相關電路圖。7、完成4000字左右說明書。要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理論分析與計算要正確。3、 3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數(shù)1、交流電源：三相380V。2、整流輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調。3、整流輸出電流最大值100A。4、直流電動機負載。5、根據實際工作情況，最小控制角取20300左右。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比

3、及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設計；第9天：總結并撰寫說明書；第10天：答辯。指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要將交流電變換為直流電稱為AC/DC變換，這正變換的功率流向是由電源傳向負載，稱之為整流。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)

4、交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離。整流電路的種類有很多，有單相半波整流電路、單相全波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。本設計采用三相橋式可控整流（既三相橋式全控整流），從而實現(xiàn)為1臺額定電壓220V、功率為20kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現(xiàn)直流電動機的調速。關鍵詞：整流電路；變壓器；晶閘管；觸發(fā)電路。 目 錄第1章 緒論1.1 電力電子技術概況電力電子技術分為電力電子器件制造技術和交流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。它是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興

5、學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業(yè)服務的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎為半導體物理學；它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據器件的特點和電能轉換的要求，又開發(fā)出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備

6、等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應用 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。它的應用十分廣泛，例如直流電動機，電鍍，電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)電源等。 1.2 本文研究內容將380V三相交流電源通過三相橋式可控整流電路為1臺額定電壓為220V，功率為20KW的直流電動機提供直流可調電源，以實現(xiàn)直流電動機的調速。 設計任務包括以下幾點：1. 方案的經濟技術論證2. 主電路設計3. 通過計算選擇整流器件的具體型號4. 若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量5. 觸發(fā)電路設計或選擇6.

7、繪制相關電路圖 技術參數(shù)：1. 交流電源：三相380V2. 整流輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調3. 整流輸出電流最大值100A4. 直流電動機負載5. 根據實際工作情況，最小控制角取20300左右第2章 三相橋式可控整流電路設計2.1 三相橋式可控整流電路總體設計方案 一方案的選擇三相可控整流電路有三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。因為三相整流裝置三相平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動小，對電網影響小，同時三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其

8、變壓器二次側電流中含有直流分量，為此在應用中較少，所以采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直，當電感足夠大時，負載電流波形可以近似為一條水平線。在實際應用中，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。當功率超過4KW時，考慮到三相負載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。三相全控橋整流電路的輸出電壓脈動小、脈動頻率高，和三相半波電路相比，在電源電壓相同、控制角一樣時，輸出電壓又提高了一倍。又因為整流變壓器二次繞組電流沒有直流分量，不存在鐵心被直流磁化問題，故繞組和鐵

9、心利用率高，所以被廣泛應用在大功率直流電動機可調速系統(tǒng)，以及對整流的各項指標要求較高的整流裝置上。二系統(tǒng)原理方框圖380V三相交流電源整流電路 保護電路觸發(fā)電路負載電路圖2.1系統(tǒng)原理方框圖整流電路主要由驅動電路、保護電路和整流主電路組成。根據設計任務，在此設計中采用三相橋式可控整流電路接阻感性負載。2.2 具體電路設計2.2.1 主電路設計一，三相橋式可控整流電路的原理圖2.2三相橋式可控整流電路根據本次設計要求，采用負載為阻感的主電路圖如下：根據設計要求，輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調。根據三相橋式全控整流電路計算公式：Ud=2.34U2cos當=30時，使電壓Ud有最大值Ud=2.34

10、U2cos30=220V，從而得出U2=109V，可通過變壓器獲得。當=90時，使電壓Ud有最小值Ud=2.34U2cos90=0V，從而實現(xiàn)輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調。整流輸出電流最大值100A，Idmax=Umax/R=100A，所以R=220/100=2.2。綜上可得觸發(fā)角取值為3090。下圖為三相橋式整流電路帶阻感負載=30和90的波形圖。當a60，Ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、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：由于負載不同，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。阻感負載時，由于電感的作用，使得負載

11、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為一條水平線。圖2.3三相橋式全控整流電路阻感負載30度的波形當a60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，Ud波形會出現(xiàn)負載帶阻感負載時，三相全控橋式整流電路的 角移相的范圍是90。圖2.4三相全控橋式整流電路帶阻感負載90度時的波形 2.2.2 控制電路設計控制晶閘管的導通時間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結晶體管觸發(fā)電路，設計利用KJ004構成的集成觸發(fā)器實現(xiàn)產生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。根據設計要求及其分析，選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移

12、相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。一KJ004的工作原理KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調制輸出端等功能與特點。原理圖如下圖2.5KJ004的電路原理圖如圖 KJ004的電路原理圖所示，點劃框內為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路類似。V1V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地

13、)；在uS負半周，V2、V3導通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負半周期間。V4基本上處于截止狀態(tài)。只有在同步電壓|uS|0.7V時，V1V3截止，V4從電源十15V經R3、R4取得基極電流才能導通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導通時，C1經V4、VD3迅速放電。當V4截止時，電流經(+15VR6C1R22RP1(15V)對C1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據V4導通的情況可知，在同步電壓正、負半周均有相同的鋸齒波產生，并且兩者有固定的相位關系。V6

14、及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5（即4#端電壓）、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經R24、R23、R26在V6基極上疊加。當ube6+0.7V時，V6導通。設uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導通的時刻，從而調節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經電阻R25獲得基極電流而導通，電容C2由電源+15V經電阻R7、VD5、V7基射結充電。當 V6由截止轉為導通時，C2所充電壓通過 V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經（+15VR25V6地）放電并反向充電，當其充電電壓uc2+1.4V時，V7又恢復導通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充

15、電時間常數(shù)R25C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個周期內，V7集電極輸出兩個相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負半周進行。如在us正半周V1導通，V8截止，V12導通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時，V7正脈沖又通過二極管VD7，經V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負半周，情況剛好相反，V8導通，V12截止，V7正脈沖經 V13V15放大后輸出負相脈沖。說明：1) KJ004中穩(wěn)壓管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6VD8為隔離二極管。2) 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸

16、發(fā)電路，二極管VD1VD12組成六個或門形成六路脈沖，并由三極管V1V6進行脈沖功率放大。3) 由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內有兩個相位上相差180的脈沖產生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，只需要三個與主電路同相的同步電壓就行了。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓uSa、uSb、uSc分別與同步變壓器的uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4RP6為同步相位。2.2.3保護電路設計相對于電機和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓

17、就會把器件損壞。但又不能完全根據裝置運行時可能出現(xiàn)的暫時過電流和過電壓的數(shù)值來確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應有的過載能力。因此，保護就成為提高電力電子裝置運行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。電力電子器件的保護主要指過電壓保護和過電流保護。一.過電壓保護所謂過壓保護，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓，其電路圖如下：圖2.6過電壓保護圖產生過電壓的原因一般由靜電感應、雷擊或突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起。其中，對雷擊產生的過電壓，需在變壓器的初級側接上避雷器，以保護變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時電磁感應所引起的過電壓，一般發(fā)生在

18、交流側、直流側和器件上。電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括換相過電壓和關斷過電壓。二.過電流保護晶閘管變流裝置運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流，過電流分過載和短路兩種情況，由于晶閘管的熱容量較小，以及從管心到散熱器的傳導途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過電流，結溫上升很快，特別在瞬時短路電流通過時，內部熱量來不及傳導，結溫上升更快，晶閘管承受過載或短路電流的能力主要受結溫的限制?？捎米鬟^電流保護電路的主要有快速熔斷器，直流快速熔斷器和過電流繼電器等。

19、在此我們采用快速熔斷器措施來進行過電流保護。 采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應考慮：（1）電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。（2）電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定。快熔一般與電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。（3）快熔的值應小于被保護器件的允許值。（4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。若晶閘管的額定電流取68A,因為快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為102A。2.3元器件型號選擇由于三相橋式可控整流電路帶阻

20、感性負載主電路主要元件是晶閘管和變壓器，所以選取元件時主要考慮晶閘管和變壓器的參數(shù)及其選取原則。一 晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UN在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。根據三相橋式可控整流工作原理，晶閘管所承受的最大反向電壓Umax為 U2=265.9V，從而得出UN。晶閘管的額定電壓UN =（23）Umax =（23）*265.9=531.8797.7V額定電流INIVT=Id/，Id=100A，IVT=57.7AIN =（1.52）IVT/1.57=55.173.5AIVT（AV）=IVT/1.57=36.8A通過以上計算分析，在本次課程設計中所采用

21、的晶閘管類型為KP50A二變壓器的變比及其容量1變壓器的變比：若將變壓器看作是理想變壓器，不計變壓器的勵磁電流，根據變壓器的磁動勢平衡原理，得 I1N1=I2N2 由此得出變壓器的變比K= N1/N2 =U1/U2 =220/109=2.0182變壓器的容量S：S= U1 * I1 = U2 *I2 = U2 *Id=109 * 100* = 1.88*104 W考慮到安全性以及損耗問題，變壓器應選變比為2.018,容量為2*104 W3平波電抗器的確定如圖2.7所示，id波形在一個周期內有部分時間為零的情況，稱為電流斷續(xù)。與此對應，若id波形不出現(xiàn)為0的情況，稱為電流連續(xù)。當a時，觸發(fā)脈沖到

22、來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。為了使晶閘管可靠導通，要求觸發(fā)電路有足夠的寬度，保證當wt=時刻晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖依然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲為，即a=.負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷流則電動機的機械特性將很軟。從圖2.7看出，導通角越小，則電流波形的低部就越窄。電流平均值是與電流波形的面積成正比的，因而為了增大電流平均值，必須增大電流峰值，這要求較多地降低反電勢。因此，當電流斷續(xù)時，隨著Id的增大，轉速降落較大，機械特性較軟，相當于整流電源的內阻增大。較大的電流峰值在電動機換向時容易產生火花，其電流波形底部越窄，則其有效值越大，要求電源的容量也大。圖2.7為了克服

23、以上缺點，一般在主電路中直流輸出側串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。有了電感，當u2小于E甚至u2值變負時，晶閘管仍然導通。只要電感量足夠大就能使電流連續(xù)，晶閘管每次導通180度，這時整流電壓ud的波形和電感負載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式也一樣。針對電動機在低速輕載時電流連續(xù)的情況，給出ud和id的波形，如圖2.8圖2.8為保證電流連續(xù)所需要的電感值L可由下式求出：Idmin為最小負載電流，一般取電動機額定電流的510，若取5，則Idmin = 20K/220*5=4.55A平波電抗器L=2.87*U2 /Idmin=2.87 * 109/4.55=69H2.4系統(tǒng)調試或仿真、數(shù)據分析 運用MATLAB軟件對本三相橋式可控整流電路進行系統(tǒng)仿真實驗。主電路圖如下： 圖2.9采用阻感負載觸發(fā)角=30時的波形圖如下：圖2.10第3章 課程設計總結電力電子技術是一門基礎性和支持性很強的技術，本學期我學