電力電子課設(shè)三相可控變流器的設(shè)計與仿真

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書目錄緒論11設(shè)計方案21.1設(shè)計條件與要求22主電路設(shè)計及原理32.1主電路設(shè)計32.2 主電路原理說明32.3變壓器的設(shè)計62.4晶閘管選擇及參數(shù)計算分析73觸發(fā)電路的設(shè)計93.1 電路圖的選擇94 保護電路的設(shè)計114.1晶閘管的過電壓保護114.2晶閘管的過電流保護115 MATLAB 建模與仿真125.1 MATLAB建模126總結(jié)15參考文獻16附錄：總電路圖17 17課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 羅剛 專業(yè)班級： 自動化1204 指導(dǎo)教師： 李向明 工作單位： 自動化學(xué)院 題目： 三相可控變流器的設(shè)計與仿真初始條件：采用三相可控整流電路（三相全控橋

2、、三相半控橋或三相半波整流電路），電阻-電感性負載，R2，電感L=0.02H，額定負載Id20A,電流最大負載電流Idmax25A。進線交流電源：三相380V。要求完成的主要任務(wù)：1.三相可控主電路設(shè)計及參數(shù)計算，計算整流變壓器參數(shù)，選擇整流元件的定額，討論晶閘管電路對電網(wǎng)的影響及其功率因數(shù)。2.觸發(fā)電路設(shè)計（觸發(fā)電路的選型，同步信號的定相等）。3.晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設(shè)計。4.系統(tǒng)原理分析、設(shè)計與仿真。給出仿真模型及晶閘管，直流側(cè)的電壓電流仿真波形。5. 提供系統(tǒng)總電路圖。課程設(shè)計說明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。應(yīng)畫出單元電路圖和整體電路原理圖，給

3、出系統(tǒng)參數(shù)計算過程，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標(biāo)準(zhǔn)。時間安排：2014.12.212014.12.22 收集資料2014.12.232014.12.25 系統(tǒng)設(shè)計與仿真2014.12.262014.12.27 撰寫課程設(shè)計論文及答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 緒論電力技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。電力電子技術(shù)中所變換的“電力”和“電力系統(tǒng)”所指的“電力”是有一定差別的。兩者都指“電能”，但后者更具體，特指電力網(wǎng)的“電力”，前者更一般些。具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電

4、能的電路。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(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，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(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、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。三相可控變流器的設(shè)計與

5、仿真1設(shè)計方案1.1設(shè)計條件與要求1.1.1設(shè)計條件 采用三相可控整流電路（三相全控橋、三相半控橋或三相半波整流電路），電阻-電感性負載，R2，電感L=0.02H，額定負載Id20A,電流最大負載電流Idmax25A。進線交流電源：三相380V。1.1.2設(shè)計要求 1.三相可控主電路設(shè)計及參數(shù)計算，計算整流變壓器參數(shù)，選擇整流元件的定額，討論晶閘管電路對電網(wǎng)的影響及其功率因數(shù)。 2.觸發(fā)電路設(shè)計（觸發(fā)電路的選型，同步信號的定相等）。3.晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設(shè)計。4.系統(tǒng)原理分析、設(shè)計與仿真。給出仿真模型及晶閘管，直流側(cè)的電壓電流仿真波形。5. 提供系統(tǒng)總電路圖。2主電路設(shè)計及原理

6、2.1主電路設(shè)計圖2 三相橋式全控整理電路原理圖原理如圖2所示，將其中陰極連接在一起的三個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的三個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。2.2 主電路原理說明1. 每個時刻均需兩個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負載供電的回路,其中一個晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。2. 對觸發(fā)脈

7、沖的要求：六個晶閘管的脈沖按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60；共陰極組VT1，VT3，VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4，VT6，VT2也依次差120；同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180。3. 整流輸出電壓Ud一周期脈動六次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為六脈波整流電路。2.2 .1阻感負載時的波形分析 當(dāng)60度時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，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)別在于負載不同時，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 ud 波形與 id

8、的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當(dāng)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3和圖4分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載=0度和=30度的波形。圖3 反電動勢=0o時波形圖4 =30o時的波形當(dāng)60度時，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)負的部分。圖5是=90度時的波形。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。圖5 90o時的波形2.3變壓器的設(shè)計2.3.1變壓器參數(shù)

9、計算由變壓器原理可知 K= 式中、變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)； K變壓器的匝數(shù)比。 因為L=6.28大于2歐，所以為大電感電路。大電感負載時變壓器二次電流的有效值為 由條件可以計算出， 當(dāng)為0時 選擇整流變壓器的變比為：變壓器二次側(cè)容量為=21.3716.32=348.76VA2.4晶閘管選擇及參數(shù)計算分析 2.4.1晶閘管的主要參數(shù) 1電壓定額U選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作是晶閘管所承受峰值電壓的2到3倍。 晶閘管承受最大反向電壓，所以晶閘管的額定電壓為選取150V左右的晶閘管。2額定電流 通態(tài)平均電流國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平局電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40度和規(guī)定的冷卻狀態(tài)

10、下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過最大工頻正弦半波電流的平均值。 考慮到晶閘管電流的安全裕量為，取裕量為2流過每個晶閘管的電流有效值為，晶閘管的額定電流為 選取20A左右的晶閘管。2.4.2晶閘管電路對電網(wǎng)的影響晶閘管裝置中的無功功率，會對公用電網(wǎng)帶來不利影響：1) 無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。2) 無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。3) 使線路壓降增大，沖擊性無功功率負載還會使電壓劇烈波動。晶閘管裝置還會產(chǎn)生諧波，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害，包括：1) 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性

11、線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2) 諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。3) 諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會使上述1)和2)兩項的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。4) 諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表不準(zhǔn)確。5) 諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。為防止諧波危害，晶閘管裝置可以采取措施抑制諧波，其辦法大致有：（1）增加電流相數(shù)：一個改變變流裝置的電流波形的方法是增加交流裝置

12、的脈動數(shù)，諧波次數(shù)越高，其幅值就越小，增加供電的相數(shù)就能顯著減小諧波的次數(shù)。（2）安裝諧波濾波器：常采用的排除大中型變流裝置諧波的有效方法是在交流裝置輸入端對這些諧波分量進行濾波。（3）減小相位角。2.4.4系統(tǒng)功率因數(shù)的計算三相橋式全控整流電路中基波和各次諧波的有效值為： n=6k1, k=1,2,3,由此可得以下結(jié)論：電流中僅含（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。有上述式子可得基波因數(shù)為 又因為，電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數(shù)仍為 功率因數(shù)即為把代入計算得 整流電路的輸出視在功率為有功功率為3觸發(fā)電路的設(shè)計 設(shè)計利用K

13、J004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實現(xiàn)產(chǎn)生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。3.1 電路圖的設(shè)計三相橋式全控觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖6所示： 圖6 雙脈沖觸發(fā)電路4 保護電路的設(shè)計 保護電路包括過電流與過電流保護。過電流保護主要包括短路保護和過載保護兩種類型。短路保護的特點是整定電流大、瞬時動作。電磁式電流脫扣器(或繼電器)、熔斷器常用作短路保護元件。過載保護的特點是整定電

14、流較小、反時限動作。熱繼電器、延時型電磁式電流繼電器常用作過載保護元件。通常過電壓保護是在線圈兩端并聯(lián)一個電阻、電阻串電容或二極管串電阻，以形成一個放電回路，實現(xiàn)過電壓的保護。4.1晶閘管的過電壓保護對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護，電路圖如7所示： 圖7阻容保護電路4.2晶閘管的過電流保護 方案是選用快速熔斷器保護，并采用橋臂串快熔接法。 圖8快速熔斷保護電路5 MATLAB 建模與仿真5.1 MATLAB建模5.1.1三相橋式全控整流器的建模、參數(shù)設(shè)置 元件參數(shù)的設(shè)置：圖9 元件參數(shù)的設(shè)置5.1.2繪制電路總圖圖10電路總圖5.1.3模擬仿真 仿真波形如下圖

15、所示：圖11觸發(fā)角為0度時ud、id的波形圖圖12觸發(fā)角為30度時ud、id的波形圖圖13觸發(fā)角為90度時ud、id的波形圖6總結(jié) 這次電力電子課設(shè)對我來說收獲很大。首先由于時間的緊迫，所以我要在短時間內(nèi)做出課程設(shè)計任務(wù)，這對我還是一個很大的挑戰(zhàn)。我先去圖書館和網(wǎng)上查找了相關(guān)的資料，深入地學(xué)習(xí)了課設(shè)所要求的知識，對電力電子這門課有了更深入的了解。然后試著去設(shè)計電路圖，雖然開始還沒什么頭緒，但通過借鑒相關(guān)的資料和向同學(xué)咨詢，最終還是設(shè)計出了自己的電路圖。最困難的是電路的仿真，因為matlab這個軟件不是很熟悉，所以還要學(xué)習(xí)怎么使用。在這過程中我學(xué)習(xí)了軟件的使用方法，這對我以后的學(xué)習(xí)有著很大的幫助

16、。另外，我不僅學(xué)習(xí)到了書本和理論知識，還學(xué)到了很多學(xué)習(xí)和生活中的道理。當(dāng)你遇到困難時，不能輕易的就放棄，而是去尋找解決的方法，只要有著刻苦的精神就沒有什么事做不到。還有要善于向別人請教知識，因為一個人的認(rèn)知是有限的，只有不斷的學(xué)習(xí)才能不斷增強自己。參考文獻1 王兆安，劉進軍. 電力電子技術(shù)M. 5版. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.2 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M. 2版. 北京： 機械工業(yè)出版社，2006.3 林渭勛. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)M. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.4 尹克寧. 電力工程M. 北京：中國電力出版社，2008.附錄：總電路圖圖14總電路圖本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名 羅剛性