直流穩(wěn)壓電源的設計

.PAGE.>--.--考試資料.電力電子技術課程設計說明書設計課題：直流穩(wěn)壓電源的設計專業(yè)班級：13級電氣一班姓名：李建建學號：1308441100指導教師：張小莉完成時間：2015年12月13日前言電子技術的應用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟建立,交通運輸,空間技術,國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保等億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域,進入21世紀后電力電子技術的應用更加廣泛,因此對電力電子技術的研究更為重要。通過一學期的對"電力電子技術"的學習，我對電力電子中的根本電路如整流電路、逆變電路、DC/DC變換電路、交流電力控制電路等的工作原理及分析方法都有了比較深入的認識；對保護電路及電力電子器件的緩沖電路也了解了一些；也認識到了電力電子技術在當今社會各方面的廣泛應用。但是，僅僅了解書本上的理論知識而不會把它們應用到實際中去，這不能叫真正掌握了一門技術。只有學以致用、在實踐中檢驗理論的正確性，才是學習的好方法。目錄一、設計任務及要求…………………4二、主電路的設計及器件選擇………52.1三相全控橋的工作原理……………………52.2參數(shù)計算……………………7三、觸發(fā)電路設計……………………103.1集成觸發(fā)電路……………103.2KJ004的工作原理…………103.3集成觸發(fā)器電路圖………11四、保護電路的設計…………………134.1晶閘管的保護電路………134.2交流側(cè)保護電路…………144.3直流側(cè)阻容保護電路……………………15五、MATLAB建模與仿真……………165.1MATLAB建?！?65.2MATLAB仿真………………185.3仿真構(gòu)造分析……………19六、課程設計體會……………………21參考文獻………………………21附錄一元器件清單………………21附錄二〔觸發(fā)電路與仿真原理圖〕…………………22一、設計要求及原理1.技術參數(shù)：裝置輸入電源為三相UL=380V工頻交流電源，輸出直流電壓0~220V，輸出電流100A，當電流降為5A時電流開場連續(xù)，LB=1mH。2.設計要求：1〕設計主電路控制電路，建議主電路為三相橋式全控整流電路；2〕選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；3〕選擇觸發(fā)電路及同步信號；4〕繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點電壓、電流及元器件〔晶閘管等〕兩端電壓波形〔匯總繪制，注意對應關系〕；5〕利用仿真元件分析電路的工作過程；6〕編制設計說明書。三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個適宜的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分。保護電路采用RC過電壓抑制電路進展過電壓保護，利用快速熔斷器進展過電流保護。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個同步變壓器對觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷鳎瑤又绷麟妱訖C運轉(zhuǎn)。構(gòu)造框圖如圖1-1所示。整個設計主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護電路三個局部。框圖中沒有說明保護電路。當接通電源時，三相橋式全控整流電路主電路通電，同時通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導通工作，經(jīng)過整流后的直流電通給直流電動機，使之工作。電源電源三相橋式全控整流電路阻感負載同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號觸發(fā)模塊圖1-1三相橋式全控整流電路構(gòu)造圖二、主電路的設計及器件選擇實驗參數(shù)設定負載為220V、305A的直流電機，采用三相整流電路，交流測由三相電源供電，設計要求選用三相橋式全控整流電路供電，主電路采用三相全控橋。2.1三相全控橋的工作原理如圖2-1所示，為三相橋式全控帶阻感負載，根據(jù)要求要考慮電動機的電樞電感與電樞電阻，故為阻感負載。習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管稱為共陽極組。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三圖2-1三相橋式全控整流電路帶電動機〔阻感〕負載原理圖相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形防止3次諧波流入電網(wǎng)2.1.1三相全控橋的工作特點⑴2個晶閘管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個，且不能為同1相器件。⑵對觸發(fā)脈沖的要求：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，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。⑶ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣,故該電路為6脈波整流電路。⑷晶閘管承受的電壓波形與三相半波時一樣，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也一樣。2.1.2阻感負載時的波形分析三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電〔即用于直流電機傳動〕，下面主要分析阻感負載時的情況，因為帶反電動勢阻感負載的情況，與帶阻感負載的情況根本一樣。當α≤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2-2和圖2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載α=0度和α=30度的波形。圖2-2中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流iVT1的波形，可與帶電阻負載時的情況進展比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流id波形決定，和ud波形不同。圖2-3中除給出ud波形和id波形外，還給出了變壓器二次側(cè)a相電流ia的波形。圖2-2觸發(fā)角為0°時的波形圖圖2-3觸發(fā)角為30°時的波形圖當α＞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)負的局部，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的局部。圖2-4給出了α=90度時的波形。假設電感L值足夠大，ud中正負面積將根本相等，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α角移相范圍為90度。圖2-4觸發(fā)角為90時的波形圖2.2參數(shù)計算2.2.1整流變壓器額定參數(shù)的計算：1.當整流輸出電壓連續(xù)時〔即帶阻感負載時，或帶電阻負載α≤60°時〕的平均值為：取α=60°時，帶入Ud=200V，Id=100A，求得：°)×0.5)負載阻值：R=Ud/Id=200V/100A=2Ω2.變比計算：整流變壓器一次側(cè)線電壓U1=380V，二次側(cè)相電壓U2=170.94V，因此：≈23.整流變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的相電流計算：由于變壓器的二次側(cè)采用星形接法，則：4.變壓器容量的計算：變壓器的初級容量：S1=3U1I1=3×380×變壓器的次級容量：S2=3U2I2=3××變壓器的總?cè)萘浚篠=〔S1+S2〕/2=〔46.512+41.846〕/2所以變壓器的二次側(cè)電壓U2為170.94V，二次側(cè)電流I2為81.6A，變壓器的變比為2，變壓器的容量為44.179KVA。2〕晶閘管的選擇：1.晶閘管的額定電壓：晶閘管所承受的最大電壓為變壓器二次側(cè)線電壓峰值：﹙公式10﹚故橋臂的工作電壓幅值為：﹙公式11﹚晶閘管陽極和陰極間的最大正向電壓為變壓器二次側(cè)相電壓峰值：UFM=U2=×考慮裕量，則額定電壓為：﹙公式12﹚2.晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為：﹙公式13﹚考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：﹙公式14﹚3.晶閘管保護環(huán)節(jié)，包括交流側(cè)過電壓保護和晶閘管兩端的過電壓保護、過電流保護等。2.2.3平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動和保證最小負載電流時電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載系統(tǒng)，有：﹙公式15﹚其中，L〔單位為mH〕中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當負載電流降至5A時電流仍連續(xù)。所以取5A。所以有：﹙公式16﹚三、觸發(fā)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(jié)晶體管觸發(fā)電路，設計利用KJ004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集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(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)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)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(diào)制輸出端等功能與特點。原理圖如下：圖3-1KJ004的電路原理圖3.2KJ004的工作原理如圖3-1KJ004的電路原理圖所示，點劃框內(nèi)為KJ004的集成電路局部，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1～V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)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(+15V－R3－VD1－V1－地)；在uS負半周，V2、V3導通，電流途徑為(+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―(―15V))。因此，在正、負半周期間。V4根本上處于截止狀態(tài)。只有在同步電壓|uS|＜0.7V時，V1～V3截止，V4從電源十15V經(jīng)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，組成電容負反響的鋸齒波發(fā)生器。在V4導通時，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當V4截止時，電流經(jīng)(+15V－R6－C1－R22－RP1－(－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(jù)V4導通的情況可知，在同步電壓正、負半周均有一樣的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)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(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當V6由截止轉(zhuǎn)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(jīng)〔+15V－R25－V6－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，其寬度由充電時間常數(shù)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個周期內(nèi)，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展。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(jīng)V9～V11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(jīng)V13～V15放大后輸出負相脈沖。說明：1)KJ004中穩(wěn)壓管VS6～VS9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、VD6～VD8為隔離二極管。2)采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1～VD12組成六個或門形成六路脈沖，并由三極管V1～V6進展脈沖功率放大。3)由于V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個相位上相差的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個與主電路同相的同步電壓。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RP1～RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4～RP6為同步相位3.3集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(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〕及局局部立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進展脈沖放大即可，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3-2所示：圖3-2集成觸發(fā)電路圖四、保護電路的設計為了保護設備平安，必須設置保護電路。保護電路包括過電流與過電流保護，大致可以分為兩種情況：一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。本設計的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護方案，分別對晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進展保護設電路的設計。4.1晶閘管的保護電路⑴、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。對于晶閘管初開通時引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感進展抑制；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快速熔短器進展保護。如圖4-1所示：圖4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路⑵、晶閘管的過電壓保護：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。如圖4-2所示：圖4-2并聯(lián)RC電路阻容吸收回路4.2交流側(cè)保護電路晶閘管設備在運行過程中會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進展過電壓保護，可采用如圖4-3所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護電路。整流電路正常工作時，保護三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng)、放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復到正常值。圖4-3反向阻斷式過電壓抑制RC電路4.3直流側(cè)阻容保護電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖4-4中，當快速熔斷器熔斷或直流快速開關切斷時，因直流側(cè)電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關〔或熔斷器〕切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護裝置能適當?shù)乇Ｗo這種過電壓，仍會通過導通的晶閘管反響到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應該設置過電壓保護，用于抑制過電壓。圖4-4直流側(cè)阻容保護五、MATLAB建模與仿真5.1MATLAB建模⑴三相橋式全控整流器的建模、參數(shù)設置三相橋式全控整流器的建模可以直接調(diào)用通用變換器橋〔6-pulsethyristor〕仿真模塊。參數(shù)設定如圖5-1所示：圖5-1通用橋參數(shù)設置圖⑵同步電源與6脈沖觸發(fā)器的封裝同步電源與6脈沖觸發(fā)器模塊包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩個局部，6脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，所以同步電源的任務是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。具體步驟如下：①建立一個新的模型窗口，命名為TBCF；②翻開相應的模塊組，復制5個int1〔系統(tǒng)輸入端口〕、一個out1〔系統(tǒng)輸出端口、3個voltageMeasurement〔電壓測量模塊〕、1個6-PulseGenerator〔脈沖觸發(fā)器〕。按圖5-2連線。圖5-2觸發(fā)器模塊連接圖③進展封裝，封裝圖如圖5-3所示。圖5-3封裝圖⑶三相橋式全控整流電路的建模、參數(shù)設置建立一個新的模型窗口，命名為ban2。將三相橋式全控整流器和同步6脈沖觸發(fā)器子系統(tǒng)復制到ban2模型窗口中。通過適宜的連接，最后連接成如圖5-4所示的命名為修改版的三相橋式全控整流器電路仿真模型。相關參數(shù)說明：交流電壓源Ua、Ub、Uc等于U2為179.6V，頻率為50Hz，Ua相序為0度，Ub相序為-120度，Uc相序為-240度。RC中的參數(shù)為：R為1歐，L為0H，C為〔1e-6〕F。RL中的參數(shù)為：R的參數(shù)為0.721歐，L〔平波電抗器〕的參數(shù)為4.4mH。DC的參數(shù)為-220V可設為任意值。圖5-4利用三相橋式全控整流輸出直流穩(wěn)壓電路仿真圖5.2MATLAB仿真翻開仿真參數(shù)窗口，選擇ode123tb算法，將相對誤差設置1e-3，仿真開場時間設置為0，停頓時間設置為0.04秒。在下面的仿真圖中Ud、Id為負載電壓〔V〕和負載電流〔A〕。觸發(fā)角為0°、30°、90°、150°時的波形如下圖5-5觸發(fā)角為0度時ud、id的波形圖圖5-6觸發(fā)角為30度時ud、id的波形圖5-7觸發(fā)角為90度時ud、id的波形圖圖5-8觸發(fā)角為150°時波形六、設計體會電力電子技術是一門根底性和技巧性很強的學科，但我真正體會到這一點卻是在這次課設的過程中。通過本次課程設計，我對電力電子技術這門課有了很深的了解，對各個知識點有個更好的掌握。隨著實際應用中對電能的質(zhì)量要求越來越高，對電能進展變換就顯得非常必要。本文中所設計的三相全控整流電路正是在實際中應用非常廣泛的一種變流電路，主要用于需要大功率的直流電的場合。對這個電路的設計，既可以幫助我穩(wěn)固已經(jīng)學過的電力電子技術的各方面的知識，也可以讓我了解到在設計整個電力電子裝置中所要面臨的各種問題，并且可以在前人總結(jié)的經(jīng)典電路的根底上實現(xiàn)一些小的創(chuàng)新。我相信，通過這次課程設計，一定可以鍛煉我的思維能力和分析能力，對實踐能力的提高也會有所幫助。本次設計，我所設計的是利用三相橋式全控整流電路輸出直流穩(wěn)壓電源，開場設計時我遇到了很多的問題，特別是在用MTALAB對整流電路進展仿真時，我有種很深的無助感。好在后來經(jīng)過仔細查閱資料，各類圖書，以及同學的幫助，我順利完成了課設中的任