三相桥式全控整流电路的设计

1课程设计任务书学生姓名：杨专业班级：自动化指导教师：工作单位：信息工程系题目：三相全控桥式整流电路的设计一．初始条件：1．直流电动机额定参数：PN=10KW,UN=220V,IN=50A,Nn=1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω，电流过载倍数λ＝1.5，电枢电感LD=7mH，励磁电压UL=220V励磁电流IL=1.6A.2.进线交流电源：三相380V3.性能指标：直流输出电压0-220V，最大输出电流75A，保证电流连续的最小电流为5A。使用三相可控整流电路，电动机负载，工作于电动状态。二．要求完成的主要任务：1.三相全控桥式主电路设计（包括整流变压器参数计算，整流元件定额的选择，平波电抗器电感量的计算等）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。2.触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.提供系统电路图纸不少于一张。三．时间安排：时间设计内容使用设备20周一开题、明确任务使用电力电子实验室电脑和实验挂箱周二查阅资料、方案设计周三主回路电路设计，器件选择周四触发电路的设计或选择，撰写设计说明书周五答辩并上交设计说明书指导老师签字：年月日21引言整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要也是应用得最为广泛的电路,不仅用于一般工业,也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域.因此对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义,这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环,而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用.因此调试三相桥式可控整流电路的相关参数并对不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义。2设计的步骤⑴根据给出的技术要求，确定总体设计方案⑵选择具体的元件，进行硬件系统的设计⑶进行相应的电路设计，完成相应的功能⑷进行调试与修改⑸撰写课程设计说明书3设计方案选择及论证3.1三相桥式全控整流电路（如图3-1）应用最为广泛，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：1、3、5，4、6、2阻感负载时的工作情况a≤60°时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水图3-1三相桥式全控整流电路平线。a60°时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90°。三相桥式整流电路带阻感负载，a=30°时的波形如图3-2所示。定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60°时）的平均值为：3带电阻负载且a60°时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R当整流变压器为图中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如下图所示，为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为：图3-2三相桥式整流电路带阻感负载，a=30°时的波形4晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。不考虑电动机的电枢电感时，只有晶闸管导通相的变压器二次侧电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出，此时负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都不利，要尽量避免。故在电枢回路串联一平波电抗器，以保证整流电流在较大范围内连续，如图3-3所示。图3-3三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形图电动机稳态时，虽然Ud波形脉动较大，但由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡。整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上。由Id引起的压降有下列四部分：变压器的电阻压降，其中为变压器的等效电阻，它包括变压器二次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值；电枢电阻压降；以及由重叠角引起的电压降。此时，整流电路直流电压的平衡方程为在电机学中，已知直流电动机的反电动势为式中，Ce为由电动机结构决定的电动势常数；φ为电动机磁场每对磁极下的磁通量，单位为（Wb）；n为电动机的转速，单位为（r/min）。其机械特性与由直流发电机供电时的机械特性是相似的，是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节角，即可调节电动机的转速。同理，可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为：5随着a的增加，进入断续区的电流值加大。由于a愈大，变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈长，电流要维持导通，必须要求平波电抗器储存较大的磁能，而电抗器的L为一定值的情况下，要有较大的电流Id才行。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有（mH）L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。前者数值都较小，有时可忽略。Idmin一般取电动机额定电流的5%～10%。因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半，这也是三相桥式整流电路的一大优点。本次设计采用的是三相桥式全控整流电路的方法，开关选用晶闸管。4.总体电路设计根据三相桥式全控整流电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出桥式全控整流电路的结构框图如图4-1所示。图4-1三相桥式全控整流电路结构框图5各功能模块电路设计5.1控制电路设计集成触发器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5-1为KJ004电路原理。6图5.1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。也有厂家生产了将图5.2全部电路集成的集成块，但目前应用还不多。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，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7°~1.5°。（3）触发电路的定相触发电路的定相是指触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。将同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。三相桥整流器，在采用锯齿波同步触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240°，上升段起始的30°和终了的30°线性度不好，舍去不用，使用中间的180°。图5-1KJ004电路原理图三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图7锯齿波的中点与同步信号的300°位置对应。使Ud=0的触发角a为90°。当a90°时为整流工作，a90°时为逆变工作。将a=90°确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90°的移相范围。于是a=90°与同步电压的300°对应，也就是a=0°与同步电压的210°对应。由图2-47及2.2节关于三相桥的介绍可知，a=0°对应于ua的30°的位置，则同步信号的180°与ua的0°对应，说明VT1的同步电压应滞后于ua180°。6保护电路的设计6.1主电路的过电压保护抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。电路图如图6.1图6-16.2晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图6.2图6-286.3晶闸管的过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。如图6.3图6-36.4主电路的设计因为是三相桥式全控整流电路，所有的计算公式都按三相桥式全控整流电路的进行计算，从而得到电路的各个参数。1.电压计算：由于是三相桥式全控整流电路，所以晶闸管承受的最大平均电压是变压器二次侧电压6倍，因为电动机的额定电压是220V。根据dU=2.342Ucos,所以2U=dU/2.34cos=94.0V.所以62U=230.25V。2.电流计算：因为流过电动机的额定电流就是平均电流，二次回路中负载的最大平均电流为maxdI=1.5NI=1.5*50=75(A)，所以流过晶闸管的最大平均电流为AIIdT2531maxmax最大有效值IIT31maxdmax=43.3A，所以流过晶闸管的额定电流3.415.1*57.1max)(TAVTIIA,所以晶闸管最大反压为230.25（V），最大额定电流为41.3（A），考虑电压要用2倍的余量，因此晶闸管的选型为额定电压460V，额定电流()TAVI=42A。3.计算电源变压器的二次侧流过的最大有效电压，计算变压器的额定容量。根据dU=2.342Ucos,所以2U=dU/2.34cos=94.0V.考虑到余量的问题，变压器二次侧的额定电压选为110V。3.1二次侧最大有效电流的计算：根据得AIII2.61816.032dmaxd293.2容量的计算：根据）（VAIUS2.120412.61*110*3322算的其容量，考虑到变压器的实际情况所以选择容量为14KVA的变压器。4.根据电路参数计算平波电抗器的电感值，从而保证电流的连续。为了保证电流的连续，平稳负载电流的脉动，一般在电路中要增加平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，平波电抗器要选择合适的电感值从而保证电流的连续。至于三相全控桥式整流电动机负载的系统，在电流断续去的最高理想转速为2'2LeUC，当负载电流为最小临界值时，为保证电流的连续，电枢回路中应有的电感量L（mH）的表达式为2min0.693dULI，最小电流一般取得电动机额定值的5%---10%（这里取得为5%），即AIINd5.2%5min，代入公式中可以的到L=30.5（mH）。则平波电抗器的电感值L=23(mh)5.控制角的移相范围因为是在晶闸管是在整流状态，所以控制角的移相范围（090），保证在一定范围能恒导通。6.主电路图，如图6-4所示。图6-4三相全控桥式主电路107总体电路触发电路主电路主电路的过电压保护晶闸管的过电流保护晶闸管的过电压保护8总结通过这次课程设计使我掌握了做科学研究的基本方法和思路，为今后的工作打下了基础，现将感受总结如下：首先，我学会了对相关科技文献的检索，一切