三相桥式可控整流电路的设计1

课程设计说明书三相桥式可控整流电路的设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称教授专业：自动化学号：15030140322班级：1503班完成时间：2017年11月16日I摘要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。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。变压器设置与否视具体情况而定。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电隔离(可减小电网与电路间的电干扰和故障影响)。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。关键词:整流，变压，触发，过电压，保护电路II目录1绪论…………………………………………………………………………………11.1背景……………………………………………………………………………11.2国内外的现状…………………………………………………………………11.3主要的工作内容………………………………………………………………12三相桥式可控整流电路设计………………………………………………………22.1设计方案的选择………………………………………………………………22.2主电路工作原理………………………………………………………………22.3参数计算与器件选择…………………………………………………………33触发电路设计………………………………………………………………………53.1集成触发芯片原理……………………………………………………………53.2集成触发电路原理……………………………………………………………54保护电路的设计……………………………………………………………………74.1晶闸管的保护电路……………………………………………………………74.2交流侧的保护电路……………………………………………………………84.3直流侧的保护电路……………………………………………………………95仿真及结果分析…………………………………………………………………105.1MATLAB简介…………………………………………………………………105.2MATLAB建模…………………………………………………………………105.3仿真结果……………………………………………………………………105.4仿真结果分析………………………………………………………………12结束语………………………………………………………………………………13参考文献……………………………………………………………………………14致谢…………………………………………………………………………………15附录…………………………………………………………………………………16III11绪论1.1课题背景三相桥式可控整流电是电力电子技术中最为重要，也是应用的最广泛的电路。不仅应用于一般工业领域，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一定的现实意义。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。1.2国内外的现状电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中，一些技术先进的国家，经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。1.3主要的工作内容三相交流输入线电压380V，整流电压在0～220V连续可调。应用kj004触发电路锁定相位角，并用MATLAB仿真实现。22三相桥式可控整流电路设计2.1设计方案的选择三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少，所以采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。2.2主电路工作原理晶闸管按从1至6的顺序导通，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3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。编号如图.2-1所示，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。图2-1主电路原理图32.3参数计算与器件选择整流变压器: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：VVU12732202（公式1）变比为：0.312738021UUK（公式2﹚变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：KIKIdI11﹙公式3﹚dIIKI22﹙公式4﹚而在三相桥式全控中816.03221IIKK﹙公式5﹚AId305﹙公式6﹚所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：2213IUS﹙公式7﹚变压器初级容量为：1123IUS﹙公式8﹚变压器容量为：221SSS﹙公式9﹚即：kWS46989.920.3816.03053803305816.01273变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法VU3801，AI96.821；次级绕组星形接法，VU1272，AI88.2482；容量选择为9.46989kW。4晶闸管：⑵晶闸管的额定电压晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值26FMRMUUU﹙公式10﹚故桥臂的工作电压幅值为：VUm1.3111276﹙公式11﹚考虑裕量，则额定电压为：VUUmN3.933~2.6221.3113~23~2﹙公式12﹚⑵晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为：AIIdVT4.34636003max﹙公式13﹚考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：AIIVTAVVT30.441~97.33057.14.3462~5.157.12~5.1)(﹙公式14﹚平波电抗器：为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要串联平波电抗器。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有：min2693.0dIUL﹙公式15﹚其中，（单位为mH）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。由题目要求：当负载电流降至20A时电流仍连续。所以mindI取20A。所以有：mHUL40.420127693.020693.02﹙公式16﹚53触发电路设计3.1集成触发芯片原理本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：图3-1KJ004的电路原理图3.2集成触发电路原理图三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图3-2所示：6图3-2集成触发电路图74保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，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R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另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的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1晶闸管的保护电路⑴晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图4-1所示：图4-1串联电感及熔断器抑制回路⑵晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图4-2所示：8图4-2并联RC电路阻容吸收回路4.2交流侧保护电路晶闸管设备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非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图4-3所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经、放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。图4-3反向阻断式过电压抑制RC电路94.3直流侧保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。图4-4直流侧阻容保护105仿真及结果分析5.1MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控