串联多重12脉可控整流电路(660V／100A)剖析(共24页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文） 题目：串联多重12脉可控整流电路（660100）院（系）： 工程技术学院 专业班级： 电气工程及其自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.11.232015.12.07 专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目串联多重12脉可控整流电路（660100）课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能采用多脉整流，以减小输出直流的脉动，为1台额定电压660V、功率为63kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。设计任务1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号。4、确定变压器变比及容量。5、触发电路设计或选择。6、绘制相关电路图。7、完成4000字左右说明书。要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理论分析与计算要正确。3、 3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、交流电源：三相380V。2、整流输出电压Ud在0660V连续可调。3、整流输出电流最大值100A。4、直流电动机负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取200300左右。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电抗器；第8天：触发电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要 当代，随着经济与技术的迅速发展，整流装置的输出功率也进一步加大，其所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，大功率可控整流电路就是在这种背景下产生的。而串联多重12脉整流电路也是大功率可控整流整流电路的一条分路。它按一定的规律将两个相似结构的整流电路进行组合而得整流电路，它将整流电路进行移相多重联结，可以减少交流侧输入电流谐波，提高功率因数。串联多重12脉可控整流电路是电力电子技术中比较重要的一个整流电路，也是应用得比较广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。本文旨在在设计一组安全可靠的串联多重12脉可控整流电路，使其输出电压为0660V，输出电流最大值为100A。 关键词：串联；12脉；整流电路；目 录第1章 绪论1.1 多重整流概况电力电子技术是以功率处理和变换为主要对象的现代工业电子技术，当代工、农业等领域都离不开电能，离不开表征电能的电压、电流、频率、波形和相位等基本参数的控制和转换，而电力电子技术可以对这些参数进行精确地控制与高效的处理，所以电力电子技术是实现电气工程现代化的重要基础。整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1.按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2.按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3.按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。随着整流电路的功率进一步增大(如轧钢电动机，功率达数兆瓦)，为了减轻对电网的干扰，特别是减轻整流电路高次谐波对电网的影响，可采用十二相、十八相、二十四相，乃至三十六相的多相整流电 为了获得十二相波形，每个波头应错开30°。所以采用三绕组变压器，次级的两个绕组一个接成星形，另一个接成三角形，分别供给两组三相桥。两组整流桥串联后再接到负载。由于两组整流桥输出的电压的相位彼此差30°，因此在负载上得到十二脉波的整流电压,合成中最低次谐波频率为600Hz，输出电压=+,电流=。1.2 本文设计内容本文研究内容，根据任务书内容进行描述，采用多重串联并不能提高位移因数，但能在一定程度上提高功率因数。 图1.1串联二重12脉整流电路图1.1两组三相桥串联组成的十二相整流电路。为了获得十二相波形，每个波头应该错开30°。所以采用三绕组变压器，次级的两个绕组一个接成星形，另一个接成三角形，分别供给两组三相桥。两组整流桥串联后再接到负载。由于两组整流桥输出的电压的相位彼此差30°，因此在负载上得到十二脉波的整流电压,合成电压中最低次谐波频率为600Hz，输出电压=+,电流=。第2章 串联多重12脉整流电路2.1 总体设计方案运用电力电子技术知识，采用串联多重12脉整流电路为主电路，发电机电源经变压器变压为主电路供电；KJ041六路双脉冲形成器是为主电路提供触发信号的触发电路；保护电路对主电路进行过压过流保护；最后经主电路输出660V/100A直流电。为1台额定电压660V、功率为63kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。总体设计框图如图2.1。触发电路 主电路变压器电动机电源保护电路图2.1总体设计框图2.2 主电路参数采用三绕组变压器，次级的两个绕组一个接成星形，另一个接成三角形，分别供给两组三相桥。两组整流桥串联后再接到负载。由于两组整流桥输出的电压的相位彼此差30°，因此在负载上得到十二脉波的整流电压,合成中最低次谐波频率为600Hz，输出电压：=+,电流:=。=600V，=100A。 图2.2串联多重12脉整流电路主电路图 图2.3移相30 串联2重连结电路的输入电流波形晶闸管SCR为双极型器件，它具有电子和空穴两种载流子的导电功能。晶闸管正常工作时的特性为：当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通，门极就会失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电路和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。主电路二次侧是有两个分别采用采用星接和角接的三相全控桥式整流电路，对于二次侧采用星接的整流电路其晶闸管的参数有以下计算得出晶闸管的有效值： = 57.7(A) (2-1)晶闸管通态平均电流： = 33.3（A） (2-2)取安全裕量，则所选晶闸管电流值为：=2=233.3=66.6（A） （2-3） 在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受电压极值为即，为二次侧相电压有效值。的确定：由=2.34cos，=+可得： =/2.34cos (2-4)其中Ud=660V,由于变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：。所以： =1： ，=660/（1+）241(v)。为可靠换相，取=30°，则=/2.34cos30°=241/（2.34×30°）118.9(V） (2-5)因为存在±10的波动，同样也存在，则 =/0.9=118.9/0.9132.1(V) (2-6)所求晶闸管电压值 323.6 (V) (2-7)取安全裕量，则所选晶闸管电压值为647.2V。所以，星接三相全控整流电路的晶闸管应选取66.6A、647.2V的晶闸管，型号由网上查得为TC161-160。二、二次侧为角接三相全控整流电路的晶闸管的选取对于二次侧采用角接的整流电路其晶闸管的参数有以下计算得出：晶闸管的有效值： = 57.7(A) (2-8) 晶闸管通态平均电流： = 33.3（A） (2-9)取安全裕量，则所选晶闸管电流值为：=2=233.3=66.6（A） （2-10） 在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受电压极值为即，为二次侧相电压有效值。的确定：由=2.34cos，=+可得： =/2.34cosa (2-11)其中Ud=660V,由于变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：。所以： =1： ，=660/（1+）418.7(v)。为可靠换相，取=30°，则=/2.34cos30°=418.7/（2.34×30°）206.6(V） (2-12)因为存在±10的波动，同样也存在，则 =/0.9=206.6/0.9229.5(V) (2-13) 所求晶闸管电压值: 562.2 (V) (2-14)取安全裕量，则所选晶闸管电压值为1124.4V。所以，角接三相全控整流电路的晶闸管应选取66.6A、1124.4V的晶闸管，型号由网上查得为TC161-160。2.3 变压器的设计变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：基波幅值和n次谐波幅值分别如下： （单桥时为） (2-15) n=12k±1, k=1,2,3, (2-16)输入电流谐波次数为12k±1，其幅值与次数成反比而降低。该电路的其他特性如下：直流输出电压: = (2-17) 位移因数：cos =cos (2-18) 功率因数：=cos =0.9886cos (2-19) 变压器的容量：S=S+S (2-20) 由副边要求可知的变压器相电流有效值为：=100A 则星变压器相电流有效值为: =100A由副边要求可知的变压器相电流有效值为： =81.6A （2-21）由（2-6）式=132.1V，则S=132.181. (V·A) （2-22）由（2-13）式=229.5V，则S= =229.581. (V·A) (2-23)因为是三相桥式可控整流电路，所以: S=S+S=10779+18727=29.506 (KV·A) (2-24)取S为40KV·A。则变压器的容量为40KV·A。 2.4 触发电路的设计为了保证电路合闸后能工作，或在电流断续后再次工作，每个星接或者角接电路必须有两个晶闸管同时导通，对将要导通的晶闸管施加触发脉冲，由于星接和角接只是相位不同，原理相同都是三相桥式可控电路，故以下只要对其中一种进行研究即可。KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路，它具有双脉冲形成和电子开关的功能。使用两块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。 电参数如下： 电源电压：直流 15V，允许波动±5(±10功能正常) 电源电流：20mA。 输出脉冲： a脉冲幅度：1V。 b最大输出能力：20mA(流出脉冲电流)。输入端二极管反压：30V。 控制端正向电流：3mA。 KJ041采用双列直插l6脚封装，如图2.4所示。图2.4KJ041引脚图KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电路原理见图2.5。锯齿波的斜率决定于外接电阻R、R,流出的充电电流和积分电容的数值。对不同的移相控制电压,只有改变权电阻R、R的比例,调节相应的偏移电压。同时调整锯齿波斜率电位器R,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R和形成微分电路,改变 R和的值,可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为任意值。KJ004电参数：1电源电压：直流+15V、-15V,允许波动土5(±10时功能正常)。2电源电流：正电流15mA,负电流10mA。3同步电压：任意值。4同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)5移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k)6锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。7输出脉冲： (1)宽度：400S2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)。 (2)幅度：13V。 (3)最大输出能力100mA(流出脉冲电流)。 (4)输出管反压：BVCEO18V(测试条件Ie100A)。8正负半周脉冲相位不均衡±30。9使用环境温度为四级：C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125 图2.5KJ004电路原理图图2.6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2.6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，但缺点是易受电网电压影响，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°。图2.6三项桥式整流电路的集成触发电路图2.5 保护电路设计（1）晶闸管的过电流保护 过电流保护可以分为过载和短路两种状况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的,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可以采用接入快速熔断器进行保护。如图2.7所示图2.7晶闸管阳极串入电感和熔断器（2）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电容。如图2.8所示： 图2.8晶闸管两端并联RC（3）晶闸管的操作过电压和雷击过电压的保护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，电容将吸收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。如图2.9所示：图2.9外部过电压保护（4）直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图中，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。如图2.10所示：图2.10直流侧阻容保护电路图2.11主电路与保护电路的连接第3章 系统调试与电路仿真3.1 模型参数及仿真参数设置图3.1仿真电路Powergui等部分组成。其中多路脉冲测量器、Powergui用于对电路各处的电压和电流波形测量。图3.1为串联二重12脉整流电路的仿真图。 三相对称交流电压源参数设置：三相对称交流电压源的幅值设为380V，频率为50 Hz，相位分别为0、-120°、120°。图3.2 RLC负载参数设置RLC负载参数设置：R=6，L=0，C=0。图3.3三相变压器参数设置三相变压器参数设置：采用3绕组三相变压器，1次侧绕组采用Y形接线方式，2次侧绕组分别采用Y形和形接线方式。为了便于观察，3个绕组的额定电压分别取380 V、220 V、220 V。图3.4三相晶闸管整流桥参数设置三相晶闸管整流桥参数设置：使用默认值。图3.5同步脉冲触发器设置同步脉冲触发器设置：频率为50 Hz，脉冲的宽度取30。，选择双脉冲触发方式。选定触发角为0。 图3.6仿真时间数值算法设置仿真时间设为05 s，数值算法采用ode23tb。3.2 仿真结果图3.7电压电流输出波形根据图3.7可知串联二重12脉整流电路的输出电压值为0660V，电流最大值为100A。第4章 课程设计总结通过本次电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料，自己解决问题，对触发电路，保护电路等都有了更深刻的理解。在设计过程中，当然也遇到了许多困难，通过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了知识，不如说培养我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真的查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终会解决问题。参考文献1王兆安主编.电力电子技术.第四版.机械工业出版社,2013.2袁礼剑. 低压进线并联谐振中频感应电炉系统及其节能的研究.山东理工大学,2011.3鲁慧. 3500kW串联谐振式中频电炉系统的设计.山东理工大学,2011.4张晓. 三电平有源滤波器关键技术研究.中国矿业大学,2012.5刘文业. 高效能整流系统理论及关键技术研究.湖南大学,2014.6王雪丹. 矿井大功率直流拖动系统谐波及其补偿控制研究.中国矿业大学,2009.7涂春鸣. 新型谐振阻抗型混合有源滤波器PITHAF研究.中南大学,2003.8陈伟淳. 广州恒运热力公司厂用电谐波分析与治理.华南理工大学,2010.9卢芳,徐谞,程鹏. 大功率12脉整流电路仿真J. 船电技术,2011,10:14-18.10李军. 无功补偿和谐波处理的研究J. 江苏科技信息,2015,07:49-52.11刘景成. 改善中频电源电能质量方案的分析D.山东理工大学,2012.12蒋奇云. 广域电磁测深仪关键技术研究D.中南大学,2010.13杜学龙. 电动汽车充电站谐波特性及抑制D.山东大学,2013.14郭捷. 模块化多电平换流器在HVDC应用的若干关键问题研究D.浙江大学,2013.15嵇丽明. 改进型直流侧有源电力滤波器的谐波抑制技术研究D.重庆大学,2010.