三相桥式全控整流电路课程设计.pdf
勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备万两黄金容易得，知心一个也难求。曹雪芹 电力电子技术课程设计说明书 三相桥式全控整流电路 系、部：电气与信息工程系 专 业：自动化 云路鹏程九万里，雪窗萤火二十年。王实甫百学须先立志。朱熹目录 第 1 章 绪论 错误!未定义书签。1.电子技术的发展趋势 错误!未定义书签。2.本人的主要工作 错误!未定义书签。第 2 章 主电路的设计及原理 错误!未定义书签。1.总体框图 错误!未定义书签。2.主电路的设计原理 错误!未定义书签。带电阻负载时 错误!未定义书签。阻感负载时 错误!未定义书签。3.触发电路 错误!未定义书签。4.保护电路 错误!未定义书签。5.参数计算 错误!未定义书签。整流变压器的选择 错误!未定义书签。晶闸管的选择 错误!未定义书签。输出的定量分析 错误!未定义书签。第 3 章 MATLAB 的仿真 错误!未定义书签。1.MATLAB 仿真软件的简介 错误!未定义书签。2.仿真模拟图 错误!未定义书签。3.仿真结果 错误!未定义书签。第 4 章 结束语 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。第 1 章 绪论 1.电子技术的发展趋势 当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占 40%，而电力能源中有 40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的 80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在 21 世纪将起到更大作用。吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？论语以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。管子牧民 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。电力电子技术作为一门高技术学科，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有着重要的作用，现在已广泛的应用于传统工业(例如：电力、机械、交通、化工、冶金、轻纺等)和高新技术产业(例如：航天、现代化通信等)。下面着重讨论电力电子技术在电力系统中的一些应用。在高压直流输电(HVDC)方面的应用 直流输电在技术方面有许多优点：(1)不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联;(2)可以限制短路电流;(3)没有电容充电电流;(4)线路有功损耗小;(5)输送相同功率时，线路造价低;(6)调节速度快，运行可靠;(7)适宜于海下输电。随着大功率电子器件(如：可关断的晶闸管、MOS 控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等)开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。在柔性交流输电系统(FACTS)中的应用 20 世纪 80 年代中期，美国电力科学研究院(EPRI)博士首次提出柔性交流输电技术的概念。近年来柔性交流输电技术在世界上发展迅速，已被国内外一些权威的输电工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术(柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术)之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS 的发展提供了条件。采用 IGBT 等可关断器件组成的 FACTS 元件可以快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。在电力谐波治理方面的应用 有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在 20 世纪 70 年代初提出来的，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着中国电能质量治理工作的深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。在不间断电源(UPS)中的应用 UPS 紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS 普遍采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT 等现代电力电子器件,降低了电源的噪声,提高了效率和可靠性。电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。2.本人的主要工作（1）设计一个三相桥式全控整流电路。非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮宠辱不惊，看庭前花开花落；去留无意，望天上云卷云舒。洪应明BKP1KP3KP5KP4KP6KP2Rabcu2图1 三相桥式全控整流电路 tttttabcab1234562413551133224466ugugugug00000u2ud(1)(2)(3)(4)(5)(6)图2 三相桥式整流电路的触发脉冲（2）把设计的电路图进行仿真，分析并调试，使输出得到所要求的到的值。（3）用软件 MATLAB，画出设计原理图。（4）完成设计报告。第 2 章 主电路的设计及原理 1.总体框图 图 2-1-1 总电路的总体框图 2.主电路的设计原理 在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管 KP1 和 KP4 接 a 相，晶闸管 KP3 和 KP6 接 b 相，晶管 KP5和 KP2 接 c 相。晶闸管 KP1、KP3、KP5 组成共阴极组，而晶闸管 KP2、KP4、KP6 组成共阳极组。为了搞清楚变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析=0 的情况，也交 流 源 220V 主变压器 触发脉冲 主电路 保护电路 勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备海纳百川，有容乃大；壁立千仞，无欲则刚。林则徐就是在自然换相点触发换相时的情况。图 1 是电路接线图。为了分析方便起见，把一个周期等分 6 段（见图 2）。在第（1）段期间，a 相电压最高，而共阴极组的晶闸管 KP1 被触发导通，b 相电位最低，所以供阳极组的晶闸管 KP6 被触发导通。这时电流由 a 相经 KP1 流向负载，再经 KP6 流入 b 相。变压器 a、b 两相工作，共阴极组的 a 相电流为正，共阳极组的 b 相电流为负。加在负载上的整流电压为 ud=ua-ub=uab 经过 60后进入第(2)段时期。这时 a 相电位仍然最高，晶闸管 KPl 继续导通，但是 c 相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发 c 相晶闸管 KP2，电流即从 b 相换到 c 相，KP6 承受反向电压而关断。这时电流由 a 相流出经 KPl、负载、KP2 流回电源 c 相。变压器 a、c 两相工作。这时 a 相电流为正，c 相电流为负。在负载上的电压为 ud=ua-uc=uac 再经过 60，进入第(3)段时期。这时 b 相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管 KP3，电流即从 a 相换到 b 相，c 相晶闸管 KP2 因电位仍然最低而继续导通。此时变压器 bc 两相工作，在负载上的电压为 ud=ub-uc=ubc 带电阻负载时 a=0时的情况 假设将电路中的晶闸管换做二极管惊醒分析对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的三个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的导通认识时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态。从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，Ud1 为相电压的正包络线，共阳极组导通时，Ud2 为相电压的负包络线，Ud=Ud1-Ud2 是两者的差值，为为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，Ud 为线电压中最大的一个，因此 Ud 波形为线电压的包络线。图 2-2-1 三项桥式全控整流电路带电阻负载 a=0 时的波形 由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：1.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。苏轼良辰美景奈何天，便赏心乐事谁家院。则为你如花美眷，似水流年。汤显祖管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。2.三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KPl、KP3 和 KP5 依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为 120。对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管 KP2、KP4 和 KP6 依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是 120。3.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差 180。4.三相桥式全控整流电路每隔 60有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：1234561，依次下去。相邻两脉冲的相位差是 60。5.由于电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。为了达到这个目的，可以采取两种办法；一种是使每个脉冲的宽度大于 60（必须小于 120），一般取 80100，称为宽脉冲触发。另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地代替大于 60的宽脉冲。这种方法称双脉冲触发。6、整流输出的电压，也就是负载上的电压。整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头 uab、uac、ubc、uba、uca、ucb 均为线电压的一部分，是上述线电压的包络线。相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控的整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为 6 50=300 赫，比三相半波时大一倍。7、晶闸管所承受的电压。三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。例如在第(1)段时期，KP1 和 KP6 导通，此时 KP3 和 KP4,承受反向线电压 uba=ub-ua。KP2 承受反向线电压 ubc=ub-uc。KP5承受反向线电压 uca=uc-ua。晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。当从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。当 a=60时的情况：当触发角 a 改变时，电路的工作情况将发生变化。从 wt1 角开始把一周期等分为六段，每段 60 度。在 VT1 处于通态的 120 度期间，ia 为正，ia 波形的形状与同时段的 Ud 波形相同，在 VT4 处于通态的 120 度期间，ia 波形的形状也与同时段的 Ud 波形相同，但为负值。当 a60时，Ud 波形均连续，对于电阻负载，id 波形与 Ud 波形形状一样，也连续。Ud 波形每 60中有一段为零，Ud 波形不能出现负值。带电阻负载时三项桥式全控整流电路 a 角的移相范围是 120。百学须先立志。朱熹百学须先立志。朱熹 图 2-2-2 三相桥式全控整流电路带电阻负载 a=60 度时的波形 阻感负载时 当 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。图2-2-4为三相桥式全控整流电路带阻感负载 a=90时的波形。图 2-2-4 三相桥式全控整流电路带阻感负载 a=90时的波形 3.触发电路 以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角 a 的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角 a 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。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。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。KJ004 组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。KJ004 触发电路为模拟的触发电路,其组成为：3 个 KJ004 集成块和 1 个 KJ041 集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路。三相全控桥整流电路的集成触发电路如图2-3-1 所示。图 2-3-1 三相全控桥整流电路的集成触发电路 4.保护电路 为了保护设备的安全，必须设置保护电路。此设计电路必须对经晶闸管、交流侧、直流侧进行电路的保护设计。1、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。对于晶闸管初开通引起的较大电流上升率，可在晶闸管的阳极回流串联电感进行抑制；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熔断器进行保护。图 2-4-1 串联电感及熔断器抑制回路 usa12345671 11 091 41 31 281 61 512345671 11 091 41 31 281 61 5KJ004KJ004-15V+15V12345671 11 091 41 31 281 61 5KJ004RP6RP3(1 6 脚为 6路单脉冲输入)12 3 4 5 6 71110914131281615KJ041(1510 脚为 6路双脉冲输出)至 VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至 VT2至 VT3至 VT4至 VT5至 VT6以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐王勃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 电路。图 2-4-2 并联 RC 电阻电容吸收回路 5.参数计算 整流变压器的选择 由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为 380V 和 220V。由变压器三角形心形接法可知变压器二次侧相电压为：VVU12732202 （2-1）变化为：0.312738021UUK 变压器一次侧和二次侧的相电流计算公式为：KIKIdl11 （2-2）dlIKI21 而在三相桥式全控中：08163221llKK （2-3）AId305 所以变压器的容量分别如下:变压器次级容量为：2213IUS （2-4）变压器初级容量为：1123IUS （2-5）云路鹏程九万里，雪窗萤火二十年。王实甫百川东到海，何时复西归？少壮不尽力，老大徒伤悲。汉乐府长歌行变压器容量为：221SSS （2-6）即：kWS46989.920.30816*305*380*3305*0816*127*3 变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法U1=;次级绕组星形接法，U2=127V,I2=:容量选择为 10Kw。晶闸管的选择 晶闸管的额定电压 由三相全控桥整流电路的波形分析知，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值：26UUURMFM （2-7）故桥臂的工作幅值为：VUm1.311127*6 考虑欲量，则额定电压为：VUUMN)3.9332.622(1.311*)32()32(晶闸管的额定电流 晶闸管电流的有效值为：AIIdVT44.34636003max （2-8）考虑欲量，故晶闸管的额定电流为：AIIVTVT)30.44197.330(57.1)25.1(输出的定量分析 在以上的分析中已经说明，整流输出电压 Ud的波形在一周期内脉动六次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉冲进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得到整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时，整流电压平均值为)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU （2-10）cos34.2)(sin63123232dUttdUU天行健，君子以自强不息。地势坤，君子以厚德载物。易经人人好公，则天下太平；人人营私，则天下大乱。刘鹗输出电流的平均值为：RUIdd。第 3 章 MATLAB 的仿真 1.MATLAB 仿真软件的简介 Matlab 控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准软件，1999 年春版问世，使 Matlab 拥有更丰富的数据类型和结构，更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具，特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现，使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而及时学生没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础，仍可通过仿真来认知非线性对系统动态的影响。2.仿真模拟图 其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。管子牧民 图 3-2-1 仿真模拟图 3.仿真结果 此仿真结果都为组感性负载时的仿真时运行的结果，且电感的阻值很大。此设计的仿真结果仿真了 0、30、90时的 Ud、Id的波形图，分别如图 3-3-1、3-3-2、3-3-3 所示，其中上面的图形为 Ud的输出波形图，下面的图形为 Id的输出波形图。1、当触发角 a=0时 图 3-3-1 触发角为 0时的 Ud、Id的波形图 2、当触发角 a=30时 海纳百川，有容乃大；壁立千仞，无欲则刚。林则徐人不知而不愠，不亦君子乎？论语 图 3-3-2 触发角为 30时的 Ud、Id的波形图 3、当触发角 a=90时 图 3-3-3 触发角为 90时的 Ud、Id的波形图 第 4 章 结束语 通过这次设计，我的理论知识掌握得更扎实。同时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。理论学得好，但如果只会纸上谈兵，一点用都没有。以后也很难找到工作。我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的忍一句，息一怒，饶一着，退一步。增广贤文丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。顾炎武是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。她是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。由于对 MATLAB 软件的不熟练，在整个设计到电路的仿真过程中，我个人感觉理论仿真部分是最难的，但是在仿真中，还是发现了一些问题，有时候一些参数的稍微改变就会导致输出的电压改变很大，这样使得仿真很难达到理想的效果，在就是仿真时，总是出现一些自己解决不了的问题。但是有了老师和同学们的帮助，这些问题提基本都解决了，又让我进一步的了解了电力电子技术在我们生活中的重要性。尽管这门课程我学到的并不多，但是给我在以后学习其他的有关知识打下了基础。我觉得我应该加强对专业基础知识的学习，为以后在工作寻求保证。参考文献 王兆安，黄俊主编电力电子技木第四版北京：机械工业出版社，2004 年 1 月 王云亮主编电力电子技术第一版北京：电子工业出版社，2004 年 8 月 梁廷贵主编现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册北京：科学技术文献出版社，2002年 2 月
