相控式可控整流电路课程设计(1)

1、 湖南工程学院课程设计任务书课程名称： 电力电子技术课程设计题 目：相控式直流可控整流电路的设计 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 年 月 日设计完成日期 年 月 日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 电网工频交流整流为可调直流电源；2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：工频整流电路、。控制电路主要环节：脉冲发生电路、驱动电路。3） 功率变换电路中的开关器件采用IGBT或MOSFET。4） 系统具有完善的保护5）2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4.

2、控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4 绘制总电路图5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压：三相（AC）380（1+15%）、0300V（DC）2） 输出电流：10A3）功率因数：0.8 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；

3、6 电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献1王兆安，电力电子技术（第5版）机械工业出版社，2008.2刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，2009.3. 浣喜明，姚为正电力电子技术高等教育出版社，2008.4刘祖润，胡俊达毕

4、业设计指导机械工业出版社，1995.5. 林飞，杜欣电力电子应用技术的MATLAB仿真 中国电力出版社，2009.6钟炎平 电力电子电路设计 华中科技大学出版社，2010.7徐德鸿现代电力电子器件原理与应用技术 机械工业出版社，2011.8洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 机械工业出版社,2006 目录第一章 绪论1 第二章 系统总体方案1 2.1 系统组成结构及其工作原理1 2.2  系统工作流程 2 第三章 主电路设计3  3.1主电路结构   3   3.2主电

5、路原件的选型及其计算 4   3.3主电路保护设计 5   3.3.1晶闸管的过电压保护 5    3.3.2晶闸管的过电流保护 6     3.3.3变压器的保护 7 第四章 控制电路设计 7  4.1检测及其保护设计7  4.2 功能单元电路设计8    4.3触发电路设9     4.3.1触发电路的要求9 &#

6、160;    4.3.2 触发电路的原理10 第五章 电路分析13 第六章 心得体会15 第七章 附录 15    7.1参考文献15    7.2总电路图16 第一章 绪论 整流电路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

7、载之间，用于滤除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。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。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载。负载

8、往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。 第二章 系统总体方案2.1系统组成结构及其工作原理 三相桥式全控整流电路可分为三部分电路模块：主电路模块，触发电路模块，保护电模块。主电路模块，主要由三组两两串联晶闸管并联而成。触发电路模块组成为，3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，再由六个晶体管进行脉冲放大。保护电路模块有晶闸管的过电流保护，过电压保护三相桥式整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。为保证

9、相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效触发脉冲，脉冲控制电路由KJ系列集成电路组成，具有技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点，可以较为精确的对晶闸管进行触发。在门极的触发信号的控制下和流过晶闸管的电流的共同作用下，晶闸管处于导通和截止不断转换的状态，而联系通断关系的就是触发角。在保护电路的监控与保护下，主电路，触发电路可以在正常工作状况下工作，在主电路的作用下，将输入的变压器二次端的交流信号变换成整流装置输出端的直流信号，供用户或负载使用。整个过程完成了将三相交流电较为准确的转换成预期直流电的功能要求。2.2系统工作流程 第三章 主电路

10、设计 3.1 主电路结构设计 三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对电动机进行控制。将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1, VT3, VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4,VT6,VT2）称为共阳极组。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，晶闸管的导通顺序为VT6 VT1  VT1 VT2  VT2 V

11、T3  VT3 VT4  VT4 VT5  VT5 VT6 依此循环，每隔 60 °有一个晶闸管换相。每个时刻均需要2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相得晶闸管。整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。 3.2主电路元器件的选型及其计算整流电路中的元器件参数一定要根据电路的工作条件来选择，并且要留有一定的安全余量。（1）晶闸管额定电压的选择： 晶闸管最大正、反向

12、电压峰值均为变压器二次线电压峰值   故桥臂的工作电压幅值为：  ´ 考虑裕量，则额定电压为： （2）晶闸管额定电流的选择：  晶闸管电流的有效值为：  »考虑裕量，故晶闸管的额定电流为： （3）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，由变压器为Y接法可知变压器二次侧相电压为：   变比为：    变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：= 而在三相桥式全控中  所以变压器的容量分别如下： 变压器次级容量为： 变压器初级容量为：&

13、#160; = 变压器容量为： + 即： » 变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法；次级绕组星形接法，；容量选择为9.46989kW。3.3主电路保护设计晶闸管的保护电路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RC阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等；再一种则是采用电子保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。 3.3.1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

14、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，如图3所示：3.3.2晶闸管的过电流保护晶闸管设备产生过电流的原因一般是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。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。过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长。直流快速开关过电流保

15、护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。快速熔断器保护是最有效的保护措施，如图4所示： 3.3.3变压器的保护设计变压器一、二次侧均需阻容保护装置。如图5所示： 第四章控制电路设计 4.1检测及其保护电路设计 保护电路主要也是过电流过电压保护，和主电路的保护一样。检测电路的设计，在设计中主要用到的是三相电压-电流检测单元（V-I），Vabc和Iabc为电压电流检测端口，通过这两个端口可以检测变压后的电压电流波形。 4.2 功能单元电路设计  多功能桥式电路的控制主要有几个引脚来实现的，其中ABC接三相电压的，三相电压的来源由变压器整流变压，经过电网变压获得。G端口为触发电路

16、，可以由锯齿波和集成触发器触发，本次使用的是集成电路触发 4.3触发电路设计 4.3.1触发电路的要求 由于晶闸管导通以后，控制极上的触发信号就失去控制作用，为了减少控制极损耗及触发电路的功率，一般不用交流或直流触发信号，而用脉冲形式的触发信号，故晶闸管对触发电路的基本要求如下：（1）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消失前必须达到擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲，才可使元件可靠导通。（2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步为了保证电路的品质

17、及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关系，即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶闸管主电压之间满足一定的相位关系。（3）触发信号要有足够的功率为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率（4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。例如，单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为180°，而电感性负载（不接续流管时）要求移相范围为90&

18、#176;。三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围为150°，而三相全控桥式整流电路电阻负载时要求移相范围为120°。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。如图为KJ004电路原理图： 4.3.2触发电路的原理 脉冲触发电路设计原理是利用六脉冲同步触发来实现的，每个KJ004控制两个晶闸管，且被控制的两个晶闸管其相

19、位相差180度，所以用三个KJ004来控制驱动电路，如图8，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。如图KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4等组成同步环节，同步电压uS经限电阻R20加到V1、V2基极。在uS的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15V11 R3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|0.7V时，V1V

20、3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基叠加。当ube6>+0.7V时，V6导通。设uC5、Ub为定值，变

21、UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电当V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经（+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4V时，V7又恢复通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180°的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周

22、V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经V13V15放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD6VD8为隔离二极管。2) 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6进行脉冲功率放大。3) 由于V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周

23、内有两个相位上相差的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc分别与同步变压器的uSA、uSB、12 uSC相接RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。如果触发电路为模拟的称为模拟触发电路。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。触发电路选用的是KC系列的KCZ6集成化三相全控六脉冲触发组件，电路如图所示。该组件采用三块KC04移相触发器，一块KC41六路双脉冲形

24、成器，一块KC42脉冲列调制形成器组成。三相同步电压经由RC组成的T型网络移相滤波，使之不受波形畸变和换流缺口的干扰。然后分别送入对应的KC04电路8脚，各滤波电路移相约30°，由电位器RP5RP7作微调，以保证六相脉冲间隔均匀。同步电压取30V左右，同步输入电流限制在23A。同步电压输入后，在KC04电路端子形成100Hz的锯齿波。锯齿波电压、移相控制电压Uct和偏移电压Up在其9端进行比较，在13端输出固定的触发脉冲，将三块KC04的触发脉冲送至KC42电路的输入2、4、12，KC42电路将其调制成510kHz脉冲列，再从该电路输出端8送至三块KC04的端子14.这时在KC04的

25、输出端1、15输出的调制好的脉冲列移相触发脉冲。三块KC04触发器的六个输出脉冲送到KC41的16端，它的输出端1015的输出是按后相给前相补脉冲的规律，经VT1VT6放大，可输出驱动电流为300800mA的双窄脉冲列。调节每相的R、C数值，就可触发脉冲宽度。如需要180°的长脉冲，则可取消R、C元件，并在KC04电路11、12端之间加接68k电阻。组件控制极性为正，即移相控制电压Uct增加，导通角增大。调节RP2RP4，可改变锯齿波斜率；调节RP5RP7，可进行同步相位微调。通过上述方法，可等到理想的三相平衡度。为了使脉冲变压器在脉冲间断时去掉剩磁，稳压管VST可选合适的击穿电压，使脉冲变压器反电动势建立一定值后给予短路，消除剩磁，使磁状态复原。VST的击穿电压选取与电源电压接近。 第五章 电路分析  带电阻负载的波形分析：  (1)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。波形图：a =0；a&