相控式可控整流课程设计(2)资料

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2014年12月23日设计完成日期2014年12月29日设计内容与设计要求 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. 控制电路

2、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：0.82. 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目录第1章概论4第2章系统总体方案确定52.1系统结构组成 52.2系统工作原理及总体结构框图5第3章主电路设计63.1主电路结构设计6.3.2主电路保护设计 7.3.2.1 晶闸管过电流保护73.2.2 晶闸管过电压保护8.3.2.3 变压器保护设计 83.3 元件参数选型 9第4章 单元控制电路设计 114.1主控制芯片的详细说明114.2控制方法及控制功能单元电路设计.114.3检测及控制保护电路设计114.4 驱动电路设计 124.4.1 触发电路原理124.4.2

4、触发电路的要求14第5章 电路分析与仿真 165.1 仿真原理图165.2.系统仿真输出波形 175.2.1 带电阻负载的仿真.175.2.2 带阻感负载的仿真.20第6章设计总结附：评分表、参考文献、进度安排第1章 概述整流电路(rectifying circuit )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

5、压器设置与否视具体情况而定。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电 转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路 主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流 电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称 单向脉动性直流电压。晶闸管在整流电路中充当一个非常重要的角色，本次设计采 用的主要器件就是晶闸管。整流电路通常由主电路、触发电路和 保护电路组成。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。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

6、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(如直流电动机 的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等)。以上负载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2章系统总体方案确定2.1 系统结构组成相

7、控式直流可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，保护电路模块。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 路模块有过电流保护，过电压保护2.2 系统工作原理及总体结构框图380V三相交流电通过主变压器调压至二次端额定电压U2,同时输送给主电路。三相桥式整流电路是通过控制触发角a的大小， 即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角a 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效触发脉冲，脉冲 控制电路由K

8、J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a。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 能要求系统工作流程与原理大致可简化为以下框图：第3章主电路设计3.1 主电路结构设计在理想情况下，电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通， 一个

9、是共阳极组的，另一个是共阴级组的，只有它们同时导通才能 形成导电回路。T1、T2、T3、T4、T5、T6的触发脉冲互差60。 因此，电路每隔60有一个晶闸管换流，导通次序为2 3 4-5 6,每个晶闸管导通120。在整流电路合闸后,共阴极和共 阳级组各有一个晶闸管导通。因此，每个触发脉冲的宽度应大于 60、小于120 ,或用两个窄脉冲等效地代替大于60的宽脉冲,即在向某一个晶闸管送出触发脉冲的同时，向前一个元件补送 一个脉冲,称双脉冲触发。当 T1、T6导通时,ud=uab; T1、T2导 通时，ud=uac；同理，依次为 ubc, uba, uca, ucb,均为线电压 的一部分。在T1导电

10、的120中，uT1=0 （仅管压降）；当T3导 通，T1受反向电压关断,uT1=uab; T5导通时,T3关断，uT仁uaa 因此晶闸承受的最大正、反向电压为线电压的峰值。3.2 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 断器等。在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3.2.1 晶闸管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

11、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。对于这种情 况，最常见的保护措施就是接入快速熔断器。如下图所示*DID32N6&06 話一322晶闸管过电压保护晶闸管在运行过程中，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正常运 行中也有过电压出现。一般采用的保护措施是并接 RC阻容吸收 回路。如下图示：D- R-TifJ103.2.3变压器保护设计变压器一、二次侧均需阻容保护装置。如下图所示卜 一一 3.3元件参数选型整流电路中的元器件参数一定要根据电路的工作条件

12、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、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值Ufm 二 Urm 二 6U2故桥臂的工作电压幅值为：Um =612 73 1 1 1/考虑裕量，则额定电压为：Un = （2 3）Um = （2 3）311. 1 二（6222 933. 3/（1）晶闸管额定电流的选择：晶闸管电流的有效值为：I/TId max _ 600v3x;3346. 4A考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：i七拐亠.52)警2.5(2)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,由变压器为丫接法可知变压器二次侧相电压为：U

13、2220V,3127/变比为K二*U23801273.01 8变压器一次和二次侧的相电流计算公式为:KJd1 2= KI 21 d=K 2=0. 816而在三相桥式全控中KiI d = 305A所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：Si = 3U2I 2变压器初级容量为：S2 = 3Uil 1变压器容量为：S = 鱼2即23 127 0.816 305 3 380 (305 0.816)S309.46989k W2变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法U1=380V I1=82.96A ； 次级绕组星形接法，U2=127VI2=248.88A ;容量选择为9.46989kW.第4章单元控

14、制电路设计4.1 主控制芯片的详细说明主控制电路主要是整流变压器(transformer )，六脉冲触发 的三相晶闸管整流器(6-pulse thyristor bridge )，电流电 压检测器件三相电压-电流检测单元(v-i )，在仿真中由于6-pulse thyristor bridge不能使用，选择多功能桥式电路模 块，其原理都是一样的。Universal Bridgel4.2 控制方法及控制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器(transformer )经过电网变压获得。G端口为触发电路，可以由 锯齿波和

15、集成触发器触发，本次使用的是集成电路触发。4.3 检测及控制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負Iabc63bCThree-PhaseV-I Measurement!4.4 驱动电路设计441触发电路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位相差180 度，所以用三个KJ004来控制驱动电路，如图3-2-1为三相全控 桥整流电路的集成触发

16、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。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。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。

17、然后分别送入对应的KC04电路8脚，各相滤波电路移相约30,由电位器RP5RP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4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,13端输出固定的触发脉冲，将三块KC04的触发脉冲送至KC42电路的输入端2 102、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

18、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QrT尺.r立VTj 至耳 至WT* VT,至匕sawrw_2cml qk11D卿為&路单孫冲输入！rlRrlRF1)KJ041早甲（1410卿为6路双脉沖肅出）300800mA勺双窄脉冲列。调节每相的 R C数值，就可改变触发 脉冲宽度。如需要180a的长脉冲，则可取消 R、C元件，并 在KC04电路11 12端之间加接68kQ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 RP2-RP4可改变 锯齿波斜率；调节RP5- RP7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

19、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442 触发电路的要求晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条：（1）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。（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

20、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。（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 三相半波整流电路电阻负载时要求移相范围为15

21、0,而三相全851：! I* -R 里VSj邱厂？HlI0斌Ivd7VS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。 如上图为KJ004电路原理。第5章故障分析与仿真5.1 仿真原理图UnwindL 1 I5.2系统仿真输出波形521带电阻负载的仿真负载设置为100Q,仿真时间均为1.0s。触发角为0,3060, 90，分别对应的波形如下图所示(1) a =0时，如下图a b所示，上到下依次为三相电流，检测电压，检测电流，晶闸管 VT1,六脉波，负载电压电流信号。图b,

22、为晶闸管VT1、六脉波、负载电压电流的波形图a，为三相电流、检测电压、检测电路波形两周的电力电子课程设计匆匆就要结束了，虽然时 间很短暂，但我的收获是巨大。首先我深刻地认识到， 要想学好专业知识，不能仅仅停留在理论知识学习，还 得要勤于动手动脑，将自己上课学到的知识应用到实际 中去。与此同时我还学会仿真软件 MATLAB和画图工具3 3visio的使用，大大地提高了今后学习的效率。刚开始进行电力电子课程设计的时候，真的是困难 重重。不仅不知道从何下手，如何进行仿真也困扰了我 许久。后来通过去图书馆借阅书刊，以及上网查找资料。 总算是理清了头绪，于是开始着手电路的设计。没过多 久，又在仿真的时候出现了问题。不能仿真，提示说有 的元件不能使用，找不到测量值，波形图不对等等问题。 在这时就很无奈了，实在找不到解决的办法，只能请教 老师