220V100A三相桥式可控整流电路

1、辽宁工业大学（论文）题目:220V/100A三相桥式可控整流电路院（系）:专业班级:学号:学生姓名:指导教师:（签字）起止时间:课程设计（论文）任务及评语学生姓名 专业班级220V/100A 三相桥式可控课题完成的设计任务及功能、要院（系）:教研室:学号课程设计（论文）题目整流电路课程设计（论文）任务求、技术参数实现功能为1台额定电压220V、功率为20kW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、若采用整流变压器,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400

2、0字左右说明书。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。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0220V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20300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:

3、成绩:平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要将交流电变换为直流电（AC-DC）称为整流。现在电子技术的应用已深入到农业、工业、交通、医疗、国防等人们日常生活的各个领域。?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。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。本设计以电力电子技术为基础,实现直流电动机的调速。采用三相桥式可控整流（既三相桥式

4、全控整流）,从而实现为1台额定电压220M功率为20kW的直流电动机提供直流可调电源。本课程设计主要涉及以下几项数据的计算：当口角在30、90情况下的电压Ud、U2,电阻R。通过计算确定晶闸管的额定电压U,电流I,从而确定所需的晶闸管类型为KP50A通过计算确定变压器变比以及变压器容量等。确定选取变压器容量为2*104W变比为2.018的变压器。关键词:整流电路;变压器;晶闸管;电动机;滤波器。目录第1章绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文研究内容1第2章三相桥式可控整流电路设计32.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案32.2 具体电路设计42.2.1 主电路设计42.2.2 控制电

5、路设计92.2.3 保护电路设计112.3 元器件型号选择132.4 系统调试或仿真、数据分析15第3章课程设计总结16参考文献17绪论电力电子技术概况电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术,包括信息电子技术和电力电子技术。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子器件以半导体为基本材料,最常用的材料为单晶硅;它的理论基础为半导体物理学;它的工艺技术为半导体器件工艺。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流,逆变,斩波,变频,变相等）两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术。1974年,美国学

6、者W.Newell用倒三角形对电力电子学进行描述,认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统电力电子电路吸收了电子学的理论基础,根据器件的特点和电能转换的要求,又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路,根据应用对象的不同,组成了各种用途的整机,称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种,它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。它的应用十分广泛,例如直流电

7、动机,电镀,电解电源,同步发电机励磁,通信系统电源等。常分为一下几类:单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路等。本文研究内容本次课程设计的主要针对方向是三相桥式可控整流电路。将380V三相交流电源通过三相桥式可控整流电路为1台额定电压为220V,功率为20KW勺直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。设计任务包括以下几点:方案的经济技术论证主电路设计通过计算选择整流器件的具体型号若采用整流变压器,确定变压器变比及容量触发电路设计或选择绘制相关电路图技术参数:交流电源:三相380V整流输出电压

8、Ud在0220V连续可调整流输出电流最大值100A直流电动机负载根据实际工作情况,最小控制角取20300左右第2章三相桥式可控整流电路设计2.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案一.方案的选择当整流负载容量较大,或要求直流电压脉动较小、易滤波时,应采用三相整流电路。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。在三相整流电路中,应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路,因为三相整流?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,控制滞后时间短。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

9、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,三相桥式整流电路整流后的直流波形不但平稳,而且电源利用率也较高。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寸，考虑到三相负载的平衡,因而采用三相桥式全控整流电路。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多,但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便变得平直,当电感足够大时,负载电流波形可以近似为一条水平线。三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高,和三相半波电路相比,在电源电压相同、控制角一样时,输出电压又提高了一倍。又因为整流变压器二次绕组

10、电流没有直流分量,不存在铁心被直流磁化问题,故绕组和铁心利用率高,所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统,以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。二.系统原理方框图图2.1系统原理方框图整流电路主要由整流主电路,驱动电路、保护电路。2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计一、三相桥式可控整流电路的原理带电阻负载工作情况: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2.2所示图2.2带电阻负载时的电路晶闸管触发角0

11、0时的情况：止匕时，对于共阴极组的3个晶闸管,阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管,则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样,任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态,施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形图如图2.3。00o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。各自然换相点既是相电压的交点,同时也是线电压的交点。从相电压波形看,以变压器二次侧的中点n为参考点,共阴极组晶闸管导通时,整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线;共阳极组导通时,整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线,总的整流输出电压udud1-ud2是两条包络线间的差值,将其对应

12、到线电压波形上,即为线电压在正半周的包络线。将波形中的一个周期等分为6段,每段为60如图2.3所示。6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6,相位依次差60o;共阴极组和阳极组依次差120o;同一相的上下两个桥臂脉冲相差1800。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。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。0c=00时晶闸管承受的电压波形如图2.3所示。图2.3带电阻负载时的波形图中还给出了晶闸管VT1流过电流iVT的波形,由此波形可以看出,晶闸管一周期中有120o

13、处于通态,240o处于断态,由于负载为电阻,故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。当触发角0c改变时,电路的工作情况将发生变化。当0c300时。从3t1角开始把一个周期等分为6段,每段为600与0c=00时的情况相比,一周期中ud波形仍由6段线电压构成,每一段导通晶闸管的编号等仍符合规律。区别在于,晶闸管起始导通时刻推迟了300,组成ud的每一段线电压因此推迟300,ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图2.3所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的1200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

14、通态的1200期间,ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。当0c600时，电路工作情况仍可参考上图分析,ud波形中每段线电压的波形继续向后移,ud平均值继续降低。0c=60o时ud出现了为零的点。由以上分析可见，当w60o时,ud波形均连续，对于电阻负载,id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。当0c60o时，如0c=90o时电阻负载情况下，此时ud波形每60o中有30o为零，这是因为电阻负载时id波形与ud波形一致，一旦ud降至零,id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零,晶闸管关断,输出整流电压ud为零,因此ud波形不能出现负值。如果继续增大至120o,整流输出电压ud波形将全

15、为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路0c角的移相范围是120o。带阻感负载工作情况（电路工作情况与带电阻负载时十分相似）根据本次设计要求,采用负载为阻感的主电路图如下:图2.4三相桥式可控整流电路根据设计要求，输出电压Ud在0220V连续可调。根据三相桥式全控整流电路计算公式：Ud2.34U2cos0c当30时,使电压Ud有最大值Ud2.34U2cos30220V从而得出U2109V,可通过变压器获得。当90时,使电压Ud有最小值Ud2.34U2cos900V,从而实现输出电压Ud在0220V连续可调。整流输出电流最大值100A,IdU/R100A,所以R220/1002

16、.2Q综上可得触发角口取值为3090。下图为三相桥式整流电路带阻感负载30 和 90 的波形图。当a60,Ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似,各晶闸管的通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于由于负载不同,同样的整流输出电压加到负载上,得到的负载电流id波形不同,而阻感负载时,由于电感的作用,使得负载电流波形变得平直,当电感足够大的时候,负载电流的波形可近似为一条水平线。2.5三相桥式全控整流电路阻感负载30度的波形当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

17、部分,若电感L值足够大,Ud中正负面积基本相等,Ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相全控桥式整流电路的口角移相的范围为090图2.6三相全控桥式整流电路带阻感负载90度时的波形2.2.2控制电路设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲。根据设计要求及其分析,选择模拟集成触发电路KJ004。KJ004的工作原理: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。图2.7KJ004的电路原理图如图KJ004的电路原理图所示,点划框

18、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类似。V1V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到VI、V2基极。在uS的正半周,V1导通，电流途径为+15V-R3-VD1-V1-地；在uS负半周,V2、V3导通，电流途径为+15V-R3-VD2-V3-R5-R2115V。因止匕在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|移相控制电压UC分别经R24R23R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时,V6导通。设uC权Ub为定值，改变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

19、导通，电容C2由电源+15V经电阻R7.VD5V7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？(+15V-R25-V6-地)放电并反向充电，当其充电电压uc2A+1.4V时,V7又恢复导通。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R25C2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

20、。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：1KJ004中稳压管VS6VS9r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VD!VD2VD6VD朗隔离二极管。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内有两个相位上相差180的脉冲产生,这样,要获得三相全控桥式整流电路脉冲,只需要三个与主电路同相的同步电压就行了。因此主变压器接成D,yn11及同步变压器也接成D,yn11

21、情况下,集成触发电路的同步电压uSauSb、uSc分别与同步变压器的uSAuSBuSCt目接RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP映同步相位。2.2.3保护电路设计相对于电机和继电器,接触器等控制器而言,电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差,短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数,必须充分发挥器件应有的过载能力。因此,保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。电力电子器件的保护主要指过电压保护和过电流保护。一、过电压保护所谓过压保护,即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值

22、电压Um都称为过电压，其电路图如下:图2.8过电压保护图产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中,对雷击产生的过电压,需在变压器的初级侧接上避雷器,以保护变压器本身的安全;而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压,一般发生在交流侧、直流侧和器件上。电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程,包括换相过电压和关断过电压。二、过电流保护晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时,可能会发生过电流,过电流分过载和短路两种情况,由于晶闸管的热

23、容量较小,以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻,所以一旦过电流结温上升很快,特别在瞬时短路电流通过时,内部热量来不及传导,结温上升更快,晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器,直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑:(1) 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。(2) 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接,在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中

24、。(3) 快熔的值应小于被保护器件的允许值。(4) 为保证熔体在正常过载情况下不熔化,应考虑其时间电流特性。若晶闸管的额定电流取68A,因为快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流,所以快速熔断器的熔断电流为102A。2.3 元器件型号选择由于三相桥式可控整流电路带阻感性负载主电路主要元件是晶闸管和变压器,所以选取元件时主要考虑晶闸管和变压器的参数及其选取原则。一、晶闸管的主要参数如下:额定电压UN在选用晶闸管时,额定电压应为正常工作峰值电压的23倍,以保证电路的工作安全。根据三相桥式可控整流工作原理,晶闸管所承受的最大反向电压U为U2265.9V,可得出UN晶闸管的额定电压UN(23

25、)U(23)*265.9531.8797.7V额定电流INIVTId/,Id100A,IVT57.7AIN(1.52)IVT/1.5755.173.5AIVT(AV)IVT/1.5736.8A通过以上计算分析,在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为KP50A二、变压器的变比及其容量1. 变压器的变比:若将变压器看作是理想变压器,不计变压器的励磁电流,根据变压器的磁动势平衡原理,得I1N1I2N2由此得出变压器的变比KN1/N2U1/U2220/1092.0182. 变压器的容量S:SU1*I1U2*I2U2*Id109*100*1.88*104W考虑到安全性以及损耗问题,变压器应选变比为2.01

26、8,容量为2*104W3. 平波电抗器的确定:如图2.9所示,id波形在一个周期内有部分时间为零的情况,称为电流断续。与此对应,若id波形不出现为0的情况,称为电流连续。当aS时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发电路有足够的宽度，保证当wtS时刻晶闸管开始承受正电压时,触发脉冲依然存在。这样,相当于触发角被推迟为5，即aS.负载为直流电动机时,如果出现电流断流则电动机的机械特性将很软。从图2.9看出，导通角0越小，则电流波形的低部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成正比的,因而为了增大电流平均值必须增大电流峰值,这要求较多地降低反电势。因此,当电流

27、断续时,随着Id的增大,转速降落较大,机械特性较软,相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花,其电流波形底部越窄,则其有效值越大,要求电源的容量也大。图2.9电流波形为了克服以上缺点,一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器,用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感,当u2小于E甚至u2值变负时，晶闸管仍然导通。只要电感量足够大就能使电流连续,晶闸管每次导通180度,这时整流电压ud的波形和电感负载电流连续时的波形相同,ud的计算公式也一样。针对电动机在低速轻载时电流连续的情况,给出ud和id的波形,如图2.10图2.10为保证电流连续所需要的电感值L可由

28、下式求出:Idmin为最小负载电流,一般取电动机额定电流的5%?10%若,取5%,则Idmin20K/220*5%4.55A平波电抗器L2.87*U2/Idmin2.87*109/4.5569H2.4 系统调试或仿真、数据分析运用MATLA歌件对本三相桥式可控整流电路进行系统仿真实验。主电路图如下:图2.11采用阻感负载触发角30时的波形图如下：图2.12第3章课程设计总结该课程设计以一台额定电压220M功率为20KW勺直流电动机提供直流可调电源,以实现直流电机的调速。通过对三相桥式可控整流电路的工作原理的分析以及根据设计要求,确定了以KJ004作为模拟集成出发电路,并通过对KJ004的电路工作原理原理分析实现控制晶闸管的导通时间。为预防由静电感应、雷击或者突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压,需有过压保护电路,在晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时,可能会发生过电流,为此需要快速熔断器措施来进行过电流保护。对整体方