电力电子课设三相可控变流器的设计与仿真

1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书目录绪论11设计方案21.1设计条件与要求22主电路设计及原理32.1主电路设计32.2 主电路原理说明32.3变压器的设计62.4晶闸管选择及参数计算分析73触发电路的设计93.1 电路图的选择94 保护电路的设计114.1晶闸管的过电压保护114.2晶闸管的过电流保护115 MATLAB 建模与仿真125.1 MATLAB建模126总结15参考文献16附录：总电路图17 17课程设计任务书学生姓名： 罗刚 专业班级： 自动化1204 指导教师： 李向明 工作单位： 自动化学院 题目： 三相可控变流器的设计与仿真初始条件：采用三相可控整流电路（三相全控桥

2、、三相半控桥或三相半波整流电路），电阻-电感性负载，R2，电感L=0.02H，额定负载Id20A,电流最大负载电流Idmax25A。进线交流电源：三相380V。要求完成的主要任务：1.三相可控主电路设计及参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额，讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.系统原理分析、设计与仿真。给出仿真模型及晶闸管，直流侧的电压电流仿真波形。5. 提供系统总电路图。课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。应画出单元电路图和整体电路原理图，给

3、出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2014.12.212014.12.22 收集资料2014.12.232014.12.25 系统设计与仿真2014.12.262014.12.27 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 绪论电力技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。电力电子技术中所变换的“电力”和“电力系统”所指的“电力”是有一定差别的。两者都指“电能”，但后者更具体，特指电力网的“电力”，前者更一般些。具体地说，电力电子技术就是使用电子器件对电能进行变换和控制的技术。整流电路就是把交流电能转换为直流电

4、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（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。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。三相可控变流器的设计与

5、仿真1设计方案1.1设计条件与要求1.1.1设计条件 采用三相可控整流电路（三相全控桥、三相半控桥或三相半波整流电路），电阻-电感性负载，R2，电感L=0.02H，额定负载Id20A,电流最大负载电流Idmax25A。进线交流电源：三相380V。1.1.2设计要求 1.三相可控主电路设计及参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额，讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。 2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.系统原理分析、设计与仿真。给出仿真模型及晶闸管，直流侧的电压电流仿真波形。5. 提供系统总电路图。2主电路设计及原理

6、2.1主电路设计图2 三相桥式全控整理电路原理图原理如图2所示，将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从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。2.2 主电路原理说明1. 每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路,其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2. 对触发脉

7、冲的要求：六个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60；共阴极组VT1，VT3，VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4，VT6，VT2也依次差120；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180。3. 整流输出电压Ud一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。2.2 .1阻感负载时的波形分析 当60度时，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。区别在于负载不同时，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，电阻负载时 ud 波形与 id

8、的波形形状一样。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。图3和图4分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0度和=30度的波形。图3 反电动势=0o时波形图4 =30o时的波形当60度时，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5是=90度时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90度。图5 90o时的波形2.3变压器的设计2.3.1变压器参数

9、计算由变压器原理可知 K= 式中、变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 因为L=6.28大于2欧，所以为大电感电路。大电感负载时变压器二次电流的有效值为 由条件可以计算出， 当为0时 选择整流变压器的变比为：变压器二次侧容量为=21.3716.32=348.76VA2.4晶闸管选择及参数计算分析 2.4.1晶闸管的主要参数 1电压定额U选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作是晶闸管所承受峰值电压的2到3倍。 晶闸管承受最大反向电压，所以晶闸管的额定电压为选取150V左右的晶闸管。2额定电流 通态平均电流国标规定通态平局电流为晶闸管在环境温度为40度和规定的冷却状态

10、下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过最大工频正弦半波电流的平均值。 考虑到晶闸管电流的安全裕量为，取裕量为2流过每个晶闸管的电流有效值为，晶闸管的额定电流为 选取20A左右的晶闸管。2.4.2晶闸管电路对电网的影响晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性

11、线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。为防止谐波危害，晶闸管装置可以采取措施抑制谐波，其办法大致有：（1）增加电流相数：一个改变变流装置的电流波形的方法是增加交流装置

12、的脉动数，谐波次数越高，其幅值就越小，增加供电的相数就能显著减小谐波的次数。（2）安装谐波滤波器：常采用的排除大中型变流装置谐波的有效方法是在交流装置输入端对这些谐波分量进行滤波。（3）减小相位角。2.4.4系统功率因数的计算三相桥式全控整流电路中基波和各次谐波的有效值为： n=6k1, k=1,2,3,由此可得以下结论：电流中仅含（k为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。有上述式子可得基波因数为 又因为，电流基波与电压的相位差就等于控制角，故位移因数仍为 功率因数即为把代入计算得 整流电路的输出视在功率为有功功率为3触发电路的设计 设计利用K

13、J004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。3.1 电路图的设计三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图6所示： 图6 双脉冲触发电路4 保护电路的设计 保护电路包括过电流与过电流保护。过电流保护主要包括短路保护和过载保护两种类型。短路保护的特点是整定电流大、瞬时动作。电磁式电流脱扣器(或继电器)、熔断器常用作短路保护元件。过载保护的特点是整定电

14、流较小、反时限动作。热继电器、延时型电磁式电流继电器常用作过载保护元件。通常过电压保护是在线圈两端并联一个电阻、电阻串电容或二极管串电阻，以形成一个放电回路，实现过电压的保护。4.1晶闸管的过电压保护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，电路图如7所示： 图7阻容保护电路4.2晶闸管的过电流保护 方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。 图8快速熔断保护电路5 MATLAB 建模与仿真5.1 MATLAB建模5.1.1三相桥式全控整流器的建模、参数设置 元件参数的设置：图9 元件参数的设置5.1.2绘制电路总图图10电路总图5.1.3模拟仿真 仿真波形如下图

15、所示：图11触发角为0度时ud、id的波形图图12触发角为30度时ud、id的波形图图13触发角为90度时ud、id的波形图6总结 这次电力电子课设对我来说收获很大。首先由于时间的紧迫，所以我要在短时间内做出课程设计任务，这对我还是一个很大的挑战。我先去图书馆和网上查找了相关的资料，深入地学习了课设所要求的知识，对电力电子这门课有了更深入的了解。然后试着去设计电路图，虽然开始还没什么头绪，但通过借鉴相关的资料和向同学咨询，最终还是设计出了自己的电路图。最困难的是电路的仿真，因为matlab这个软件不是很熟悉，所以还要学习怎么使用。在这过程中我学习了软件的使用方法，这对我以后的学习有着很大的帮助

16、。另外，我不仅学习到了书本和理论知识，还学到了很多学习和生活中的道理。当你遇到困难时，不能轻易的就放弃，而是去寻找解决的方法，只要有着刻苦的精神就没有什么事做不到。还有要善于向别人请教知识，因为一个人的认知是有限的，只有不断的学习才能不断增强自己。参考文献1 王兆安，刘进军. 电力电子技术M. 5版. 北京：机械工业出版社，2008.2 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 2版. 北京： 机械工业出版社，2006.3 林渭勋. 现代电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，2006.4 尹克宁. 电力工程M. 北京：中国电力出版社，2008.附录：总电路图图14总电路图本科生课程设计成绩评定表姓 名 罗刚性