1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 目錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc25159 緒論 PAGEREF _Toc25159 1 HYPERLINK l _Toc3781 1方案的設(shè)計 PAGEREF _Toc3781 2 HYPERLINK l _Toc24775 1.1設(shè)計任務(wù)與要求 PAGEREF _Toc24775 2 HYPERLINK l _Toc14230 1.2系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc14230 2 HYPERLINK l _Toc10789 2主電路設(shè)計及原理 PAGEREF _Toc10789 4 HYPERLINK l _Toc

2、12897 2.1主電路設(shè)計 PAGEREF _Toc12897 4 HYPERLINK l _Toc4913 2.2 主電路原理說明 PAGEREF _Toc4913 4 HYPERLINK l _Toc30567 2.3變壓器的設(shè)計 PAGEREF _Toc30567 7 HYPERLINK l _Toc7489 2.4晶閘管選擇及參數(shù)計算分析 PAGEREF _Toc7489 9 HYPERLINK l _Toc16624 3觸發(fā)電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc16624 13 HYPERLINK l _Toc12315 3.1 電路圖的選擇 PAGEREF _Toc12315 13

3、 HYPERLINK l _Toc17958 4 保護電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc17958 14 HYPERLINK l _Toc5143 4.1晶閘管的過電壓保護 PAGEREF _Toc5143 14 HYPERLINK l _Toc16755 4.2晶閘管的過電流保護 PAGEREF _Toc16755 14 HYPERLINK l _Toc25927 5 MATLAB 建模與仿真 PAGEREF _Toc25927 16 HYPERLINK l _Toc12022 5.1 MATLAB建模 PAGEREF _Toc12022 16 HYPERLINK l _Toc4211 6

4、總結(jié) PAGEREF _Toc4211 19 HYPERLINK l _Toc28623 參考文獻 PAGEREF _Toc28623 20 HYPERLINK l _Toc18414 附錄：總電路圖 PAGEREF _Toc18414 21 緒論電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今電力電子技術(shù)已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟建設(shè)、交通運輸、空間技術(shù)、國防現(xiàn)代化、醫(yī)療、環(huán)保和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，進入21世紀后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對電力電子技術(shù)的研究更

5、為重要。近幾年越來越多電力電子應(yīng)用在國民工業(yè)中,一些技術(shù)先進的國家,經(jīng)過電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）

6、。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。三相可控變流器的設(shè)計與仿真1方案的設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)與要求1.1.1主要條件 采用三相可控整流電路（三相全控橋、三相半控橋或三相半波整流電路），電阻-電感性負載，R2，電感L=0.02H，額定負載Id20A,電流最大負載電流Idmax25A。進線交流電源：三相380V。1.1.2主要任務(wù) 1.三相可控主電路設(shè)計及參數(shù)計算，計算整流變壓器參數(shù)，選擇整流元件的定額，討論晶閘管電路對電網(wǎng)的影響及其功率因數(shù)。 2.觸發(fā)電路設(shè)計（觸發(fā)電路的選型，同步信號的定相等）。3.晶閘管

7、的過電壓保護與過電流保護電路設(shè)計。4.系統(tǒng)原理分析、設(shè)計與仿真。給出仿真模型及晶閘管，直流側(cè)的電壓電流仿真波形。5. 提供系統(tǒng)總電路圖。1.2系統(tǒng)原理圖整流電路主要由驅(qū)動電路、保護電路和整流主電路組成。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，在此設(shè)計中采用三相橋式全控整流電路接阻感性負載。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。三相電源輸出三相電源輸出驅(qū)動電路整流主電路負載電路保護電路圖1 系統(tǒng)原理方框圖2主電路設(shè)計及原理2.1主電路設(shè)計其原理圖如圖1所示。圖2 三相橋式全控整理電路原理圖目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理如圖1所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的三個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共

8、陰極組；陽極連接在一起的三個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。2.2 主電路原理說明2個晶閘管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組 各1個，且不能為同1相器件。對觸發(fā)脈沖的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極 組VT

9、1、VT3、VT5的脈沖依次差120。共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣, 故該電路為6脈波整流電路。晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。2.2 .1阻感負載時的波形分析 三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，因為帶反電動勢阻感負載的情況，與帶阻感負載的情況基本相同。 當60度時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘

10、管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流 id 波形不同，電阻負載時 ud 波形與 id 的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖3和圖4分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載=0度和=30度的波形。圖3 反電動勢=0o時波形圖4 =30o時的波形當60度時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。圖5是=90度時的波形。若電感

11、L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。圖5 90o時的波形2.3變壓器的設(shè)計2.3.1整流變壓器參數(shù)計算二次相電壓:平時我們在計算是在理想條件下進行的，但實際上許多影響是不可忽略的。如電網(wǎng)電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。所以設(shè)計時應(yīng)按下式計算：式中 負載的額定電壓； 整流元件的正向?qū)▔航?，一般?V； 電流回路所經(jīng)過的整流元件（VT及VD）的個數(shù)； A 理想情況下=0時與的比值，查表可知； 電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，一般取0.9； 最少移相角，在自動控制系統(tǒng)中總希望值留有調(diào)節(jié)余量，對于可逆

12、直流調(diào)速系統(tǒng)?。?035），不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)?。?015）； C 線路接線方式系數(shù)，查表單相橋式C取0.5V； 變壓器阻抗電壓比，100KVA以下，取=0.05V， 100KVA以上，取=0.050.1V； 二次側(cè)允許的最大電流與額定電流之比。一次與二次額定電流及容量計算：如果不計變壓器的勵磁電流，根據(jù)變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關(guān)系式為： K= 式中、變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)； K變壓器的匝數(shù)比。 大電感負載時變壓器二次電流的有效值為此時，為0?？梢杂嬎愠?， 選擇整流變壓器的變比為：變壓器二次側(cè)容量為=21.3716.32=348.76VA2.4晶閘管選擇及參數(shù)計算分析2.4.

13、1晶閘管的主要參數(shù) 考慮到晶閘管電流的安全裕量為，流過每個晶閘管的電流有效值為，晶閘管的額定電流為 ，。2.4.2晶閘管的選擇原則因為,則晶閘管的額定電流為=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至少應(yīng)大于20A。2.4.3晶閘管電路對電網(wǎng)的影響晶閘管變流設(shè)備一般都是通過變壓器與電網(wǎng)連接的，因此其工作頻率為工頻初級電壓即為交流電網(wǎng)電壓。經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路可以得到一個合適的輸入電壓，是晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分，減小電網(wǎng)污染。在變流電路所需的電壓

14、與電網(wǎng)電壓相差不多時，有時會采用自耦變壓器；當變流電路所需的電壓與電網(wǎng)電壓一致時，也可以不經(jīng)變壓器而直接與電網(wǎng)連接，不過要在輸入端串聯(lián)“進線電抗器”以減少對電網(wǎng)的污染。在分析整流電路工作原理時，我們曾經(jīng)假設(shè)晶閘管是理想的開關(guān)元件，導(dǎo)通時認為其電阻為零，而關(guān)斷時，認為其電阻無窮大。但事實上，晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降。晶閘管裝置中的無功功率，會對公用電網(wǎng)帶來不利影響：1) 無功功率會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。2) 無功功率增加，會使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。3) 使線路壓降增大，沖擊性無功功率負載還會使電壓劇烈波動。晶閘管裝置還會產(chǎn)生諧

15、波，對公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害，包括：1) 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2) 諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。3) 諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會使上述1)和2)兩項的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。4) 諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表不準確。5) 諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

16、為防止諧波危害，晶閘管裝置可以采取措施抑制諧波，其辦法大致有：（1）增加電流相數(shù)：一個改變變流裝置的電流波形的方法是增加交流裝置的脈動數(shù)，諧波次數(shù)越高，其幅值就越小，增加供電的相數(shù)就能顯著減小諧波的次數(shù)。（2）安裝諧波濾波器：常采用的排除大中型變流裝置諧波的有效方法是在交流裝置輸入端對這些諧波分量進行濾波。（3）減小相位角。2.4.4系統(tǒng)功率因數(shù)的計算把代入計算得 整流電路的輸出視在功率為有功功率為3觸發(fā)電路的設(shè)計 控制晶閘管的導(dǎo)通時間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實現(xiàn)產(chǎn)生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。3.1 電路圖的選擇本系統(tǒng)中選擇模擬集成

17、觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。三相橋式全控觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如

18、圖6所示：圖6 雙脈沖觸發(fā)電路4 保護電路的設(shè)計 為了保護設(shè)備安全，必須設(shè)置保護電路。保護電路包括過電流與過電流保護，大致可以分為兩種情況：一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。4.1晶閘管的過電壓保護晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當它承受超過反向擊穿電壓時，也會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)

19、也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護，電路圖如7所示： 圖7阻容保護電路4.2晶閘管的過電流保護 在整流中造成晶閘管過電流的主要原因是：電網(wǎng)電壓波動太大負載超過允許值，電路中管子誤導(dǎo)通以及管子擊穿短路等。所以我們要設(shè)置保護措施，以避免損害管子。 常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，限流與脈沖移相保護，直流快速開關(guān)過電流保護。 快速熔斷器保護是最有效，使用最廣泛的一種保護措施；快速熔斷器的接法有三種：橋臂串快熔，這是一種最直接可靠的保護；交流側(cè)快熔，直流側(cè)快熔，這兩種保

20、護接法雖然簡單，但保護效果不好。 過電流繼電器保護中過電流繼電器開關(guān)時間長（約幾百毫秒）只有在短路電流不大時才有用。限流與脈沖移相保護電路保護比較復(fù)雜。直流快速開關(guān)過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。 總結(jié)的結(jié)果：最佳方案是選用快速熔斷器保護，并采用橋臂串快熔接法。 圖8快速熔斷保護電路5 MATLAB 建模與仿真5.1 MATLAB建模5.1.1三相橋式全控整流器的建模、參數(shù)設(shè)置 元件參數(shù)的設(shè)置：圖9 元件參數(shù)的設(shè)置5.1.2繪制電路總圖圖10電路總圖5.1.3模擬仿真 仿真波形如下圖所示：圖11觸發(fā)角為0度時ud、id的波形圖圖12觸發(fā)角為30度時ud、id的波形圖圖13觸發(fā)角

21、為90度時ud、id的波形圖6總結(jié)轉(zhuǎn)眼間，一個多星期過去了，而在這一個多星期內(nèi)，我們完成了兩個課程設(shè)計，時間顯得多多少少有些緊湊，當然，這也許是這個學(xué)期過得最充實的一個星期了。做課程設(shè)計不再像平時作業(yè)上解一個問題那么簡單，平時你只需要結(jié)果正確基本就沒多大問題，然而課程設(shè)計你卻需要全方面的考慮問題，而你得到結(jié)果的途徑又是多手段的，但是無論哪種途徑你都要清楚每一步步驟。這次課程設(shè)計既可以看做是對以往知識的總結(jié)與回顧，又可以看做是在學(xué)習(xí)新的知識，因為這里面有需要學(xué)習(xí)的新內(nèi)容。這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計我們組分配的題目是三相可控變流器的設(shè)計和仿真，拿到題目以后，我們先分析了下，然后開始分頭找材料，查資料。由于我的電學(xué)知識一直不是很好，所以