PAGE遼寧工業大學電力電子技術課程設計（論文）題目：串聯多重12脈可控整流電路（440Ｖ／200Ａ）院（系）：電氣工程學院專業班級：學號：學生姓名：指導教師：起止時間：2015-12-24至2015-1-3本科生課程設計（論文）PAGEPAGEII課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院教研室：電氣學號學生姓名專業班級課程題目串聯多重12脈可控整流電路（440Ｖ／200Ａ）課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能采用多脈整流，以減小輸出直流的脈動，為1臺額定電壓440V、功率為85kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現直流電動機的調速。設計任務1、方案的經濟技術論證。2、主電路設計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、確定變壓器變比及容量。5、觸發電路設計或選擇。6、繪制相關電路圖。7、進行matlab仿真。8、完成設計說明書。要求文字在4000字左右。文中的理論分析與計算要正確。文中的圖表工整、規范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數1、交流電源：三相380V。2、整流輸出電壓Ud在0～440V連續可調。3、整流輸出電流最大值200A。4、直流電動機負載。5、根據實際工作情況，最小控制角取20～300左右。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發電路設計；第9天：總結并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績平時：論文質量：答辯：總成績：指導教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質量60%答辯20%以百分制計算摘要隨著科學技術的不斷進步，電力電子技術發展迅速，應用十分廣泛，它改善了社會的生產方式和我們的生活方式，尤其是晶閘管的發明是電力電子技術的又一次革命。整流電路作為一種發現最早的電力電子電路，它利用晶閘管的特性，可以將交流電變為直流電供給用電設備，即（AC-DC）。但是隨著生產技術的不斷創新，整流裝置的功率也在不斷加大，它所產生的諧波、無功功率對電網的干擾也越來越嚴重，如果我們采用多重化整流電路（串聯或并聯）可減少輸入電流諧波，提高總體功率因數，使輸出電壓更平滑。本文用《電力電子技術》所學的知識采用串聯多重12脈整流，為1臺額定電壓440V、功率為85kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現直流電動機的調速。首先設計串聯多重12脈整流的主電路，用multisim畫出主電路，分析觸發電路對晶閘管的控制，設計保護電路，然后對電路參數進行計算和分析并確定元器件型號，最后利用matlab進行電氣仿真，對設計結果進行驗證。串聯多重12脈整流是比較重要的一個整流電路，也是應用得比較廣泛的電路，不僅應用于一般工業，也廣泛應用于交通運輸、電力系統、通信系統、能源系統等其他領域。關鍵詞：整流電路；觸發電路；保護電路；12脈整流目錄TOC\o"1-3"\f\h\z31969第1章緒論 1299061.1電力電子技術概況 125461.2本文設計內容 13812第2章多重12脈可控整流電路設計 3167812.1多重12脈可控整流電路總體設計方案 3311782.2具體電路設計 3251792.2.1主電路設計 3120292.2.2觸發電路設計 5183092.2.3保護電路設計 736652.3元器件型號選擇 896532.3.1晶閘管參數計算與選擇 813772.3.2變壓器參數計算與選擇 8310492.3.3平波電抗器的參數的確定 960092.3.4快速熔斷器參數的確定 9304952.4系統仿真 10291212.4.1仿真軟件簡介 1073132.4.2串聯12脈整流仿真模型建立 10219312.4.3仿真波形及數據分析 1413308第3章課程設計總結 1922415參考文獻 2025826附錄Ⅰ 2125273附錄Ⅱ 22PAGE22緒論電力電子技術概況可以認為，電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。它包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。具體來說，是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。電力變換分為四大類即交流變直流，交流變交流，直流變直流，直流變交流。電力電子技術的不斷進步給電氣工程現代化巨大推動力，是電氣工程這一學科保持活力的重要源泉。1956年美國貝爾實驗室發明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司開發出第一支晶閘管產品，于1958年商業化，性能明顯勝過貢弧整流器。是晶體管發明和應用后的又一次電子技術革命。電化學工業、鐵道電氣機車、鋼鐵工業、電力工業的迅速發展也給晶閘管發展提供了用武之地。20世紀70年代后期，尤其是20世紀80年代以后各種高速、大功率、全控型的器件先后問世，并獲得迅速發展.。門極可關斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR、電力場效應晶體管PowerMOSFET等。電力電子技術不僅應用于一般工業，也廣泛應用于交通運輸、電力系統、通信系統、能源系統等其他領域。并且在減小體積和重量、提高效率、增加快速性以及增高電壓、擴大電流、提高頻率等方面均會有較大的進展，也被稱為是節能技術。從人類對宇宙和大自然的探索到國民經濟的各個領域，再到我們的衣食住行，都能感受到電力電子技術的魅力，一代又一代學者和工程技術人員不斷突破，使今天的電力電子技術具有全新面貌。本文設計內容隨著整流裝置的功率進一步增大，它所產生的諧波，無功功率等對電網的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用12脈、18脈等整流電路。將幾個整流電路多重聯結可以減少交流側輸入電流諧波，而對晶閘管多重整流電路采用順序控制的方法可提高功率因數。本文是用《電力電子技術》所學的知識采用串聯二重12脈整流，以減小輸出直流的脈動，為1臺額定電壓440V、功率為85kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現直流電動機的調速。先設計12脈整流的主電路，闡述串聯多重12脈整流電路的工作過程及波形；分析觸發電路對晶閘管的控制；分析設計保護電路，然后對電路參數進行計算和分析并確定元件型號，并且根據所算出的各種參數值確定所用器件的額定值，熟練掌握晶閘管及整流管的工作特性，最后利用matlab進行電氣仿真，對設計結果進行驗證。利用變壓器二次側繞組接法不同，使兩組三相交流電源間錯開30°，輸出電壓在每個交流電源周期中脈動12次。整流變壓器二次繞組一個Y接，另一個角接構成相位相差30°、大小相等的兩組電壓，兩組整流橋串聯后再接到負載。，變壓器的一次側和兩組二次側繞組的匝數比為1：1：QUOTE，輸出電壓Ud=Ud1+Ud2,電流Id=Id1=Id2.采用多重聯結并不能提高位移因數，但能使交流輸入電流諧波大幅減小，提高總體功率因數。

多重12脈可控整流電路設計多重12脈可控整流電路總體設計方案由于并聯12脈波整流電路帶有平衡電抗器，而串聯12脈波整流電路沒有，其對材料的消耗大于串聯12脈波全控整流電路，它的成本也比串聯12脈波全控整流電路高，而且其接線也比串聯12脈波全控整流電路復雜。根據以上分析比較，本次設計采用串聯12脈波整流電路比較合適。整流電路主要由觸發電路、保護電路和整流主電路組成。根據設計任務，將三相380V交流電源經變壓器變壓后，再經整流電路整流輸出帶脈動的直流電，其中保護電路為保證此整流電路安全可靠的工作，驅動電路是整流電路的觸發電路，控制整流后輸出直流電壓Ud在0～440V連續可調。在此設計中采用串聯12脈波整流，方框圖如圖2.1所示。圖2.1方框圖具體電路設計主電路設計主電路用multisim繪制（其中觸發電路對晶閘管控制和保護電路也畫出），二次側為星接和角接兩組橋串聯。圖2.2串聯多重12脈整流電路主電路圖圖2.2是移相30°構成串聯二重聯結電路的原理圖，利用變壓器二次繞組接法的不同，分別采用Y接和△接，使兩組三相交流電源間相位錯開30°，其大小相等，從而使輸出整流電壓在每個交流電源周期中脈動12次。因為繞組接法不同，變壓器一次繞組和二次繞組的匝數比為1：1：。將兩組3相橋串聯，輸出電壓Ud=Ud1+Ud2,電流Id=Id1=Id2。多重整流電路，利用二次側繞組接法不同可以大幅減少交流側輸入電流諧波，能在一定程度上提高總體功率因數，使輸出電壓更平滑，具有備用功能，在工業生產起著重要作用。圖2.3移相30串聯2重連結電路的輸入電流波形觸發電路設計為了保證電路合閘后能工作，或在電流斷續后再次工作，每個星接或者角接電路必須有兩個晶閘管同時導通，對將要導通的晶閘管施加觸發脈沖，由于星接和角接只是相位不同，原理相同都是三相橋式可控電路，故以下只要對其中一種進行研究即可。KJ041電路內部原理圖如圖2.4，圖中輸出端如果接3DK4作功率放大，可得到800mA的觸發脈沖電流。使用2塊KJ041電路相應輸人端并聯，二個控制端分別作為正反組控制輸入端，輸出接12個功率放大管，這樣就可組成一個12脈沖正反組控制可逆系統，控制端邏輯“0”電平有效圖2.4KJ004內部原理圖圖2.5KJ041引腳圖KJ004電氣參數：1. 電源電壓：直流+15V、-15V，允許波動5%(10%時功能正常)。2. 電源電流：正電流15mA，負電流10mA。3. 同步電壓：任意值。4. 同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值）5. 移相范圍1700(同步電壓30V,同步輸入電阻15k )6. 鋸齒波幅度：10V(幅度以鋸齒波平頂為準)。7. 輸出脈沖：(1) 寬度：400S—2mS(通過改變脈寬阻容元件達到)。(2) 幅度：13V.(3) 最大輸出能力100mA(流出脈沖電流)。(4) 輸出管反壓：BVCEO18V(測試條件Ie100A)。8.正負半周脈沖相位不均衡30。9.使用環境溫度為四級：C：0—70R：-55—85E：-40—85M：-55—125`圖2.6觸發電路圖（6脈）集成觸發電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊構成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可。KJ041內部是由12個二極管構成的6個或門。VT1-VT6為輸出。選用兩個集成觸發并聯就可以控制12脈了。保護電路設計（一）過電流保護電力電子電路運行不正常或發生故障時，可能會發生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。可采用多種保護措施。其中快速熔斷器，直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施。對于晶閘管初開通時引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯入電感進行抑制；對于整流橋內部原因引起的過流可以采用接入快速熔斷器進行保護。圖2.7過電流保護（二）過電壓保護電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓，雷擊過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括：換向過電壓和關斷過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端和變壓器二次側并聯RC電容。圖2.8阻容過電壓保護元器件型號選擇晶閘管參數計算與選擇輸出電壓:Ud=Ud1+Ud2,電流:Id=Id1=Id2晶閘管的有效值：晶閘管通態平均電流：所選晶閘管電流值為：在三相橋式整流電路中，晶閘管所承受最大反向電壓值為,為二次側相電壓有效值。其中Ud=0-440V,Ud1=Ud2<=220V，為可靠換相，取α=30°，則因為存在±10％的波動，則所求晶閘管電壓值安全裕量，則所選晶閘管電壓值為。所以，星接三相全控整流電路的晶閘管應選取200A，1000V的晶閘管，型號由網上查得為KP200-1000。變壓器參數計算與選擇變壓器的一次側和兩組二次側繞組的匝數比為1：1：。對iA進行傅里葉分析，可得其基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn公式：（單橋時為QUOTE）即輸入電流諧波次數為12k±1，其幅值與次數成反比而降低。該電路的其他特性如下：直流輸出電壓:位移因數:，功率因數：變壓器的容量：S=S1+S2由設計要求，變壓器相電流有效值為Id1=Id2=Id<=200A，Id<=200A的變壓器相電流有效值為：從2.3.1晶閘管的參數計算知：U12=120.7V那么因為二次側第二個橋是△接：，所以S=S1+S2=93.2(KV?A)除功率因數外,變壓器容量一般要比負荷留20%的余量.則變壓器的容量要大于112KV?A。平波電抗器的參數的確定查閱資料得知：平波電抗器臨界電感的計算公式為：L1=K1U2Φ/Idmin（mH）K1—考慮不同電路時臨界電感的計算系數見三相橋式全控橋K1取0.693（可以看成兩個三相橋式串聯）L中包括整流變壓器的漏電感，電樞電感和平波電抗器的電感。前者數值都較小，有時可忽略。Idmin一般取電動機額定電流的5%~10%。因此：L1=0.693*108.6/(200*0.05）=7.8mHL2=0.693*188/(85000*0.05/440)=13.5mHL=L1+L2=21.3mH快速熔斷器參數的確定（一）過電流保護：由晶閘管的參數計算知：=與晶閘管串聯的快速熔斷器所能承受的最大電流應為1.25-1.5倍的Ivt，即145~174A,所以選用電容為0.5uF的熔斷器。（二）過電壓保護：由晶閘管的參數計算知：=所以流經熔斷器的電流為116A，查表知，選用電容為0.5uF的熔斷器和阻值為10Ω的電阻。系統仿真仿真軟件簡介Matlab(MatrixLaboratory)是由Mathworks公司推出的當前國際上最流行的數學分析軟件,是一種以矩陣為基本編程單元的程序設計語言。它能夠完成各種矩陣的運算與操作,并有較強的數據可視化功能。由于Matlab具有矩陣運算和繪圖功能,許多控制系統的專家編寫了一些具有特殊功能的工具箱(Toolbox),如控制系統工具箱(ControlSystemToolbox)、電力系統工具箱、系統識別工具箱、小波信號工具箱、信號處理工具箱等。1992年Mathworks公司又推出的交互式模型輸入與仿真環境Simulink使得Matlab為控制系統的仿真與CAD應用打開了嶄新的局面。利用Simulink的模塊的功能,對電力電子系統層面的仿真變得十分方便和容易。Matlab是MathWorks集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便、界面良好的用戶環境。它還包括了Toolbox(工具箱)的各類問題的求解工具，可用來求解特定學科的問題。其特點是：(1)可擴展性：Matlab最重要的特點是易于擴展，它允許用戶自行建立指定功能的M文件。對于一個從事特定領域的工程師來說，不僅可利用Matlab所提供的函數及基本工具箱函數，還可方便地構造出專用的函數。從而大大擴展了其應用范圍。當前支持Matlab的商用Toolbox(工具箱)有數百種之多。而由個人開發的Toolbox則不可計數。(2)易學易用性：Matlab不需要用戶有高深的數學知識和程序設計能力，不需要用戶深刻了解算法及編程技巧。(3)高效性：Matlab語句功能十分強大，一條語句可完成十分復雜的任務。如fft語句可完成對指定數據的快速傅里葉變換，這相當于上百條C語言語句的功能。它大大加快了工程技術人員從事軟件開發的效率。據MathWorks公司聲稱，Matlab軟件中所包含的Matlab源代碼相當于70萬行C代碼。在使用時直接調用即可對于特殊的元件也可以通過Matlab程序建立數學模型調入使用。對同一個元件,有時SIMULINK提供了不同的模型,技術人員應根據仿真對象的實際情況和仿真的目的合理地進行選擇,這對于最后得到的仿真結果是否精確以及仿真計算時間的長短是非常重要。而針對系統層面的仿真應該在滿足精度要求的情況下盡量縮短仿真計算的時間,尤其是對復雜系統進行仿真時合理地選擇元件模型往往能起到事半功倍的效果。串聯12脈整流仿真模型建立用matlab中的simulink模塊來進行仿真，器件來自SimPowerSystem圖2.9串聯12脈沖整流電路的仿真圖模型參數設置：三相對稱交流電壓源參數設置：三相對稱交流電壓源的幅值設為380V，頻率為50Hz，相位分別設0、-120°、120°。三相變壓器參數設置：采用三繞組三相變壓器，一次側繞組采用Y接，二次側繞組分別采用Y接和△接。為便于觀察，三個繞組的額定電壓分別取380V、220V、220V。三相晶閘管整流橋參數設置：默認值。同步脈沖觸發器設置：頻率為50Hz，脈沖的寬度取10，選擇雙脈沖觸發，選定觸發角為50度。電機負載參數設置：選用SeriesRLCLoad，Vn=440V，P=85e3。大電感L取500H平波電抗器取260H電路仿真時間設為0.1s，數值算法采用ode23tb參數設置如圖2.10-2.13所示圖2.10三相變壓器參數設置圖2.11觸發參數設置圖2.12電動機負載參數設置圖2.13仿真時間和算法參數仿真波形及數據分析圖2.14三相電源波形圖2.15輸出電壓波形取圖2.15中0.01-0.03S來看（因為0.02S為一周期），可知是輸出頻率為50Hz，亦可清晰看出電壓波形在一個周期內脈動12次。（一）90度觸發時：圖2.1690度觸發輸出電流波形圖2.1790度觸發輸出電壓波形圖2.16和2.17為觸發90度時輸出電流電壓的波形，公式所以當觸發角90度時Ud=0V，輸出電壓波形正確圖2.1890度觸發輸出電壓Ud1和Ud2波形圖2.18是觸發角90度時Ud1和Ud2的波形，驗證了Ud1=Ud2，Ud=Ud1+Ud2圖2.1990度觸發Uvt波形（二）20度觸發時圖2.2020度觸發輸出電流波形圖2.2120度觸發輸出電壓波形圖2.21是觸發角20度時電壓和電流的波形，這時的輸出電壓是440V（可由上下端和一半得出），也就是說要想得到輸出電壓0~440V可調，就讓觸發角在20度到90度之間即可。圖2.2220度觸發Uvt波形圖2.23輸入電流波形圖2.23為輸入電流波形，可以看出Ia2比Ia1滯后30°，IA為Iab2折算到一次測電流與Ia1之和。對波形iA進行傅里葉分析，可得其基波幅值Im1和n次諧波幅值Imn。（單橋時為QUOTE）即輸入電流諧波次數為12k±1，其幅值與次數成反比而降低。三相橋式整流都有6k±1次諧波，由傅立葉分解式可以看出，由于采用移相變壓器,兩組變壓器的副邊電流的5、7、17和19次諧波數值相同，符號相反，相互抵消,只剩下11、13、23和25次諧波，相比6脈動整流電路而言，12脈動整流電路可以很好的抑制某些特定次數的諧波，諧波含量更小。課程設計總結通過本次電力電子課設，加深了我對電力電子專業知識的理解，自己動手查閱資料，下載安裝軟件，用multisim畫主電路圖和保護電路，用matlab畫電路進行仿真，在這些過程中難免遇到困難，理論知識和仿真設計還是有一定差異的，很多參數都是經過不斷計算和試驗得出的，尤其是matlab中的觸發參數和負載的參數，都是靠不斷的討論和思考解決了這些問題，提高了我的獨立自主的學習能力，堅定了我遇到困難總有辦法解決的決心。完成這個課設開始我翻閱書籍，查閱資料找出串聯12買整流電路的主電路和它的原理，通過變壓器二次側采用星接和角接兩組橋串聯的方法使兩組三相電源間錯開30度，這樣輸出電壓在每個交流電源周期中脈動12次，合成中最低次諧波頻率為600Hz，諧波次數為12K±1次，大大降低了輸入電流的諧波含量。然后設計觸發電路以及保護電路，保護電路分過流和過壓保護。接著計算晶閘管，變壓器，熔斷器的各個參數，最后對課程的設計進行仿真，觀察仿真的波形得出結論，同時驗證了我們所學的知識，選取合適的觸發角度（20°~90°）使輸出電壓在0~440V可調。根據設計所給的參數值計算出的理論值與在實際應用當中考慮到諸多因素的實際值相差很大。本課設中所選用的器件參數及主電路屬于理論上的考慮，在許多方面還有待改進。串聯12脈整流電路輸出電壓脈動較6脈波整流電路小，同時很好地抑制輸入電流中某些特定次數的高次諧波，降低了輸入電流的總諧波含量，從而在一定程度上提高系統的功率因數，因此在大功率整流電路中有著重要的應用。參考文獻王兆安劉進軍主編.《電力電子技術》第五版.北京：機械工業出版社,2009郝萬新主編《電力電子技術》化學工業出版社,2002HYPERLINK"/writer/%E5%BC%A0%E