电气工程基础课程设计
电气工程基础课程设计
三相桥式整流电路设计
系 别: 自动化工程系
班 级: 08电气技术2
学 号:姓 名: 卢 玉 龙
指导老师:完成时间:2011年11月15日
目录
序言.............................................................................................. 错误!未定义书签。
一 设计方案................................................................................ 错误!未定义书签。
1.1设计任务及要求............................................................. 错误!未定义书签。
1.2方案论证......................................................................... 错误!未定义书签。
1.2.1主电路................................................................... 错误!未定义书签。
1.2.2触发电路............................................................... 错误!未定义书签。
二 单元电路设计........................................................................ 错误!未定义书签。
2.1 主电路............................................................................ 错误!未定义书签。
2.1.1整流桥................................................................... 错误!未定义书签。
2.1.2 触发电路................................................................................................ 4
2.2 保护电路.......................................................................................................... 7
2.2.1晶闸管的保护电路 ...................................................................................... 7
2.2.2交流侧保护电路.......................................................................................... 8
2.2.3直流侧阻容保护电路.................................................................................. 8
三 电路分析及参数计算.......................................................... 错误!未定义书签。9
3.1带阻感负载的波形分析................................................. 错误!未定义书签。
3.2参数计算......................................................................... 错误!未定义书签。
3.2.1整流变压器的选择............................................... 错误!未定义书签。
3.2.2 晶闸管参数的计算及选择.................................. 错误!未定义书签。 四MATLAB仿真 ....................................................................... 错误!未定义书签。
4.1仿真电路图..................................................................... 错误!未定义书签。
4.2仿真结果......................................................................... 错误!未定义书签。
五 设计小结及体会.................................................................... 错误!未定义书签。
5.1小结................................................................................................................. 17
5.2体会................................................................................................................. 17 参考文献...................................................................................... 错误!未定义书签。
序言
整流电路是出现最早的电力电子电路,将交流电变为直流电,电路形式多种多样。当整流负载容量较大,或要求直流电压脉动较小时,应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中,最基本的是三相半波可控整流电路,应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等,均可在三相半波的基础上进行分析。电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。
一 、设计方案
1.1设计任务及要求
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)完成整流电路的设计。电阻-电感性(大电感)负载,R=2.5Ω,负载额定电流Id=20A,a=30度,对主电路设计及参数计算,计算整流变压器参数,选择合适整流元件,设计触发电路;讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数;并用Matlab软件对波形进行仿真分析。
1.2方案论证
三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接,经过变压器的耦合,晶闸管主电路得到一个合适的输入电压,使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护,利用快速熔断器进行过电流保护。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路,利用一个同步变压器对触发电路定相,保证触发电路和主电路频率一致,触发晶闸管,使三相全控桥将交流整流成直流,带动直流电动机运转。
结构框图如图1-1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路电
三个部分。框图中没有表明保护电路。当接通电源时,三相桥式全控整流电路主路通电,同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作,形成触发脉冲使主电路中晶闸管触发导通工作,经过整流后的直流电通给直流电动机,使之工作。
直流电动机
触
发
模 同步电路
触
块发
信
号
图1-1 三相桥式全控整流电路结构图
1.2.1主电路
目前在各种整流电路中,应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路,原理如图1-2所示,习惯将其中阴极链接在一起的三个晶闸管称为共阴极组;样机连接在一起的三个晶闸管称为共阳极组。此外,习惯上希望晶闸管按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三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5,共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2.变压器方面采用1次侧为三角形接法,2次侧为星形接法。
图1-2 三相桥式全控整流电路原理图
1.2.2触发电路
继承电路可靠性高,技术性能好,体积小,功耗低,调试方便。随着集成电路制作技术的提高,晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及,现已逐步取代分立式电路。本设计中将用到KJ系列的集成块。
(KJ004的电路原理图见触发电路的设计拦),从图中可以看出,它与分立元件的锯齿波移相触发电路相似。可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。
只需要用是哪个KJ004集成块和一颗KJ041集成块,即可形成六路双脉冲,再由六个晶体管进行脉冲放大,即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路,原理图见触发电路的设计拦。
以上触发电路均为模拟的,其优点是结构简单、可靠,但缺点是易受电网电压影响。
二 、单元电路设计
2.1 主电路
如图2-1所示,为三相桥式全控带阻感负载,习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组;阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。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。晶闸管的导通顺序为 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。变压器为(星-三角)型接法。变压器二次侧接成星形得到零线,而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。
图2-1 三相桥式全控整流电路带阻感负载原理图
2.1.1 三相全控桥的工作特点
1、2个晶闸管同时通形成供电回路,其中共阴极组和共阳极组 各1个,且
不能为同1相器件。
2、 对触发脉冲的要求:
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,即VT1与VT4,VT3与VT6, VT5与VT2,
脉冲相差180。
3、 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。
4、 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同,晶闸管承受最大正、反向电
压的关系也相同。
2.1.2 触发电路
控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲,常用的触发电路有单结晶体管触发电路,设计利用KJ004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。
1、集成触发电路:
图2-2 KJ004的电路原理图
本系统中选择模拟集成触发电路KJ004,KJ004
可控硅移相触发电路适用于
单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。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。原理图如图2-2。
2、KJ004的工作原理:
如图2-2 KJ004的电路原理图所示,点划框内为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相似。V1~V4等组成同步环节,同步电压uS经限流电阻R20加到V1、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-R21―(―15V))。因此,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|<0.7V时,V1~V3截止,V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。
电容C1接在V5的基极和集电极之间,组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时,C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时,电流经(+15V-R6-C1-R22-RP1-(-15V))对C1充电,形成线性增长的锯齿波,锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知,在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生,并且两者有固定的相位关系。
V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6>+0.7V时,V6导通。设uC5、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获得基极电流而导通,电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7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uc2≥+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R25和C2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V9~V11放大后输出脉冲。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 V13~V15放大后输出负相脉冲。说明:
(1) KJ004中稳压管VS6~VS9可提高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VD1、VD2、VD6~VD8为隔离二极管。
(2) 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路,二极管VD1~VD12组成六个或门形成六路脉冲,并由三极管V1~V6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 的脉冲产生,这样,要获得三相全控桥式整流电路脉冲,需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成D,yn11及同步变压器也接成D,yn11情况下,集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc分别与同步变压器的uSA、uSB、uSC相接 RP1~RP3为锯齿波斜率电位器,RP4~RP6为同步相位
3、集成触发器电路图:
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2-3所示:
图2-3集成触发电路图
2.2 保护电路
为了保护设备安全,必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护,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R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等;另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的数值。
本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置,故考虑第一种保护方案,分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。
2.2.1晶闸管的保护电路
1、晶闸管的过电流保护:过电流可分为过载和短路两种情况,可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt,可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制;对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图2-3所示:
图2-3串联电感及熔断器抑制回路
2、晶闸管的过电压保护:晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前,将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时,因反向恢复电流很快截止,通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压,即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害,一般在元件的两端并联RC电路。如图2-4所示:
图2-4并联RC电路阻容吸收回路
2.2.2 交流侧保护电路
晶闸管设备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非正常运行中也有过电压出现,所以要进行过电压保护,可采用如图2-4所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整流电路正常工作时,保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值,输出电流很小,从而减小了保护元件的发热。过电压出现时,该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路,电容将吸取过电压能量转换为电场能量;过电压消失后,电容经 、 放电,将储存的电场能量释放,逐渐将电压恢复到正常值。
图2-4反向阻断式过电压抑制RC电路
2.2.3 直流侧阻容保护电路
直流侧也可能发生过电压,在图2-5中,当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时,因直流侧电抗器释放储能,会在整流器直流输出端造成过电压。另外,由于直流侧快速开关(或熔断器)切断负载电流时,变压器释放的储能也产生过电压,尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压,仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来,为此,直流侧也应该设置过电压保护,用于抑制过电压。
图2-5 直流侧阻容保护
三、 电路分析及参数计算
3.1带阻感负载的波形分析
三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电(即用于直流电机传动),下面主要分析阻感负载时的情况,因为带反电动势阻感负载的情况,与带阻感负载的情况基本相同。
当α≤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 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3-1和图3-2分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负
载α=0度和α=30度的波形。
图2-2中除给出ud波形和id波形外,还给出了晶闸管VT1电流 iVT1 的波形,可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见,在晶闸管VT1导通段,iVT1波形由负载电流 id 波形决定,和ud波形不同。 图3-3中除给出ud波形和 id 波形外,还给出了变压器二次侧a相电流 ia 的波形,在此不做具体分析。
图3-1 触发角为0度时的波形图 图3-2 触发角为30时的波形图
当α>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3-3给出了α=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α角移相范围为90度。
图3-3 触发角为90时的波形图
3.2参数计算
3.2.1 整流变压器的选择
由系统要求可知,电阻-电感性(大电感)负载,R=2.5Ω,负载额定电流Id=20A,a=30度。变压器一次线电压接220V。
整流电压平均值:
Ud=Id*R=20*2.5V=50V (公式1)
变压器二次侧相电压为:
U2=Ud/(2.34*cosa)=50/(2.34*cos30)V=24.67V (公式2) 变比为:
K=U1/U2=220/24.67=9.0 (公式3) 二次侧电流计算:
I2=0.816*Id=0.816*20A=16.32A (公式4) 一次侧电流计算:
I1=I2/K=16.32/9A=1.81A (公式6) 所以变压器的容量分别如下:
变压器次级容量为:
S1=3*U2*I2=3*24.67*16.32W=1208W (公式7) 变压器初级容量为:
S2=3*U1*I1=3*220*1.81W=1194.6W (公式8) 变压器容量为:
S=(S1+S2)/2=1201.3W (公式9)
变压器参数归纳如下:初级绕组三角形接法U1=220V ,I1=1.81A ;次级绕组星形接法,U2=24.67V ,I2=16.32A ;容量选择为1201.3W。
3.2.2 晶闸管参数的计算及选择
1、晶闸管的额定电压
由三相全控桥式整流电路的波形(图3-3)分析知,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=Urm=2.449*U2 (公式10)
故桥臂的工作电压幅值为:
Um=2.449*24.67V=60.43V (公式11)
考虑裕量,则额定电压为:
Un=(2~3)Um=(2~3)60.43V=(121~181)V (公式12)
2、 晶闸管的额定电流
晶闸管电流的有效值为:
Ivt=Idmax/1.732=25/1.732A=43.3A (公式13)
考虑裕量,故晶闸管的额定电流为:
Ivt(av)=(1.5~2)Ivt/1.57=(1.5~2)43.3/1.57A=(41~55)A (公式14)
四、MATLAB仿真
4.1仿真电路图
1、 根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图,如图4-1。
图4-1三相桥式全控整流电路仿真图
2、仿真参数设置:交流电压源Ua、Ub、Uc等于U2为24.67V,频率为50Hz,Ua相序为0度,Ub相序为-120度,Uc相序为-240度。RC中的参数为:R为1欧,L为0H,C为(1e-6)F。RL中的参数为:R的参数为2.5欧,L(平波电抗器)的参数为80e-3H。算法(solver)ode15s,相对误差(relative tolerance)1e-3,开始时间0结束时间0.05s,如图4-2。
图4-2
3、6脉冲发生器参数设置,频率50Hz,占空比10%,如图
4-3
图4-3
4、通用桥参数设置如图4-4所示:
图4-4
5、电源参数设置,频率50hz,电压24.67V,其相角度分别为0°、-120°、-240°
如图4-5、图4-6、图4-7
。
图4-5
图4-6
图4-7
4.2仿真结果
在下面的仿真图中Ud、Id为负载电压(V)和负载电流(A)。
、触发角为0度是的波形 1
图4-8 触发角为0度时Ud、Id的波形图
2、 触发角为30度时的波形
图4-9 触发角为30度时Ud、Id的波形图
3、触发角为90度时的波形
图4-10 触发角为90度时Ud、Id的波形图
五 设计小结及体会
5.1小结
由仿真出的触发角分别为0度、30度和90度的Ud、Id波形图和图4-8、图4-9、图4-10比较可知,三相桥式全控整流电路接阻感负载时,在负载电感足够大以使负载电流连续的情况下,电路工作情况与电感负载时相似,电路中各处电压、电流波形均相同。
5.2体会
通过本次课程设计三相半波整流电路,让我有很多感受和体会,深切的感受到了电子技术在日常生活中的广泛应用,更加理解理论联系实际的意义,为以后的工作、学习奠定了基础。
本次课程设计中主要还是通过查阅课本、图书馆相关资料并上网查有关芯片的引脚图才得以顺利完成。在同学的帮助下设计出了电路,通过MATLAB仿真成功,同时也意识到了自己的一些不足之处,对课本非重点知识理解不够深入,比如KJ004,不知道具体如何使用,以后应该加强对课本知识的理解,不能局限于考试的内容。
设计过程中不仅要参考书本上知识,还要有些自己的东西加进去,设计出电路以后可以考虑从另一个方面着手再设计一个方案,看可行性如何,尽可能的将各种方案的优点集中到一个方案上来。
完成了本次课程设计,有种如释重负的感觉,同时也感到一点点自豪,可以用学到的知识完成一个看似平常但却包含很多知识的器件,大大提高了学习电子技术的积极性。这不仅仅是个人的成功,还得多亏同学们的帮助才能顺利完成本次设计。以后的学习生活中,大家更要相互帮助、学习,集思才能广益,才能创作出好的作品。希望以后会有更多的让自己动手实践的机会来提高自己的实践能力。同时,在平时要要求自己多看书,多查阅相关资料,完备自己的知识体系,相信在以后的实践活动中会做出更好的作品。
参考文献
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