三相可控整流技術(shù)課程設(shè)計

1、<p><b>　　一 設(shè)計方案</b></p><p>　　1.1設(shè)計任務(wù)及要求</p><p>　　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（大電感）負載，R＝2.5Ω，額定負載Id＝20A,電流最大負載電流Idmax＝25A。保證電流連續(xù)的最小電流為Idmin＝5A。并完成三相可控主電路設(shè)計及參數(shù)計算，計算整流變壓

2、器參數(shù)，選擇整流元件的定額，觸發(fā)電路設(shè)計，討論晶閘管電路對電網(wǎng)的影響及其功率因數(shù)。</p><p><b>　　1.2方案論證</b></p><p><b>　　1.2.1 主電路</b></p><p>　　方案一：采用三相半波可控整流，三相半波整流電路的變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)只能接成三角形，避免三次諧波流

3、入電網(wǎng)，其主電路采用三個晶閘管分別接三相電源，三相半波可控整流電路的主要缺點在于其二次電流中含有直流分量，使得鐵芯容易磁化，一般比較少用。</p><p>　　方案二：采用三相橋式全控整流電路，三相全控橋相當(dāng)于兩個三相半波整流的串聯(lián)，是運用最廣泛的整流電路，其主電路有六個晶閘管，習(xí)慣分為共陰極組和共陽極組，由于需要保證同時有兩個晶閘管導(dǎo)通，一般采用雙脈沖觸發(fā)。</p><p>　　方案三：

4、三相半控橋式整流，在中等容量的整流裝置或要求不可逆的電力拖動中，可采用比三相全控整流電路更簡單、經(jīng)濟的三相橋式半控整流電路，它相當(dāng)余把三相全控橋的共陰極的晶閘管換為二極管，但是其缺相時容易發(fā)生故障。</p><p>　　橋式整流電路中的晶閘管可以用全控型器件IGBT替代，但雖然IGBT控制更加靈活和準確，但是其成本比較高，且控制電路要求高，所以一般對于不需要逆變的整流電路多采用晶閘管。</p>&l

5、t;p>　　通過綜合考慮，在本設(shè)計中采用三相全控橋式整流電路。</p><p>　　1.2.2 觸發(fā)電路</p><p>　　方案一：可以依據(jù)觸發(fā)電路的原理，自己用基本元件設(shè)計，但是這種電路的可靠性不高，工作不穩(wěn)定且原理設(shè)計復(fù)雜。</p><p>　　方案二：采用專門的集成芯片，用于產(chǎn)生各種電力電子器件觸發(fā)脈沖的集成芯片有很多，而且工作穩(wěn)定，性價比高，且電路簡

6、單便于使用，常用的用于產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖的芯片有KC041、KC04、TC785、TC787等，TC787和TC785是新一代產(chǎn)品，更便于控制和使用。</p><p>　　方案三：采用單片機產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，單片機結(jié)合外圍器件來控制可控硅的觸發(fā)。同時，還將鎖相環(huán)技術(shù)及過零觸發(fā)的方法引入觸發(fā)脈沖的生成中，提高了觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性以及對稱性。此外，還可采用軟件編程得到觸發(fā)角可調(diào)的觸發(fā)脈沖。單片機對三相全波全控橋整流觸發(fā)的控

7、制。這對提高三相全波全控橋整流裝置的可靠性具有積極作用。</p><p>　　通過綜合考慮，本設(shè)計采用TC787集成芯片做為觸發(fā)電路的主體用來產(chǎn)生移相可達0-180度，且脈沖寬度可調(diào)的觸發(fā)電路。</p><p>　　1.2.3 控制電路</p><p>　　方案一：控制TC787的管腳4的電壓來改變觸發(fā)角，其電壓范圍為0-15V對應(yīng)的觸發(fā)角為0-180度，可以通過滑

8、動變阻器來改變管腳4的電壓來實現(xiàn)連續(xù)調(diào)壓。</p><p>　　方案二：通過單片機對輸出電壓采樣，在經(jīng)過PID算法，輸出控制管腳4的電壓，這種控制是閉環(huán)控制，輸出電壓更加穩(wěn)定，而且更加方便于監(jiān)控和控制。</p><p>　　考慮到設(shè)計的復(fù)雜度，本次設(shè)計采用比較簡單的方案一。</p><p>　　TC787還可以通過改變管腳13上的電容來改變脈沖寬度，一般采用可調(diào)電容

9、或固定電容。</p><p><b>　　二 單元電路設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1 主電路</b></p><p><b>　　2.1.1 整流橋</b></p><p>　　本設(shè)計中采用的三相全控橋由六個晶閘管組成，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的三個晶閘管（V

10、T1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的三個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控制角都是α。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓 為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的 最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發(fā)的順序是 1-2-3-4-5-6，晶

11、閘管是這樣編號的：晶閘管 VT1 和 VT4 接 a 相，晶閘管 KP3 和 VT6 接 b 相，晶管 VT5 和 KP2 接 c 相。 晶閘管 VT1、VT3、VT5 組成共 陰極組，而晶閘管 VT2、VT4、VT6 組成共陽極組。 為了搞清楚α變化時各晶閘管 的導(dǎo)通規(guī)律，分析輸出波形的變化 規(guī)則，下面研究幾個特殊控制角， 先分析α=0 的情況，也就是在自然 換相點觸發(fā)換相時的情況,圖2.1是電路接線圖。具體工作原理見第三章。 <

12、;/p><p><b>　　圖2.1</b></p><p>　　2.1.2 觸發(fā)電路</p><p>　　圖2.2為TC787在六相整流電路中的應(yīng)用電路，圖中變壓器二次側(cè)的電壓為30V，圖中電容C8、C10、C12為隔直耦合電容，而C7、C9、C11為濾波電容，它與R7、R8、R11構(gòu)成濾去同步電壓中毛刺的環(huán)節(jié)。另一方面隨RP1~RP3三個電位器

13、的不同調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)0~60°的移相，從而適應(yīng)不同主變壓器接法的需要。在同步信號為50HZ時，鋸齒波充電電容建議采用1μF電容，相對誤差小于5%，以鋸齒波線性好，幅度大，不平頂為宜，幅度小可減小電容值，產(chǎn)生平頂則增大電容值。引腳13端連接的電容Cx容量決定著TC787輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，則脈沖寬度越寬，在同步信號為50HZ時，建議采用0.1uf電容。脈沖經(jīng)過放大和脈沖變壓器相耦合以達到隔離的目的，如下圖所示：<

14、/p><p><b>　　圖2.2</b></p><p><b>　　2.2 輔助電路</b></p><p>　　2.2.1 保護電路</p><p>　　1 晶閘管的過電壓保護</p><p>　　晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時，也會被反向

15、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)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。</p><p>　　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RCD保護，電路圖如圖2.4</p><p><b>　　圖2.3</b></p><p&

16、gt;　　2 晶閘管的過電流保護</p><p>　　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。</p><p>　　快速熔斷器保護是最有效，使用最廣泛的一種保護措施。</p>

17、<p><b>　　圖2.4</b></p><p><b>　　3 交流側(cè)保護</b></p><p>　　電源變壓器初級側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵磁電流突然切斷，鐵心中的磁通在短時間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級感應(yīng)出很高的瞬時過電壓，這種過電壓可用阻容保護。由于電容兩端的電壓不能突變，可以限制變壓器次級的電壓變化率，因而限制了瞬時

18、電壓上升的水平。電容器把變壓器鐵心的磁能轉(zhuǎn)化成電容電能。串聯(lián)的電阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振蕩。</p><p>　　變壓器一次側(cè)阻容吸收裝置如圖2.5所示，變壓器二次側(cè)阻容吸收電路如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.5 變壓器一次側(cè)阻容吸收電路 圖2.6 變壓器二次側(cè)阻容吸收電路</p><p>　　2.2.2 控制電路

19、</p><p>　　優(yōu)于對整流的輸出電壓要有必要的調(diào)節(jié)，需要對觸發(fā)角進行改變，TC787可以通過改變管腳4的電壓來改變觸發(fā)角，其電壓0-15V與對應(yīng)的觸發(fā)角為0-180度。如下圖所示：</p><p><b>　　圖2.7</b></p><p>　　系統(tǒng)的總體電路見附錄。</p><p>　　三 電路分析及參數(shù)計算&

20、lt;/p><p>　　3.1帶阻感負載的波形分析</p><p>　　1 圖3.1為 ＝0 、大電感負載時的電壓電流波形。</p><p>　　由三相半波電路分析可知，在共陰極組的自然換相點t1、t3、t5時刻，分別觸發(fā)T1、T3、T5晶閘管，而在共陽極組的自然換相點t2、t4、t6時刻，分別觸發(fā)T2、T4、T6晶閘管，兩組自然換相點對應(yīng)相差60，電路各自在本組內(nèi)換流

21、，即T1T3T5T1...，T2T4T6T2...，每個管子輪流導(dǎo)通120，為了使電流通過負載、并有輸出電壓，必須在共陰極和共陽極組中各有一個晶閘管同時導(dǎo)通。在t1～t2期間，a相電壓較正，b相電壓較負，在觸發(fā)脈沖作用下，T1、T6管同時導(dǎo)通，電流從a相經(jīng)T1負載T6流回b相，負載上得到a、b相線電壓。t2開始，a相電壓仍保持電位最高，但c相電壓開始比b相更負，此時脈沖Ug2觸發(fā)T2導(dǎo)通，迫使T6承受反壓而關(guān)斷，負載電流從T6換到T2。

22、依此類推?？傊?，三相橋式全控整流電路中，晶閘管導(dǎo)通的順序是6、1，1、2，2、3，3、4，4、5，5、6，6、1...。這時，共陰極組輸出電壓波形是三相相電壓正半周的包絡(luò)線，共陽極組輸出負半周的包絡(luò)線。三相橋式全控整流的輸出電壓ud為兩組輸出電壓之和，是電壓波形正負包絡(luò)線之間的面積，所以ud波形為三相相電壓正半周的包絡(luò)線。</p><p>　　當(dāng)控制角 0 時，輸出電壓波形發(fā)生變化，圖3.2（a）、（b）、（c

23、）、（d）分別為 ＝30、60、90、及120時的波形。從圖中可見，當(dāng) 60時，ud波形均為正值；當(dāng)60 90時，由于L自感電勢的作用，ud波形瞬時值出現(xiàn)負值，但正面積大于負面積，平均電壓Ud仍為正值；當(dāng) ＝90時，正負面積相等，Ud=0；當(dāng) 90時，ud波形斷續(xù)，由于ud接近于零，id太小，晶閘管無法導(dǎo)通。因此當(dāng) ＝120時，如圖3.1（d）所示，出現(xiàn)不規(guī)則的雜亂波形。</p><p>　　2 在負載是阻感性

24、負載時，理想狀態(tài)下電感電流沒有脈動，但實際運用中電感值有限，會出現(xiàn)電流的脈動，在VT1脈沖到來，VT1、VT5換流時，電流再次增長，使得電感存儲能量進一步減少，電流脈動相應(yīng)增加，反之脈動則減少，所以為了維持電路中的最小連續(xù)電流需要在電路中加入電抗器，也就是加入一個適當(dāng)值的電感，使得電路能維持最小電流。</p><p><b>　　3.2參數(shù)計算</b></p><p>

25、;　　3.2.1 電壓電流參數(shù)</p><p>　　1 當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a≤60時）的平均值為： </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，在這里取最大電流為30A，則整流器輸出的最大電壓為：</p><p>　　2 晶閘管額定電流、額定電壓的選

26、擇：</p><p>　?。?）晶閘管承受最大正向電壓為，為變壓器二次線電壓峰值，即</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　?。?）晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><

27、;p>　　3 晶閘管上流過電流為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　選用晶閘管時，額定電壓要留有一定裕量通常取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。額定電流也要留一定裕量，一般取額定電流為通態(tài)平均電流的1.5~2倍。</p><p>　　4 維持最小電流所需的電感量為：</p>

28、<p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　綜上所述，選用的晶閘管的型號為MJYS-ZL-WL-100，其額定電流為100A，承受的最大電壓為1200V。取變壓器的容量為1200V.A。其變比為380V/39V。</p><p>　　3.2.2 保護電路參數(shù)</p><p>　　1 變壓器一次側(cè)阻容吸收裝置<

29、/p><p>　　變壓器每相平均容量：</p><p>　　阻容值可用下式計算：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式中, —變壓器每相平均計算容量(VA)</p><p>

30、　　—變壓器次級相電壓有效值(V) </p><p>　　—變壓器勵磁百分數(shù)，10～1000KVA的變壓器，對應(yīng)的；</p><p>　　—變壓器的短路比，10～1000KVA的變壓器，對應(yīng)的。</p><p>　　—變壓器短路電壓比，100KV·A以下取，容量越大越大；</p><p>　　在此取，，代入式(3-6)

31、</p><p><b>　　由(4.14)得：</b></p><p><b>　　實取, 。</b></p><p>　　因為，電容的耐壓值。</p><p>　　是阻容兩端在正常工作時交流電壓的有效值，。</p><p><b>　　。</b>&

32、lt;/p><p><b>　　所以，電容的耐壓值</b></p><p><b>　　電阻功率</b></p><p>　　所以，一次側(cè)阻容裝置為，650V，3支，繞線電阻取，，3支。</p><p>　　2 變壓器二次側(cè)阻容吸收裝置</p><p>　　三相二次側(cè)保護電路如圖

33、2.7所示，為阻容吸收保護電路。變壓器二次繞組和阻容保護電路均采用Y連接的方法，它的R、C計算公式為：</p><p>　　所以， (3-8)</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　代入式(4.15)得：</p><p>　　代入式(4

34、.16)得：</p><p><b>　　實取，。</b></p><p><b>　　取電容的耐壓值</b></p><p>　　所以，實取變壓器二次側(cè)電容：，450V，3支，電阻為，，3支。</p><p>　　3 晶閘管過電壓保護電路，經(jīng)查資料可得 </p><p&g

35、t;<b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　（3-11）</b></p><p>　　式中，為通過晶閘管的最大電流，為最大電壓，為關(guān)斷時間，為開通時間。經(jīng)計算可得RC保護電路的參數(shù)為：C=100uf,R=2Ω。</p><p>　　3.3電路對電網(wǎng)的影響及其他</p><p>

36、　　對于帶阻感負載的三相全控整流電路，其功率因素為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　現(xiàn)將三相整流交流側(cè)的輸入功率因素定義為：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　P為整流裝置重交流電源獲得的有功功率，Q為無功功率，從功率因素的

37、定義可知，如果供電系統(tǒng)傳遞的有功功率P保持恒定，那么，功率因素的惡化使系統(tǒng)的視在功率和無功功率增加，它對系統(tǒng)的嚴重影響表現(xiàn)在一下幾個方面：</p><p>　　1 總電流I增加時電力系統(tǒng)的器件（如變壓器、電氣設(shè)備、導(dǎo)線等）容量增大，使供電系統(tǒng)及用戶的設(shè)備投資費用增大；</p><p>　　2 總電流I增大，使用電設(shè)備及傳輸線路損耗增加，每相的損耗為：</p><p>

38、;<b>　　(3-14)</b></p><p>　　式中，R為設(shè)備及線路的損耗等效電阻；U為電網(wǎng)供電電壓 ，,</p><p>　　.可見，不僅傳輸有功功率要產(chǎn)生損耗，傳輸無功功率也同樣要產(chǎn)生損耗。</p><p>　　3 無功功率的增大會引起供電電壓的波動</p><p>　　我們用r和x來分別代表線路電子和電抗，

39、則電壓壓降為</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　在電力系統(tǒng)中x>>r,因此，當(dāng)系統(tǒng)電抗值一定，電壓波動和系統(tǒng)無功功率的變化成正比，即</p><p>　　所以對于有相控整流電網(wǎng)，有必要在電網(wǎng)中添加無功功率補償裝置。</p><p>　　四 MATLAB仿真</p>

40、;<p><b>　　4.1仿真電路圖</b></p><p>　　設(shè)計過程中采用matlab中的simulink進行模擬電路仿真，如下圖4.1所示：</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　通過仿真可以觀察電路的輸出電壓、電流波形以及幅值以及通過各個晶閘管的電流波形和電壓波形，對電

41、路的分析有重要作用。仿真過程中通過調(diào)整constant的值來調(diào)整觸發(fā)角，觀察實時波形。</p><p><b>　　4.2仿真結(jié)果</b></p><p>　　各仿真結(jié)果如下所示：</p><p>　　Scope、Scope2、Scope3依次為輸出電流、輸出電壓、VT1電壓波形：</p><p><b>　　

42、圖4.2</b></p><p><b>　　圖4.3</b></p><p><b>　　圖4.4</b></p><p><b>　　圖4.5</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　這

43、是本學(xué)期第一個課程設(shè)計。這次我的課程設(shè)計題目是三相橋式全控整流電路的設(shè)計，由于這是電力電子技術(shù)課程的重點，老師也反復(fù)強調(diào)的知識點，這次課程設(shè)計的基本原理自然也基本上理解了。在弄懂了設(shè)計原理后，首先要用MATLAB進行仿真，用Simulink搭建模塊，進行仿真實驗，根據(jù)要求設(shè)計相關(guān)參數(shù)，模塊搭建好后，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角得到了不同的波形。由于開始沒有加濾波裝置，所得仿真波形與理論結(jié)果還是有較大差別的，后來在老師的提醒后加入了濾波裝置，才得到比較

44、理想的波形。由于觸發(fā)電路比較復(fù)雜，所以直接使用了Simulink里面原有的脈沖發(fā)生模塊。在仿真實驗中比較關(guān)鍵的是參數(shù)的設(shè)置。</p><p>　　通過此次課程設(shè)計，我從完全不懂到逐漸了解，再到基本學(xué)會使用Matlab和Protel,它們都是與我們專業(yè)密切聯(lián)系的軟件。其中掌握了用Matlab對電力電子電路進行仿真，觀察波形，調(diào)整參數(shù)等操作。當(dāng)然這次實驗有遇到了不少的困難，也出現(xiàn)了不少的錯誤，反映出基礎(chǔ)知識的某些地方

45、還有薄弱的地方。通過自己查找資料，苦心探索實踐，與同學(xué)討論學(xué)習(xí)，使我進步了許多，學(xué)到了很多東西。不論是在基礎(chǔ)理論上還是思維能力、動手能力上都有了比較大的提高。此外，由于這次課程設(shè)計是五人一組，經(jīng)過此次歷練后提高了我的協(xié)調(diào)合作能力。很高興有這么一次課程設(shè)計的機會，我想它將對以后的學(xué)習(xí)和今后的工作帶來一定的好處。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>

46、　　本文是在石黃霞老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。石老師以其嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業(yè)設(shè)計過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于單相交流調(diào)壓方面的知識，實驗技能有了很大的提高。 </p><p>　　另外，我還要特別感謝同學(xué)對我實驗以及論文寫作的指導(dǎo)，她為我完成這篇論文提供了巨大的

47、幫助。還要感謝，李曉楠和戴威同學(xué)對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。 </p><p>　　最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 4版. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　

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