直流调速系统设计.doc

1、摘 要整流电路在工业生厂上应用极广。将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。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。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。整流电路的种类有很多，有单相半波整流电路、单相全波整流电路、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

2、流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上，为了适应负载对电源电压大小的要求或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1变成二次侧电压U2。本设计采用三相桥式可控整流（既三相桥式全控整流），从而实现为1台额定电压220V、功率为3kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。关键词：整流电路；变压器；晶闸管；触发电路。 目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2本文研究内容2第2章 三相桥式可控整流电路设计32.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案32.2 具体电路设计52.2.

3、1主电路设计52.2.2触发电路设计72.2.3保护电路设计102.3元器件型号选择122.4系统仿真分析15第3章 课程设计总结17参考文献1819第1章 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺

4、。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要也是应用得最为广泛的电路, 不仅应用于一般工业, 也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。 因此对三

5、相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义, 这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环, 而且对工程实践的实际应用具有预测和指导用。 1.2本文研究内容已知三相交流输入线电压380V，直流电机参数Ue=220V，Pe=3kW，要求整流电压在0220V连续可调。(1) 主电路的设计：由6个晶闸管组成(2) 触发电路的设计：宽脉冲触发 ，双脉冲触发(3) 保护电路的设计：过电压保护，过电流保护(4) 元器件的选择：根据实际情况选择(5) 系统仿真分析：阻感负载时的波形主电路原理：假设将电路中的晶闸管换作二极管，也就相当于晶闸管触发角a=0时的情况。此时，

6、对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。对于三相桥式可控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，须保证同时导通的俩个晶闸管均有脉冲。向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的波动。电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。过电压分为外因过电压和内因过电压。第2章 三相桥式可控整流电路设计2.1 三相

7、桥式可控整流电路总体设计方案 一方案的选择三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少，所以采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载

8、电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高，和三相半波电路相比，在电源电压相同、控制角一样时，输出电压又提高了一倍。又因为整流变压器二次绕组电流没有直流分量，不存在铁心被直流磁化问题，故绕组和铁心利用率高，所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统，以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。二系统原理整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用三相桥式可控整流电路接阻感性负载。晶闸管触发角=0o时的

9、情况：此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。 从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud =

10、ud1ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。380V三相交流电源整流电路 保护电路触发电路负载电路图2.1系统原理方框图2.2 具体电路设计2.2.1主电路设计一. 三相桥式可控整流电路的原理图2.2三相桥式可控整流电路根据设计要求，输出电压Ud在0220V连续可调。根据三相桥式全控整流电路计算公式：Ud=2.34U2cos当=30时，使电压Ud有最大值Ud=2.34U2cos30=220V，从而得出U2=109V，可通过变压器获得。当=90时，使电压Ud有最小值Ud=2.34U2cos90=0V，从而实现输出电压Ud在0220V连续可调。整流输出电流

11、最大值100A，Idmax=Umax/R=100A，所以R=220/100=2.2。综上可得触发角取值为3090。下图为三相桥式整流电路带阻感负载=30和90的波形图。当a60，Ud波形连续，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：由于负载不同，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。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2.3三相桥式全控整流电路阻感负载30度的波形二当a60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

12、不会出现负的部分而阻感负载时，由于电感L的作用，Ud波形会出现负载带阻感负载时，三相全控桥式整流电路的 角移相的范围是90。图2.4三相全控桥式整流电路带阻感负载90度时的波形 2.2.2触发电路设计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。根据设计要求及其分析，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。一KJ004的工作原理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

13、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。原理图如下图2.5 KJ004的电路原理图如图 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类似。V1V4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(+15VR3VD1V1地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(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，V1V3截止，

14、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(+15VR6C1R22RP1(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（即4#端电压）、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

15、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（+15VR25V6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R25C2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，

16、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V9V11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 V13V15放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004中稳压管VS6VS9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、VD6VD8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VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6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180的脉冲产生，这

17、样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，只需要三个与主电路同相的同步电压就行了。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 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。2.2.3保护电路设计相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。因此，保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的重要环节。

18、电力电子器件的保护主要指过电压保护和过电流保护。一.过电压保护所谓过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压，其电路图如下：图2.6过电压保护图产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上。电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

19、，包括换相过电压和关断过电压。二.过电流保护晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。 采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：（1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

20、（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。（3）快熔的值应小于被保护器件的允许值。（4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。若晶闸管的额定电流取68A,因为快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为102A。2.3元器件型号选择由于三相桥式可控整流电路带阻感性负载主电路主要元件是晶闸管和变压器，所以选取元件时主要考虑晶闸管和变压器的参数及其选取原则。一 晶闸管的主要参数如下：额定电压UN根据三相桥式可控整流工作原理，晶闸管所承受的最大反向

21、电压Umax为 U2=265.9V，从而得出UN。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压UN =（23）Umax =（23）*265.9=531.8797.7V额定电流INIVT=Id/，Id=100A，IVT=57.7AIN =（1.52）IVT/1.57=55.173.5AIVT（AV）=IVT/1.57=36.8A通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为KP50A二变压器的变比及其容量1变压器的变比：若将变压器看作是理想变压器，不计变压器的励磁电流，根据变压器的磁动势平衡原理，得 I1N1=I2N2 由此得出变压器的变比K

22、= N1/N2 =U1/U2 =220/109=2.0182变压器的容量S：S= U1 I1 = U2 I2 = U2 Id=109 * 100 = 1.88*104 W考虑到安全性以及损耗问题，变压器应选变比为2.018,容量为2*104 W3平波电抗器的确定如图2.7所示，id波形在一个周期内有部分时间为零的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的情况，称为电流连续。当a时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发电路有足够的宽度，保证当wt=时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲依然存在。这样，相当于触发角被推迟为，即a=.负载为直流电动机时

23、，如果出现电流断流则电动机的机械特性将很软。从图2.7看出，导通角越小，则电流波形的低部就越窄。电流平均值是与电流波形的面积成正比的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多地降低反电势。因此，当电流断续时，随着Id的增大，转速降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花，其电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。图2.7 负载为直流电动机为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了电感，当u2小于E甚至u2值变负时，晶闸管仍然导通。只要电感量足够大就能使电流

24、连续，晶闸管每次导通180度，这时整流电压ud的波形和电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。针对电动机在低速轻载时电流连续的情况，给出ud和id的波形，如图2.8图2.8 低速轻载电流连续的波形图2.8 低速轻载电流连续的波形为保证电流连续所需要的电感值L可由下式求出：Idmin为最小负载电流，一般取电动机额定电流的510，若取5，则Idmin = 20K/220*5=4.55A平波电抗器L=2.87*U2 /Idmin=2.87 * 109/4.55=69H2.4系统仿真分析 1.三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路。运用MATLAB软件对本三相桥式可控整流电路进

25、行系统仿真实验。主电路图如下：图2.9 三相桥式可控整流主电路图2.带电阻电感负载的仿真与带纯电阻负载的仿真方法基本相同, 只需将RLC 串联分支设置为电阻电感性负载, 即负载参数设置为R = 10, L = 0. 01 H, C= inf, 此时的仿真结果如图2.10所示：图2.10 三相桥式整流阻感负载波形图3. 结语利用Mat lab 面向对象的设计思想和自带的电力系统工具箱, 建立了基于Matlab/ Simulink 的三相桥式可控整流电路的仿真模型, 并对其进行比较研究. 对于电路带纯电阻性负载时的工作情况, 验证了当触发角060时, 负载电流是连续的; 当60时, 负载电流不连续

26、, 同时验证了触发角􀀁的移相范围是0 120. 对于电路带电阻电感性负载时的工作情况,验证了当触发角 060时, 负载电流连续; 当60时, 负载电流不连续且出现负的部分, 同时验证了触发角􀀁的移相范围是0 90, 通过仿真分析也验证了笔者所建模型的正确性.第3章 课程设计总结电力电子技术是一门基础性和支持性很强的技术，本学期我学习了这门课程，在学习过程中掌握了电力电子技术的一些基本原理。通过本次课程设计，我对这门课程有了更深的了解，以及对各个知识点有了更好的掌握。本次我的电力电子课程设计题目为三相桥式可控整流电路，将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这

27、种变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。三相桥式可控整流电路由6个晶闸管组成，负载带阻感负载时，三相全控桥式整流电路的 角移相的范围是90。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。过压保护，即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。三相桥式可控整流电路带阻感性负载主电路主要元件是晶闸管和变压器，所以选取元件时主要考虑晶闸管和变压器的参数。最后通过仿真分析也验证了三相桥式可控整流电路阻感负载情况的正确性.虽然本次课程设计已经圆满的结束了，但我深

28、深知道自己做的还不够，动手动脑的实践能力还有很大的提升空间，我会继续努力，学好专业知识，从而强化自己，为将来参加工作打好基础。参考文献1王兆安.电力电子技术.第五版.北京：机械工业出版社,2009.72郝万新.电力电子技术.化学工业出版社, 2002.33孟志强.电力电子技术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.64吕宏.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.15吴雷.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.46李金刚.电力电子技术.基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 7焦宇辉. 一种新的可控硅三相全波整流电路分析方法. 郑州大学学报. 2000.28臧小惠. 基于Simulink 的三相桥式全控整流电路的建模与仿真. 内江科技, 2007.89李传琦. 电力电子技术计算机仿真实验. 北京: 电子工业出版社. 2007.610郑忠杰，吴作海. 电力电子变流技术.第二版. 北京：机械工业出版社，1988.711刘志刚. 电力电子学.第一版. 北京：清华大学出版社，2003.412陈志明. 电力电子器件基础M. 北京：机械工业出版社，1992.313林渭勋. 现代电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，2006.5