三相桥式可控整流实验装置.docx
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三相桥式可控整流实验装置
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计(论文)
题目:
三相桥式可控整流实验装置
院(系):
专业班级:
学号:
学生姓名:
指导教师:
(签字)
起止时间:
至
课程设计(论文)报告的内容及其文本格式
1、课程设计(论文)报告要求用A4纸排版,单面打印,并装订成册,内容包括:
①封面(包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等)
②设计(论文)任务及评语
③中文摘要(黑体小二,居中,不少于200字)
④目录
⑤正文(设计计算说明书、研究报告、研究论文等)
⑥参考文献
2、课程设计(论文)正文参考字数:
2000字
周数。
3、封面格式
4、设计(论文)任务及评语格式
5、目录格式
①标题“目录”(小二号、黑体、居中)
②章标题(小四号字、黑体、居左)
③节标题(小四号字、宋体)
④页码(小四号字、宋体、居右)
6、正文格式
①页边距:
上2.5cm,下2.5cm,左3cm,右2.5cm,页眉1.5cm,页脚1.75cm,左侧装订;
②字体:
一级标题,小二号字、黑体、居中;二级,黑体小三、居左;三级标题,黑体四号;正文文字,小四号字、宋体;
③行距:
20磅行距;
④页码:
底部居中,五号、黑体;
7、参考文献格式
①标题:
“参考文献”,小二,黑体,居中。
②示例:
(五号宋体)
期刊类:
[序号]作者1,作者2,……作者n.文章名.期刊名(版本).出版年,卷次(期次):
页次.
图书类:
[序号]作者1,作者2,……作者n.书名.版本.出版地:
出版社,出版年:
页次.
课程设计(论文)任务及评语
院(系):
电气工程学院教研室:
电气工程及其自动化
学号
学生姓名
专业班级
课程设计(论文)题目
三相桥式可控整流实验装置
课程设计(论文)任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为了电力电子技术课程的教学实验,设计此装置,使学生通过该装置测试、观察三相桥式可控整流的各个参数及波形,通过实验验证所学的理论知识。
设计任务
1、方案的经济技术论证。
2、主电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、若采用整流变压器,确定变压器变比及容量。
5、触发电路设计或选择。
6、绘制相关电路图。
7、完成4000字左右说明书。
要求
1、1、文字在4000字左右。
2、2、文中的理论分析与计算要正确。
3、3、文中的图表工整、规范。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源:
三相380V。
2、整流输出电压Ud在0~110V连续可调。
3、整流输出电流最大值5A。
4、负载:
纯电阻、阻感、直流电动机。
5、根据实际工作情况,最小控制角取20~300左右。
进度计划
第1天:
集中学习;第2天:
收集资料;第3天:
方案论证;第4天:
主电路设计;第5天:
选择器件;第6天:
确定变压器变比及容量;第7天:
触发电路设计;第8天:
在实验室调试;第9天:
总结并撰写说明书;第10天:
答辩。
指导教师评语及成绩
平时:
论文质量:
答辩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日
注:
成绩:
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。
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。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
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(可减小电网与电路间的电干扰和故障影响)。
整流电路的种类有很多,有半波整流电路、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、三相桥式全控整流电路等。
关键词:
整流;变压;滤波;
第1章绪论
可控整流技术概况
电力电子技术的应用已经深入到国家的经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保和人们日常生活的各个领域。
进入新世纪以后电力电子技术的应用更加广泛。
有人预言,电力电子技术和运动控制一起,将和计算机技术共同成为未来科技的两大支柱。
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。
具体地说,就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
通常把电力电子技术分为电力电子制造和变流技术两个分支。
变流技术也称为电力电子器件的应用技术,它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制技术,以及由这些电路构成电路电子装置和电力电子系统的技术。
“变流”不仅指交直流之间的交换,也包括直流变直流和交流变交流的变换。
如果没有晶体管及电力晶体管等电力电子器件,也就没有电力电子技术,而电力电子技术主要用于电力变换。
因此可以认为,电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础,而变流技术则是电力电子技术的核心。
电力电子器件的制造技术的理论基础是半导体物理,而变流技术的理论基础是电路理论。
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种,它将交流电变为直流电。
三相桥式可控整流电路已经成为目前应用最为广泛的整流电路。
本文研究内容
本文通过对三相桥式可控整流电路的构成原理分析,完成设计一款三相桥式可控整流电路实验装置。
设计任务包括:
1,方便电力电子技术实验教学使用
2,使学生通过该装置测试、观察三相桥式可控整流的各个参数及波形
3,通过实验验证所学的理论知识
第2章三相桥式可控整流电路设计
三相桥式可控整流电路总体设计方案
设计一个三相桥式可控整流电路,其交流电源为三相380V电压源,经过整流的输出电压在0~110V连续可调。
输出电流最大值为5A,最小控制角为20~300可调。
通过对三相桥式全控电路的分析,选用晶体管的电力电子器件,其市场价格比较合适,而且比较耐用
其系统框架原理图如下:
图2.1系统框架原理图
通过学生控制实验装置的控制端,改变输入电压,经过三相桥式全控整流电路主电路整流,学生可以通过示波器观察不同输入电压下的不同输出波形。
具体电路设计
主电路设计
阻感性负载
三相桥式全控整流电路主回路接线如图2.2所示。
三相整流变压器△/Y接法,以利减小变压器磁通、电势中的谐波。
整流桥由6只晶闸管组成,以满足整流元件全部可控的要求。
由于习惯上希望晶闸管的导通按1→2→3→4→5→6顺序进行,则晶闸管应按图示进行标号。
分析中假定,ωLd>>Rd,为大电感负载,负载电流id连续平直。
图2.2三相桥式全控整流电路
(1)α=0°
图2.3为α=0°时,大电感负载下的电压、电流波形。
三相桥式电路在任何时刻必须有两个晶闸管同时导通,一个在共阴极组,一个在共阳极组以构成回路。
这样,负载上获得的是相应相间的线电压。
比较相、线电压波形可以看出,相电压的交点与线电压的交点在同一位置上,使得线电压的交点同样也是自然换流点。
这样,分析三相桥式全控电路工作过程时,可以直接在线电压波形上根据给定控制角来求取直流电压波形。
图2.3三相桥式全控整流电路波形(电感性负载,α=0°)
(2)0°<α≤60°
图2.4为α=30°时的整流电路电压波形,其中直流电压ud波形可以直接从线电压u2l波形上分析求得。
图2.4还给出了负载电流id、晶闸管VT1上电流iT1及变压器副边a相电流ia的波形。
图2.4三相桥式全控整流电路波形(电感性负载,α=30°)
图2.5三相桥式全控整流电路波形(电感性负载,α=60°)
(3)α>60°
α>60°后,线电压瞬时值将过零变负,此时由于流过负载电感Ld中的电流有减小趋势,使得Ld上感应出顺晶闸管单向导电方向的自感电势eL,这样作用在导通晶闸管对上的阳极电压为(u2L+eL)。
由于负载电感足够大,使得在下一对晶闸管触发导通之前能保证(u2L+eL)>0,尽管线电压过零变负,仍能保证原导通的晶闸管对继续导通,直流电压ud中出现了负电压波形。
图2.6为α=90°时的ud与uT1电压波形。
图2.6三相桥式全控整流电路波形(电感性负载,α=90°)
(4)基本数量关系
直流平均电压Ud计算如下
(2-1)
由上式可见三相桥式全控整流电路带电感负载时的移相范围为90°。
晶闸管电流与三相半波时相同,即晶闸管电流平均值为
(2-2)
晶闸管电流有效值为
(2-3)
变压器次级绕组电流为正、负对称的矩形波电流,其平均值为零,有效值为
(2-4)
晶闸管承受的最大正、反向峰值电压与三相半波时相同,为线电压峰值
(2-5)
(5)对触发脉冲的要求
在电感性负载下每个晶闸管各导通1/3周期(120°),共阴极与共阳极组同相元件导通时间上互差半个周期(180°),使得三相整流电路中的晶闸管将按1→2→3→4→5→6的顺序导通,且两相邻序号晶闸管的导通时间上互差60°。
这样一个导通的顺序也就是各元件上门极触发脉冲的顺序,触发电路必须按此顺序依次将触发信号施加到对应晶闸管门极之上。
整流电路在正常工作中,后一号元件触发导通时前一号元件正在工作,确保了任何时刻共阳极组和共阴极组都各有一元件导通以构成回路。
但电源刚合闸时,必须同时触发一对晶闸管电路才能启动。
此外在电阻性负载α>60°后,电流将出现断续,电路中电流每次均是从无到有,都相当于一次电路启动。
为了保证整流电路合闸后能正常启动或者电流断续后能再次导通,必须使共阳极组及共阴极组内应导通的一对晶闸管同时具有触发脉冲。
图2.7三相桥式全控整流电路的触发脉冲(α=0˚)
有两种脉冲形式可以达到这一要求:
一种是采用宽度大于60°而小于120°的宽脉冲触发,如图2.7b所;另一种方法是在触发某一号晶闸管时,同时给前一号晶闸管补发一脉冲。
如图2-7c)所示,两次脉冲之间相隔60°,故称双窄脉冲触发。
纯电阻负载
(1)α≤60°
设负载电阻大小为Rd。
当α≤60°时,直流电压ud及直流电流id连续,每个晶闸管导通120°,直流电压、晶闸管上承受的电压与电感性负载时相同。
图2.8给出了α=60°时的波形图。
可以看出,α=60°是电阻负载下电流连续与否的临界点。
当α>60°后,由于线电压过零变负时,无负载电感产生的自感电势保证晶闸管继续承受正向阳极电压,元件即被阻断,输出直流电压为零,电流变为不连续,不再出现电感负载时那种ud为负值的情况。
图2.8电阻性负载(α=60°)
(2)α=90°
图2.9给出了α=90°时的电压波形、晶闸管VT1的电流iT1及电压uT1波形。
图2.9电阻性负载(α=90)
控制设计
晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
晶闸管具有下面的特性:
1)当晶闸管承受反向电压时,无论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通。
2)晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
3)晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,不论门极电压如何变化,晶闸管都保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。
4)晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。
图2.10触发电路电路图
根据晶闸管的这种特性,通过控制晶闸管的导通和关断时刻,就能控制整流电路的触发角的大小。
在整流电路合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路的正常工作,需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。
在触发某个晶闸管的同时,给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。
即用两个窄脉冲代替宽脉冲,两个窄脉冲的前沿相差60o,脉宽一般为20o~30o,称为双脉冲触发。
双脉冲电路较复杂,但要求的触发电路输出功率小。
触发电压的形成用KJ004芯片完成。
KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见下图:
锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。
对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。
触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大,R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。
KJ004芯片内部结构如图2.11所示。
图2.11KJ004芯片内部结构图
双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成,KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路,具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。
实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制,适用于正反组可逆系统。
KJ041的1-6脚管为单脉冲信号输入。
把单脉冲信号由10-15脚管两两同时输出形成双脉冲信号,10-15脚管两两同时输出对应输送给VT6-VT1晶闸管。
(1)假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号,则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号,即只有15脚管和14脚管有信号输出,其他脚管没信号输出,则此时VT1和VT2同时导通;
(2)再过60度后,15脚管停止输出信号,而13脚管开始给VT3输出信号,即只有14脚管和13脚管有信号输出,其他脚管没信号输出,此时VT2和VT3同时导通;
(3)再过60度后,14脚管停止输出信号,而12脚管开始给VT4输出信号,即只有13脚管和12脚管有信号输出,其他脚管没有输出信号,此时VT3和VT4同时导通;
(4)再过60度后,13脚管停止输出信号,而11脚管开始给VT5输出信号,即只有12脚管和11脚管有信号输出,其他脚管没有信号输出,此时VT4和VT5同时导通;
(5)再过60度后,12脚管停止输出信号,而10脚管开始给VT6输出信号,即只有11脚管和10脚管有信号输出,其他脚管没有信号输出,此时VT5和VT6同时导通;
(6)再过60度后,11脚管停止输出信号,而15脚管开始给VT1输出信号,即只有10脚管和15脚管有信号输出,其他脚管没有信号输出,此时VT6和VT1同时导通;
重复以上步骤即得到三相桥式全控整流电路要求的触发信号。
保护电路设计
一过电压保护
电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接,电源变压器的绕组与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容,如图2.12所示。
图2.12交流则过电压
变压器一般为降压型,即电源电压u高于变压器次级电压。
电源开关断开时,初、次级绕组均无电压,绕组间分布电容电压也为0,当电源合闸时,由于电容两端电压不能突变,电源电压通过电容加在变压器次级,使得变压器次级电压超出正常值,它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。
在进行电源拉闸断电是也会造成过电压,在通电的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到0,由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压,因为电压为Ldi/dt,在电感一定得情况下,电流的变换越大,产生的过电压也越大。
这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关,在正弦电流的最大值时断开电源,产生的di/dt最大,过电压也就越大。
可见,合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。
在电力电子设备的负载电路一般都为电感性,如果在电流较大时突然切除负载,电路中会出现过电压,熔断器的熔断也会产生过电压。
另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化,从而产生过电压。
上述过电压都发生在电路正常工作地状态,一般叫做操作过电压。
雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压,这类过电压发生地时间和幅度的大小都是没有规律的,是难以预测的。
二过电流保护
电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值,即为过电流。
过电流有过载荷短路两种情况。
常用的过电路保护措施如图3所示。
一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。
针对某种电力器件,可能有些保护措施是有效的而另外一些是无效的或不合适的,在选用时应特别注意。
图2.13过流保护电路图
交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值,然后来控制交流电流继电器,当交流电流超过整定值时,过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开,切除故障电流。
应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值,否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作,由于器件耐受过电流的时间极短,在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。
来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路,当电流超过整定值时,将所有驱动信号的输出封锁,全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断,过电流随之消失;半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后,未导通的晶闸管不再导通,而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断,但经一定的时间后,电流衰减到0,器件关断。
这种保护方式由电子电路来实现,又叫做电子保护。
与断路器保护类似,电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。
快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施,与其它保护措施配合使用。
根据电路的不同要求,快速熔断器可以接在交流电源侧(三相电源的每一相串接一个快速熔断器),也可以接在负载侧,还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。
接法不同,保护效果也有差异。
熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。
撬杠保护多应用于大型的电力电子设备,电路中电流检测、电子保护都是必需的,同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。
其保护原理如下:
当检测到的电流信号超过整定值时,触发保护用的晶闸管,用以旁路短路电流,晶闸管支路中可接一个小电感用以限制di/dt;驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件,以分散短路能量,让所有器件分担短路电流;使交流断路器断开,切断短路能量的来源。
经一段时间的衰减短路能量消失,起到保护作用。
元器件型号选择
为是电路正常工作,现对其元器件参数进行确定。
在选用晶闸管时,额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍。
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电压为
U2。
Ud=2.34U2
U2=Ud/2.34
U2=54.282V
Umax=
*54.282=132.968V
晶闸管的额定电压UN=(2~3)Umax=(2~3)*132.968=265.936V~398.904V
额定电流IN
Ud=110V时,控制角量按
=30º计算,已知整流输出电压Ud在0~110V连续可调、整流输出电流最大值5A:
当
=5
时,流过每个晶闸管的电流有效值为:
=
=
5A=2.89A
IN=(1.5~2)It/1.57=2.76A~3.68A
晶闸管额定电流
=
=2.89/1.57=1.84A
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T212—10螺栓型普通晶闸管。
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
变压器的变比K=N1/N2=U1/U2=380/54.282=7
2.变压器的容量S:
S=
U1*I1=
U2*I2=
U2*Id=
*54.282*5=470.096VA
考虑到安全性以及损耗问题,变压器应选变比为7,容量为500VA
系统调试或仿真、数据分析
运用MATLAB软件对本三相桥式可控整流电路进行系统仿真实验。
采用阻感负载触发角α=30时的波形图如下:
三相桥式全控整流电路中,整流输出电压
的波形在一个周期内脉动6次,且每次脉动的波形相同,因此在计算其平均值时,只需对一个脉波(即1/6周期)进行计算即可。
此外,因为
所以电压输出波形是连续的,以线电压的过零点为时间坐标的零点,可得整流输出电压连续时的平均值为。
把
和U2=54.282V代入式(2-1)计算有。
=2.34*54.282*0.866
=110V
输出电流平均值为5A。
变压器二次侧电流Ia为
代入数值计算得
=0.816*5
=4.08A
基波因数为
电流基波与电压的相位差仍为а,故位移因数仍为
功率因数即为
把
代入计算得
=0.955*0.866
=0.82
第3章课程设计总结
本学期,迎来了大学阶段的第一次课程设计—电力电子课程设计。
我设计的题目为三相桥式可控整流实验装置。
初看题目,有些茫然。
感觉很难,但是经过几天的上网查资料、向老师同学请教,结合电力电子第三章的所学内容,不但让我设计出了此装置,更重要的是。
通过设计过程,使我对书上所学的内容有了更好的理解和运用。
了解了晶闸管的工作特性、工作原理,整流电路的电路设计等等。
原本以为这些所学的内容很难运用到实际生产中来,因为一些列繁琐的公式推导和定理原理很难让我们把它和日常生活联系到一起。
但是通过本次课程设计,让我懂得了那些繁琐的公式是为了确定电力电子器件的参数,对际运用中电子器件的选取有着至关重要的作用。
对于刚学习完电力电子技术基础的我来说,设计出这样的装置是有一定难度的。
但我感觉,此次课程设计的目的不是为了让我们设计出多么完美的产品,而是通过对产品的设计过程,深化我们对所学知识的掌握与理解,能够做到学以致用,这是一个动手与动脑同时进行的过程,可以提升我们的综合素质,对以后的学习很有帮助。
这一过程中我也发现了自己的一些缺点与不足,在今后的学习生活中,我也会尽量改正。
最后,感谢在本次课程设计中给予我助的老师和同学。
希望通过以后的课程设计来是自己的综合能力得到更高的提升。
参考文献
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机械工业出版社,2003
[2]郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社,2002
[3]王维平,现代电力电子技术及应用.南京:
东南大学出版社,1999
[4]叶斌,电力电子应用技术及装置.北京:
铁道出版社,1999
[5]马建国,电子系统设计.北京:
高等教育出版社,2004
[6]王锁萍,电子设计自动化教程.四川:
电子科技大学出版社2002
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