电力电子课设真实模板讲解.docx

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电力电子课设真实模板讲解

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

220V／100A三相半控桥式整流电路

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气#

学号：

###

学生姓名：

#

指导教师：

（签字）

起止时间：

2#########

课程设计（论文）任务及评语

学号

##

学生姓名

##

专业班级

电气##

课程设计题目

220V／100A三相半控桥式整流电路

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

直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，在工业生产中获得广泛应用，本次设计的目的是为1台额定电压110V、功率为20kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的无级调速。

设计任务与要求

1、对设计方案进行经济技术论证。

2、完成整流主电路设计。

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、确定平波电抗器的参数。

6、触发电路设计或选择。

7、绘制相关电路图。

8、在实验室进行模拟验证或matlab仿真。

9、完成4000字左右的设计说明书。

技术参数

1、交流电源：

三相380V。

2、整流输出电压Ud在0～220V连续可调。

3、整流输出电流最大值100A。

4、最小控制角取20～300左右。

5、直流电动机额定电压110V、功率为20kW。

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：

确定平波电抗器；第8天：

触发电路设计；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

院（系）：

电气工程学院教研室：

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

本设计主要内容为220V/100A三相半控桥式整流电路，主要设计了整流主电路，触发电路，保护电路和滤波电路，其中主电路为由三个晶闸管和三个二极管以及三相变压器所构成的半控桥式电路，可以将三相交流电变为直流电，并合理的选择了各整流器件的规格及型号。

其次触发电路主要采用了三个KJ004和一个KJ001集成块，即可形成六路双脉冲，再由三个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相半控桥式整流电路的集成触发电路，其优点为所设计的触发电路为模拟的，其优点是简单，可靠，但缺点为易受电网电压影响，触发脉冲的不对称程度较高，经度较低。

最后主要设计了该电路的保护电路，其主要分为过电压保护以及过电流保护两部分，其中过电压电路主要采用了RC过电压抑制电路以及RC阻容吸收电路。

而过电流保护电路主要采用了快速熔断器，直流快速断路器和过电流继电器。

这样便提高了饱和的可靠性和合理性。

直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，在工业生产中获得广泛应用，本次设计的目的是为1台额定电压110V、功率为20kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的无级调速。

关键词：

三相桥式；半控整流；集成触发。

第1章绪论

电力电子技术概况

顾名思义,所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。

电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至是毫瓦级。

信息电子技术主要应有于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两者本质上的不同。

通常所用的电力变换可分为四类，即交流变直流（AC-DC），直流变交流（DC-AC）,直流变直流（DC-DC）和交流变交流。

我们通常将电力电子技术分为电力电子器件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的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。

“变流”不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。

所谓整流电路即交流变直流（AC-DC）在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的章节，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。

整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流变为直流电能供给直流用电设备。

工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电。

整流电路按组成的器件不同，可分为不可控、半控与全控三种，利用晶闸管半导体器件构成的主要有半控和全控整流电路；按电路接线方式可分为桥式和零式整流电路；按交流输入相数又可分为单相、多相（主要是三相）整流电路。

目前，整流电路在电力电子技术中的应用范围十分广泛。

例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。

它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输，电力系统，通信系统，计算机系统，新能源系统等，在照明，空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。

本文设计内容

本设计为220V/100A三相桥式半控整流电路，主要设计了该电路的主电路，触发电路，保护电路，滤波电路。

其中主电路由晶闸管，二极管所组成，主要设计了主电路图，对主电路的工作原理按阻感和纯电阻分别进行了说明。

触发电路主要由三个KJ004和一个KJ001所组成的，并大致的分析了KJ004芯片的内部结构。

保护电路分为过电压保护和过电流保护并分别进行了说明并且选择了主要的保护电路，分析了各环节的原理，最后设计了滤波电路，滤波电路主要采取了电容吸收电路，然后又对器件的参数进行了计算并对其进行了选择，主要选择了晶闸管的型号。

并对论文进行了总结。

第2章

220V/100A三相半控桥式整流电路设计

220V/100A三相半控桥式整流电路总体设计方案论证

更据本次设计的要求，经过经济及技术的比较，确定了本次设计的总体设计方案，总体设计方案框图如下（图2.1所示）：

图2.1总体设计方案框图

现对图2-1中各部分所实现的功能作如下说明：

（1）变压器和整流电路是将所提供的380V交流电经整流后变为220V直流电。

（2）触发电路为给主电路提供触发脉冲的电路，以保证主电路正常工作。

（3）保护电路为通过过电压保护，过电流保护为主电路进行保护的主要电路。

（4）滤波电路是将整流电路所提供的220V直流电经过滤波得到所需要的直流。

具体电路设计

主电路设计

主电路的电路图如下所示（图2.2）

图2.2主电路图

主电路原理说明

（1）带电阻负载时的工作情况

α=0°时，触发脉冲在自然换相点出现，输出电压最大，其波形是与全控型桥式整流电路相同的线电压包络线。

随着控制角的增加，输出电压减小，波形发生变化。

α=30°时，在t1时刻，ug1触发VT1导通，此时b相最低，VD6管导通，输出电压为线电压Uab。

在t2时刻，c相低于b相电压，VD6管承受反向电压而关断，换为VD2管导通，而VT1继续导通，输出电压为线电压Uac。

到t3时刻，因为ug3触发脉冲没有来，VT3承受正向电压却不导通，输出电压仍为线电压Uab。

直到t4时刻，ug3触发脉冲到来，VT3导通，使VT1承受反向电压而关断，而VD2管还处在导通状态，输出电压为线电压Ubc。

依次类推，便得到Ud波形。

α=60°时，此时输出电压的波形只有三个波头。

电路刚好维持电流连续，每管导通120°，VT1承受的电压ut1波形同前面分析一样。

（2）带阻感负载时的工作情况

三相桥式半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（即用于直流电动机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。

整流电路的负载为直流电机负载，为简化电路，用带反电动势的阻感负载代替直流电动机。

当晶闸管的导通角α=0°时，相当于把全控电路中共阴极组的晶闸管都换为二极管。

此时，共阳极组的三个晶闸管是所接交流电压最高的一个导通，而对于共阴极组的三个二极管则是所接交流电压值最低的一个导通。

这样，任意时刻共阳极晶闸管和共阴极组二极管都各有一个导通，施加于负载上的电压为某一线电压。

此时电路波形如图（图2.3）

当触发角α=0°时，触发脉冲在自然换相点出现，三相桥式半控整流电路的负载电压Ud的波形与三相桥式全控整流电路α=0°时的波形相同。

α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。

由变压器而绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点及时电压的交点，同时也是线电压的交点。

在分析Ud的波形时，既可以从电压波形分析，也可以从线电压波形分析。

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，总的整流输出电压是两条包络线的差值，其对应线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。

图2.3带阻感负载时的波形图

为了说明各晶闸管和二极管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60°，如图2-3所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表2.1所示。

该表可见，晶闸管和二极管的套筒顺序为VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6。

表2.1三相桥式半控整流电路电阻负载α=0°时晶闸管工作情况

触发电路设计

晶闸管是晶体载流管的简称，又称为可控硅整流器，以前被称为可控硅。

它有三个极分别为阳极，阴极，门极，晶闸管要导通时由门极加触发电流。

可以将晶闸管正常工作时的特性归纳如下：

（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

（2）当晶闸管承受正相电压时，仅在门极有触发电流时晶闸管才能导通。

（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。

（4）如要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零下的某一数值以下。

晶闸管可控整流电路是通过控制触发角α的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。

为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管加有效的触发脉冲，通常相控电路和相位控制电路也总称为触发电路。

根据设计任务要求，

本次设计采用集成元件设计触发电路，则在此选择输出为双窄脉冲同步信号为锯齿波的触发电路。

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。

在触发每个晶闸管的同时，给每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60°，脉宽一般为20°~30°，称为双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。

触发电路如图2.4所示。

图2.4集成触发电路图

触发电路原理说明

触发电路由同步检测电路，锯齿波形成电路，偏移电压，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。

原理图如图2.5所示，该图为KJ004芯片内部结构，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，可获得不同的脉宽输出。

输出的同步电压为任意值。

图2.5KJ004芯片内部结构图

保护电路设计

较之电工厂品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。

因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。

（1）过电压保护

电流测过电压电力电子设备一般都经变压器与电网连接，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2.6所示。

图2.6过电压电路原理图

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时也会造成过电压，在通电的状态时将电源开关断开使激流电流从一定的数值迅速下降到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，在电感一定的情况下，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的状态，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。

对于上面的这些过电压，我们可以采用下面的措施进行保护：

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。

过电压常用的保护方法主要有两种，对于大容量的电力电子装置，可采用第一种方法，即采用阻容吸收电路，以雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。

其电路图如图2.7其右侧可接入主电路，达到保护目的。

图2.7过电压的组容吸收保护电路图

（2）过电流保护

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。

常用的过电流保护措施如图2.8所示。

一台电力电子设备可选用其中的某种措施，针对某些电力电子器件，可能有些保护措施是有效的而另外一些是无效的或不适合的，选用时应特别注意。

图2.8过电流保护措施图

交流断电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，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，由于器件耐压过电流的时间极短，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。

交流侧经电流互感器接入过流继电器或直流侧接入过流继电器，可以在过电流时动作，自动断开输入端。

一般过电流继电器开关动作时间约为0.2s，对电流大、上升快、作用时间极短的短路电流无保护作用，只有短路电流不大的情况下，才能起到保护晶闸管的作用。

快速熔断是最简单有效的过电流保护元件。

在产生短路过电流时，快速熔断器熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏之前，切断短路故障。

用快速熔断器做过电流保护有三种接法，本设计采用三相桥。

撬杠保护多用于大型的电力电子设备，其保护原理如下：

当电流超过整定值时，触发保护晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接入一个小电感，以限制di/dt；触发电路开通主电路中的所用电力电子器件，以分散能量，让所有器件分担短路电流；使电流断路器断开，切断短路能量的来源。

经一段时间衰减能量消失，起到保护作用。

滤波电路设计

滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减，当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。

本设计为三相半控桥式整流电路，所整流出的直流所包含的谐波含量较大，故使用滤波电路，经过滤波得到所要求的直流电流，对电动机进行供电。

本滤波电路主要采用电容滤波电路即在电阻两端并联一个电容，它对整体电路的参数无影响，滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时应注意电解电容的正负极。

电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

所设计滤波电路如图2.9所示。

图2.9滤波电路图

元器件选择及参数计算

负载的参数计算

（1）变压器二次侧电压值

取α=30°，输出电压平均值公式

有公式可得变压器二次侧电压值

（2）负载大小

由公式

得到

（3）变压器二次侧电流有效值

由公式

（4）电动机等效反电动势

晶闸管参数计算

（1）流过每个晶闸管电流的有效值

（2）流过每个晶闸管的电流的平均值

（3）每个晶闸管承受的最大电压值

（4）晶闸管额定电压值

（5）晶闸管额定电流值

根据本次设计的要求,所选取的晶闸管额定电压为700V,额定电流为60A,则所需要的三个晶闸管均要符合此项要求，经查手册所选型号为KP普通晶闸管系列中的的KP400三个。

变压器参数计算

（1）变压器容量

通过前面的计算我们知道变压器的二次侧电压值为100.8V，额定电流值为81.6A,则其容量为

（2）变压器变比

第3章

系统仿真

本文设计内容主要用到了matlab中的simulink仿真，以下为三相半控桥式整流电路的设计模型如图3.2。

图2-10

其仿真的波形结果如下：

图3.1三相半控桥式整流电路仿真模型

图3.2三相半控整流电路波形图1

图3.3三线半控桥式整流电路波形图2

第4章课程设计总结

通过三相桥式半控整流电路的设计，使我对电力电子这门课程有了更加全面的了解，也更加对其产生了浓厚的兴趣。

刚刚接触课设时，我感到它对于我来说是一个挑战，也是有很大的难度的，同样我也是第一次接触这样的课设，通过我自己的努力，我对所设计的题目先有了一些初步的了解，所谓整流电路就是将交流变为直流，整流电路可分为单相，三相，桥式，零式，桥式等，我所用的是三相半控桥式电路，其主电路是由三个晶闸管和三个二极管所组成的。

当然，对于一个自己不了解的课设我查阅了许多书籍，我充分的了解了有关自己所设计课设的相关知识，并且也上网查找了有关的资料。

这样我大开了眼界而且也对整流有了更加完整地了解，并且对电力电子所涉及的知识有了全新的认识，但是这也是一个艰苦的查寻过程。

最后，经过几天的努力，我终于完成了这次课程设计，虽然我在课设中遇到了这样或那样的困难，但是我都一一克服了，我感觉这次课设是很艰难的，但是，我从中学到了许多，提高了自己的自主查阅能力和设计能力，我也深切的感受到了将知识与实践相结合是多不容易，总之，我会在以后的学习生活中充分运用这次经验，让我的大学学习生活更加完美。

参考文献

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机械工业出版社,2003

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