電力電子技術課程設計報告.doc

成都理工大學工程技術學院The Engineering&Technical College of Chengdu University of Technology電力電子技術課程設計報告姓 名 學 號 年 級 專 業(yè) 系（院） 指導教師 三相半波整流電路的設計1設計意義及要求1.1設計意義整流電路是出現最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姡娐沸问蕉喾N多樣。當整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，應采用三相整流電路。其交流側由三相電源供電。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波的基礎上進行分析。1.2初始條件 設計一三相半波整流電路，直流電動機負載，電機技術數據如下：，。1.3要求完成的主要任務1）方案設計2）完成主電路的原理分析3）觸發(fā)電路、保護電路的設計4）利用MATLAB仿真軟件建模并仿真，獲取電壓電流波形，對結果進行分析5）撰寫設計說明書2方案設計分析本文主要完成三相半波整流電路的設計，通過MATLAB軟件的SIMULINK模塊建模并仿真，進而得到仿真電壓電流波形。分析采用三相半波整流電路反電動勢負載電路，如圖1所示。為了得到零線，變壓器二次側必須接成星形，而一次側接成三角形，避免3次諧波流入電網。三個晶閘管分別接入三相電源，它們的陰極連接在一起，稱為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線方便。圖1 三相半波整流電路共陰極接法反電動勢負載原理圖直流電動機負載除本身有電阻、電感外，還有一個反電動勢E。如果暫不考慮電動機的電樞電感時，則只有當晶閘管導通相的變壓器二次電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流輸出。此時負載電流時斷續(xù)的，這對整流電路和電動機負載的工作都是不利的，實際應用中要盡量避免出現負載電流斷續(xù)的工作情況。3主電路原理分析及主要元器件選擇3.1主電路原理分析主電路理論圖如圖1所示。假設將電路中的晶閘管換作二極管，并用VD表示，該電路就成為三相半波不可控整流電路。此時，三個二極管對應的相電壓中哪一個的值最大，則該相對應的二極管導通，并使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓。在相電壓的交點處，均出現了二極管換相，即電流由一個二極管向另一個二極管轉移，稱這些交點為自然換相點。自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角的起點，即。，要改變觸發(fā)角只能是在此基礎上增大它，即沿時間坐標軸向右移。當三個晶閘管的觸發(fā)角為0時，相當于三相半波不可控整流電路的情況。增大值，將脈沖后移，整流電路的工作情況相應的發(fā)生變化。設變壓器二次側電壓有效值為，則相電壓交點處的電壓為。若反電動勢小于時，整流電路相當于工作在阻感負載情況下（因為在自然換相點處晶閘管導通，負載電壓等于相電壓）。根據任務書所給電機參數，當電機空載轉速為，且穩(wěn)定運行時，反電動勢為。晶閘管的觸發(fā)角為0時，波形圖如圖2所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖2 觸發(fā)角為0時的波形觸發(fā)角較小時，在觸發(fā)脈沖發(fā)出時交流電壓還沒有達到，晶閘管不導通，到以后在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導通；換相后關斷，在導通期間，；導通期間，。觸發(fā)角變大后，可以實現在觸發(fā)脈沖發(fā)出時電壓達到，晶閘管直接導通，如圖3所示，觸發(fā)角為60，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖3 觸發(fā)角為60時的波形觸發(fā)角為當60時，當過零時，由于電感的存在，阻止了電流的下降，因而繼續(xù)導通，直到下一相晶閘管的觸發(fā)脈沖到來，才發(fā)生換流，由導通向負載供電，同時向施加反相電壓使其關斷。這種情況下波形中出現負的部分，若 波形中負的部分將增多，至 波形中正負面積相等，的平均值為零。由此可見阻感負載時的移相范圍為90。由于負載電流連續(xù)，可由式（3-1）求出，即 (3-1) 與成余弦關系，如圖4中曲線2所示。如果負載中的電感量不是很大，則當后，與電感量足夠大的情況相比較，中負的部分可能減少，整流電壓平均值略為增加，與的關系將介于圖4中的曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個例子。變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值I2可由式（3-2）求出，即 （3-2）由此晶閘管的額定電流IVT(AV)可由式（3-3）求出，即 （3-3）晶閘管兩端電壓波形如圖3所示，由于負載電流連續(xù)，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即 （3-4） 圖4 三相半波可控整流電路與的關系id波形有一定的脈動，這是電路工作的實際情況，因為負載中電感量不可能也不必非常大，往往只要能保證負載電流連續(xù)即可，這樣id是有波動的，不是完全平直的水平線。通常，為簡化分析及定量計算，可以將id近似為一條水平線，這與的近似對分析和計算的準確性并不產生很大影響。三相半波整流電路的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，因此其應用較少。3.2主要元器件選擇設變壓器原邊電壓，副邊電壓，根據要求電機的額定電壓為，由三相半波整流電路的工作原理知，故可得。即當觸發(fā)角為31.3時，三相半波整流電路輸出的電壓即為電機的額定電壓。1）變壓器參數選擇：如圖1所示，為了得到零線，變壓器二次側必須接成星形，而一次側接成三角形，避免3次諧波流入電網。變壓器采用三角形星形連接，一次側二次側變比。電機正常運行時電流故可知， 故得變壓器原邊電壓為，副邊電壓為，容量。2）晶閘管參數選擇：電動機正常工作時，。由式（3-4）知晶閘管峰值電壓,晶閘管電流安全裕量需是額定值的倍,故，由式（3-2）知晶閘管電流有效值,晶閘管電流安全裕量需是額定值的倍，故。故晶閘管的電壓范圍，電流范圍。3）平波電抗器參數選擇：電抗值可由得到，為最小電流，即電動機空載時的電流，此時可得進而得到4觸發(fā)電路與保護電路的設計4.1觸發(fā)電路的設計 如圖5所示為觸發(fā)電路。由三片集成觸發(fā)電路芯片KJ004和一片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KJ041形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構成完整的。觸發(fā)電路產生的觸發(fā)信號用接插線與主電路各晶閘管相連接。該電路可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。圖5 三相半波整流電路觸發(fā)電路4.2保護電路的設計電力電子電路中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。過電壓保護一般采用RC過電壓抑制電路，RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩端或電力電子電路的直流側。過電流保護分為過載和短路兩種情況，一般過電流保護措施常采用快速熔斷器、直流快速熔斷器和電流繼電器。在本設計的保護電路中對變壓器一次側和二次側分別加上熔斷器對其進行保護，對電機加上一個過載保護熔斷器，如圖6所示。圖6 保護電路的設計5通過MATLAB仿真MATLAB仿真電路圖如圖7所示。圖7 三相半波整流電路MATLAB仿真圖設置三相交流電壓為，觸發(fā)角為31.3，電抗值為，反電動勢為。得到仿真波形如圖8所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖8 MATLAB仿真波形圖所得波形基本與理論分析相符，觸發(fā)脈沖發(fā)出時，電壓已經達到，在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導通；換相后關斷，在導通期間，；導通期間，。心得體會通過本次課程設計三相半波整流電路，讓我有很多感受和體會，深切的感受到了電子技術在日常生活中的廣泛應用，更加理解理論聯系實際的意義，為以后的工作、學習奠定了基礎。本次課程設計中主要還是通過查閱課本、圖書館相關資料并上網查有關芯片的引腳圖才得以順利完成。在同學的幫助下設計出了電路，通過MATLAB仿真成功，同時也意識到了自己的一些不足之處，對課本非重點知識理解不夠深入，比如KJ004，不知道具體如何使用，以后應該加強對課本知識的理解，不能局限于考試的內容。設計過程中不僅要參考書本上知識，還要有些自己的東西加進去，設計出電路以后可以考慮從另一個方面著手再設計一個方案，看可行性如何，盡可能的將各種方案的優(yōu)點集中到一個方案上來。完成了本次課程設計，有種如釋重負的感覺，同時也感到一點點自豪，可以用學到的知識完成一個看似平常但卻包含很多知識的器件，大大提高了學習電子技術的積極性。這不僅僅是個人的成功，還得多虧同學們的幫助才能順利完成本次設計。以后的學習生活中，大家更要相互幫助、學習，集思才能廣益，才能創(chuàng)作出好的作品。希望以后會有更多的讓自己動手實踐的機會來提高自己的實踐能力。同時，在平時要要求自己多看書，多查閱相關資料，完備自己的知識體系，相信在以后的實踐活動中會做出更好的作品。參考文獻1 王兆安，黃俊.電力電子技術M. 北京:機械工業(yè)出版社，200