三相相控直流電源硬件電路設(shè)計(jì)

1、河南科技大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書課程名稱 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 三相相控直流電源硬件電路設(shè)計(jì)院 系 信息工程學(xué)院 班 級(jí) 自動(dòng)化XXX班 學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師 XXX，XXX 日 期 2014年11月20日 目 錄一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求 2二、總體設(shè)計(jì)方案 31. 三相橋式相控整流電路的特點(diǎn)與原理 32. 確定總體方案 3三、功率主電路設(shè)計(jì)和功率器件參數(shù)計(jì)算選型 51. 系統(tǒng)基本原理 52. 參數(shù)計(jì)算 83. 器件選型 10四、觸發(fā)電路電路設(shè)計(jì) 111. 脈沖形成電路的設(shè)計(jì) 112. 觸發(fā)脈沖輸出及電氣隔離電路設(shè)計(jì) 143. 總電路圖 17五、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 18參考文獻(xiàn)

2、 18一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 盧阿威 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)122班 設(shè)計(jì)題目 三相相控直流電源硬件電路設(shè)計(jì) 一、 課程設(shè)計(jì)目的1、 培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、 培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)能力。二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)條件和要求1、技術(shù)要求1） 三相交流電源：線電壓380V。2） 直流輸出電壓Ud：0210V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。3） 最大負(fù)載電流輸出：20A。4） 負(fù)載為阻感負(fù)載，且電感值較大（工作時(shí)可認(rèn)為負(fù)載電流是連續(xù)平滑的直流

3、）。2、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容1） 整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算（選擇變壓器次級(jí)額定電壓，確定變比、初次級(jí)繞組的導(dǎo)線直徑。計(jì)算時(shí)取導(dǎo)線電流密度為5A/mm2）。2） 晶閘管器件的電流、電壓定額等參數(shù)的計(jì)算和選型。3） 集成觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)（包括觸發(fā)電路的定向【參考教材】；觸發(fā)電路推薦采用集成觸發(fā)控制電路，注意需有觸發(fā)脈沖輸出電路）。4） 畫出完整硬件電路圖，撰寫課程設(shè)計(jì)說明書，寫出設(shè)計(jì)心得體會(huì)。三、 時(shí)間進(jìn)度安排按教學(xué)計(jì)劃規(guī)定，電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)總學(xué)時(shí)為1周，進(jìn)度安排如下：1、 周一：布置設(shè)計(jì)任務(wù)；查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案。2、 周二周三：電路設(shè)計(jì)。3、 周四周五：總結(jié)設(shè)計(jì)過程，撰寫和提交課程設(shè)計(jì)說明書。四、

4、 主要參考文獻(xiàn)1、 電力電子技術(shù)（第5版），王兆安，機(jī)械工業(yè)出版社2、 電力電子學(xué)電力變換和控制技術(shù)，陳堅(jiān)，高等教育出版社3、 現(xiàn)代功率電子技術(shù)，蘇開才，毛宗源，中國電力出版社指導(dǎo)教師：丁喆，袁瀾 2014年11月10日二、總體設(shè)計(jì)方案2.1 三相橋式相控整流電路的特點(diǎn)三相相控整流電路當(dāng)整流容量較大，要求直流電壓脈動(dòng)較小,對(duì)快速性有特殊要求的場合,應(yīng)考慮采用三相可控整流電路。采用三相全控橋式整流電路時(shí)，輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍,交流分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外，晶閘管的額定電壓值也較低。因此，這種電路適用于大功率變流裝置

5、。半控橋只有共陰極組是晶閘管，觸發(fā)電路只需給共陰極組3個(gè)晶閘管送出相隔120的單窄脈沖觸發(fā)。在移相控制角a較大時(shí)，半控橋輸出電壓脈動(dòng)較大，脈動(dòng)頻率也較低，同時(shí)半控橋觸發(fā)脈沖間隔在120。三相橋式全控整流電路電路特點(diǎn)：全控橋在工作時(shí)要向6個(gè)晶閘管送出相隔60的雙窄觸發(fā)脈沖。在移相控制角a較大時(shí)，全控橋輸出電壓脈動(dòng)小。全控橋觸發(fā)脈沖間隔僅60。2.2總體方案本次設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì)采用三相橋式全控整流方案。全控橋觸發(fā)脈沖間隔僅60，并且全控橋的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)調(diào)整及時(shí)，因此三相全控橋廣泛應(yīng)用在大功率系統(tǒng)中。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為主電路、觸發(fā)電路以及電氣隔離三個(gè)部分。三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接

6、，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個(gè)同步變壓器對(duì)觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?。?dāng)接通電源時(shí)，三相橋式全控整流電路主電路通電，同時(shí)通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通工作。如圖所示三、功率主電路設(shè)計(jì)和功率器件參數(shù)計(jì)算選型3.1系統(tǒng)的基本原理3.1.1三相全控橋的工作原理一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共

7、陽極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為共陽極。（1）2管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個(gè)晶閘管，不能為同1相器件。（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。2）共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。3）共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。4）同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。（3）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）。（4） 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反

8、向電壓的關(guān)系也相同。在實(shí)際運(yùn)用中，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陽極組。共陰極組中與三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從而使晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。本次設(shè)計(jì)為三相橋式相控帶阻感負(fù)載。電路原理圖如圖所示。3.1.2阻感負(fù)載時(shí)的波形分析當(dāng)60度時(shí)，波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓波形、晶閘管承受

9、的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流 波形不同，電阻負(fù)載時(shí) 波形與 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖1和圖2分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=0度和=30度的波形。 圖1 觸發(fā)角為0度時(shí)的波形圖 圖2 觸發(fā)角為30時(shí)的波形圖當(dāng)60度時(shí)，由于電感L的作用，波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖3給出了=90度時(shí)的波形。若電感L值足夠大，中正負(fù)面積將基本相等，平均值近似為零。這說明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。圖5 觸發(fā)角為90時(shí)的波形

10、圖3.2參數(shù)計(jì)算3.2.1確定變壓器變比三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓的波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)6次，且每次脈動(dòng)的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對(duì)一個(gè)脈波（即1/6周期）進(jìn)行計(jì)算即可。此外，因?yàn)樗噪妷狠敵霾ㄐ问沁B續(xù)的，以線電壓的過零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，可得整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值為。 把=0。和Ud=210V代入式中210解得U2 = 89.74V 取U2 = 90V變比N = U1/U2 = 4.23.2.2計(jì)算初、次級(jí)導(dǎo)線直徑變壓器二次側(cè)電流為。 = 0.816 IdIa= 0.816 X 20 = 16.32AI1=I2/N =16.32/4.2 = 3.98AImax=I2

11、/1.57=3.0446A變壓一次側(cè) Sec1=3.0446/5=0.6089mm2變壓二次側(cè) Sec2=20/5= 4.0mm2由S = D2/4一次側(cè)導(dǎo)線直徑 0.5mm，二次側(cè)導(dǎo)線直徑1.02mm3.2.3計(jì)算晶閘管的電流、電壓晶閘管的額定電壓為UN =（2 - 3）Up = (2 3)6U2=（440.91 661.36）V流過每個(gè)晶閘管的電流的有效值為IVT=Id/2 = 11.547AIdvt=IVT/1.57Idvt=7.354A晶閘管的額定電流為IN=（1.5-2）Idvt=(11.032 14.710)A3.3器件選型3.3.1變壓器的選擇變壓器的容量分別如下：變壓器初級(jí)容量

12、為：變壓器容量為：即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級(jí)繞組三角形接法，；次級(jí)繞組星形接法，；容量選擇為4.418kW。3.3.2晶閘管的選型普通晶閘管額定通態(tài)平均電流5A-5000A 斷態(tài)及反向重復(fù)峰值電壓100V-4500V。結(jié)構(gòu)上分螺栓型和平板型，采用風(fēng)冷和水冷式散熱器，主要用于調(diào)溫、調(diào)光、電源整流、逆變、電機(jī)調(diào)速、直流牽引、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、快速開關(guān)、自動(dòng)控制電頻。該產(chǎn)品符合國標(biāo)GB4940-85、JB5838-91、JB5839-91及國際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)。跟據(jù)實(shí)際需求晶閘管選取型號(hào)為KP20A。四、觸發(fā)電路電路設(shè)計(jì)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利

13、用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。4.1 脈沖形成電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如下：4.1.2 KJ004的工作原理如圖KJ004的電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1V

14、4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS|0.7V時(shí)，V1V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15VR6C1R22RP1(15V)對(duì)C1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、R

15、P1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當(dāng)ube6+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過 V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15VR25V6地）放電

16、并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。4.1.3 集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ04

17、1集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖所示：4.2觸發(fā)脈沖輸出及電氣隔離電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的隔離主要使用用于 IGBT 的富士混合 IC 驅(qū)動(dòng)器EXB850進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.2.1驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)1、 不同的系列標(biāo)準(zhǔn)系列：最大 10kHz 運(yùn)行高速系列：最大 40kHz 運(yùn)行2、這些系列包括了全部 IGBT 產(chǎn)品范圍 內(nèi)裝有用于高隔離電壓的光耦合器：2500VAC 一分鐘 單供電操作 內(nèi)裝過流保護(hù)電路 過流保護(hù)輸出 高密度安裝

18、的 SIL 封裝EXB850 為混合 IC 能驅(qū)動(dòng)高達(dá) 150A 的 600V IGBT 和高達(dá) 75A 的 1200V IGBT 由于驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)延遲S，所以此混合 IC 適用于高達(dá)大約 10KHZ 速度的開關(guān)操作。根據(jù)實(shí)際需求型號(hào)選擇EXB8504.2.2驅(qū)動(dòng)器功能方框圖4.2.3驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離電路信號(hào)隔離電路驅(qū)動(dòng)器具有高隔離電壓的光耦合器用作信號(hào)隔離，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲依賴于光耦合器的特性，所以按照混合 IC 的規(guī)格來選擇高速或通用光耦合器。過流檢測(cè)IGBT 能抵抗僅 10s 的短路過流，所以必須有極快的保護(hù)電路。此混合 IC 裝有一個(gè)過流保護(hù)電路。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極電壓之間的關(guān)系檢測(cè)過流?？傠娐穲D如下：五、 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)我懂得了許多的課本上所沒有的知識(shí)，使我受益匪淺。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的過程中，曾幾次試圖放棄，可是我知道，只要堅(jiān)持總能找到解決辦法，于是當(dāng)真不負(fù)我的努力。通過此次設(shè)計(jì)，不僅提高了我的學(xué)習(xí)能力，更加拓展了查閱資料的視野。學(xué)會(huì)了參考工具書和從互聯(lián)網(wǎng)的世界中獲得有用知識(shí)的能力。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，平時(shí)學(xué)的還算可以，可真到設(shè)計(jì)的時(shí)候起初還是無從下手。正是這次設(shè)計(jì)，讓我對(duì)知識(shí)有了更深的理解，真正做到了學(xué)為我用，進(jìn)行了