2023年三相桥式全控整流电路设计课程设计.docx

三相桥式全控整流电路设计课程设计 电力电子学课程设计说明书 题目： 三相桥式全控整流电路的设计 学生姓名 学号 专业 电气工程及其自动化 班级 指导教师 完成时间 2022 摘 要 整流电路技术在工业生产上应用极广，整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是触发电路局部必须一一对应,否那么输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。 本电路图主要由芯片C8051-F020微控制器来控制并在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制6个SCR。在负载端取出整流电压,负载电流到C8051-F020模拟口,然后由MCU处理后发出信号控制SCR的导通角的大小。 在本课题设计开发过程中,我们使用KEIL-C开发软件,C8051开发系统及PROTEL-99,并最终实现电路改造设计,并到达预期的效果。 关键字：KEIL-C； 电力电子； 三相； 整流； 目 录 ……………………………………………………………………………………2 第一章 课程设计要求……………………………………………………………… 4 第二章 主电路的设计及定量分析…………………………………………………4 2.1 主电路设计…………………………………………………………………4 2.3 参数分析……………………………………………………………………6 第三章 保护电路的设计……………………………………………………………7 3.1 晶闸管的过电压保护……………………………………………………7 3.2 晶闸管的过电流保护………………………………………………………8 3.3 触发电路与主电路的同步…………………………………………………8 第四章 器件参数选择………………………………………………………………9 第五章 总电路图……………………………………………………………………10 第六章 MATLAB 仿真……………………………………………………………10 第七章 课程设计体会………………………………………………………………12 参考文献……………………………………………………………………………13 第一章 课程设计要求 1、单相桥式相控整流的设计要求为： 负载为感性负载,L=500mH,R=100欧姆. 2、技术要求: 1)、电源电压：交流380V/50Hz 2)、整流功率：1KW 按课程设计指导书提供的课题，根据根本要求及参数独立完成设计。 第二章 课程设计方案的选择及分析 2.1 整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个局部。 电源 三相桥式全控整流电路 直流电动机 同步电路 集成触发器 触发信号 触发模块 图1-1 三相桥式全控整流电路结构图 三相桥式全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（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况根本相同。 当α≤60度时，ud波形连续，电路的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。区别在于负载不同时，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，电阻负载时 ud 波形与 id 的波形形状一样。而阻感负载时，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2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0度和α=30度的波形。 图2-2中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流 iVT1 的波形，可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流 id 波形决定，和ud波形不同。 图2-3中除给出ud波形和 id 波形外，还给出了变压器二次侧a相电流 ia 的波形，在此不做具体分析。 图2-2 触发角为0度时的波形图 图2-3 触发角为30时的波形图 当α＞60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的局部，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的局部。图2-4给出了α=90度时的波形。假设电感L值足够大，ud中正负面积将根本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。 图2-4 触发角为90时的波形图 2.2定量分析 在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动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，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载α≤60o时）的平均值为 电阻负载且α>60o时，整流电压平均值为 输出电流平均值为Id = Ud/R。 当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 晶闸管的参数：（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压Utn=U2考虑平安裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的2～3倍。即 U额=(2～3)Utn 。 根据要求，输出功率为1kw，负载电阻为100欧姆，理想变压器二次侧电压U2=330∨，所以晶闸管的额定电压U额=(2～3)U2=(2～3)×330∨. （2）电流额定：通态平均电流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考虑平安裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.5～2）倍。计算得IVT(AV)=2.45A. （3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管CTO。它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。她既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断的优点。 （4）总上述，我们选用国产50A GTO。参数如下.选用电阻20欧姆。 正向阻断电压:1000～1500Ⅴ,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.5～2.5正向触发电流：200～800MA，反向关断电流：6～10A，开通<6us,m关断时间:<10us,工作频率：<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降2～4V关断增益： （5）整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。 我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3x85.5x0.816Id。 第三章 保护电路的设计 3.1 晶闸管的过电压保护 晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且屡次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。 对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图4 图4 3.2. 晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。 快速熔断器保护是最有效的保护措施； 过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用； 直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。 因此，最正确方案是用快速熔断器保护。如图5 图5 3.3触发电路与主电路的同步 所谓的同步，就是要求触发脉冲和加于晶闸管的电源电压之间必须保持频率一致和相位固定。为实现这个，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终保持一致的。再是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发电路相位正确。 第四章 参数的选择 我们选用国产50A GTO。参数如下.选用电阻20欧姆。 正向阻断电压:1000～1500Ⅴ,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.5～2.5正向触发电流：200～800MA，反向关断电流：6～10A，开通<6us,m关断时间:<10us,工作频率：<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降2～4V关断增益：5. 整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。 我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3x85.5x0.816Id。 晶闸管阻容吸收元件参数可按下表所提供的经验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压1.1～1.5倍。 晶闸管额定电流IT(AV)/A 1000 500 200 100 50 20 10 电容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1 电阻R/欧姆 2 5 10 20 40 80 100 由题意用电容为0.2UF，电容耐压为900)V;电阻为40欧姆。 对于主电路的保护，电容C=6I0%SФ/U2/U2,电阻R≥2.3 U2x U2 对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充以石英砂填料，构成封闭式熔断器。选择快熔，要考虑一下几点：（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压； （2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流； （3）熔体的额定电流是有效值。根据以上特点，我们选用国产RLS系列的RLS-50快速熔断器。 第五章 总电路图 第六章 MATLAB 仿真 翻开仿真参数窗口，选择ode123tb算法，将相对误差设置1e-3，仿真开始时间设置为0，停止时间设置为0.04秒。在下面的仿真图中Ud、Id为负载电压（V）和负载电流（A）。 ⑴ 触发角为0度是的波形 图5-5 触发角为0度时ud、id的波形图 ⑵ 触发角为30度时的波形 图5-6 触发角为30度时ud、id的波形图 ⑵ 触发角为90度时的波形 第七章 体会与心得 本次设计，我所设计的是三相桥式全控整流电路，开始设计时我遇到了很多的问题，特别是在用MTALAB对整流电路进行仿真时，我有种很深的无助感。好在后来经过仔细查阅资料，各类图书，以及老师和同学的帮助，我顺利完成了课设中的任务。我学到了不少东西，是我开阔了眼界，同时我也意识到到自己的缺乏，觉得应该好好学习，努力增加自己的知识含量。在设计中，我感到自己平时下功夫太少，以至于书到用时方恨少。我觉得，一次课程设计是我如此疲惫，所以应该珍惜别人劳动成果。还要感谢教我的老师，没有他们，我这次课程设计无法完成。总之以后要好好学习，更加努力的汲取知识。 参考文献 [1] 潘湘高. 基于MATLAB的电力电子电路建模仿真方法的研究. 计算机仿真，第20卷 第5期. [2] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用.北京：清华大学出版社，2002. [3] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2022. [4] 贺益康，潘再平.电力电子技术根底.浙江：浙江大学出版社，2003. [5] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用.北京：中国电力出版社，2022. [6] 郑亚民，蒋保臣.基于Matlab的整流滤波电路的建模与仿真[Jl.电子技术，2002.