电力电子课设.docx

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电力电子课设

摘要

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

整流电路的应用十分广泛，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。

本次研究的就是交流电经过整流电路，变成直流电，供给直流电动机负载。

采用并联多重12脉冲联结（两个三相桥式全控整流电路并联）和顺序控制的方法，减少交流输入的电流谐波，同时减少直流输出电压中的谐波幅值，提高纹波频率。

由于晶闸管的导通，必须有触发脉冲，所以整流电路外加触发电路，由于集成电路可靠性高，体积小，功耗低，调试方便，所以触发电路由KJ004和KJ041集成电路组成。

本文通过理论分析、仿真研究和实验验证，证实了该电路的合理性、可靠性，实用性。

关键词：

12脉并联；整流电路；KJ004；KJ041

第1章绪论3

电力电子技术概况3

本文设计内容4

第2章电路设计5

总体设计方案5

主电路设计5

触发电路设计8

元器件型号选择10

第3章课程设计总结17

参考文献18

第1章绪论

电力电子技术概况

电力电子器件应用与电力电子系统，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。

电力电子技术主要应用于电力变换。

电力电子器件的发展是以电力电子器件为核心，伴随着变换技术和控制技术的发展而发展。

电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样的大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它运行效率问题。

为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式，这种开关方式就是电力电子器件运能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、行的特点。

新型电力电子器件呈现出许多优势，它使得电力电子技术发生了突变，进入了现代电力电子技术阶段。

现代电力电子技术的主要特点是：

（1）全控化是由半控型普通晶闸管发展到各类自关断器件，是电力电子器件在功能上的重大突破。

自关断器件实现了全控化，取消了传统电力电子器件的复杂换相电路，使电路大大简化。

（2）集成化与传统电力电子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件都是由许多单元器件并联在一起，集成在一个基片上。

（3）高频化是指随着器件集成化的实现，同时也提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10kHz频率以下，IGBT工作在几十千赫兹以上，功率MOSFET可达数百千赫兹以上。

（4）高效率化体现在器件和变换技术这2个方面，由于地电力电子器件的导通压降不断减少，降低了导通损耗；器件开关的上升和下降过程加快，也降低了开关损耗；器件处于合理的运行状态，提高了运行效率；变换器中采用的软开关技术，使得运行效率得到进一步提高。

（5）变换器小型化是指随着器件的高频化，控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电路和控制器的体积大大减小。

电力电子器件的多单元集成化，减少了主电路的体积。

控制器和功率半导体器件等，采用微型化的表面贴技术使得变换器的体积得到了进一步减少，功率为10kV。

本文设计内容

本设计的主要内容是采用多脉整流，以减小输出直流的脉动，为1台额定电压220V、功率为42kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速。

课题对带三相PFC的AC/DC变换器进行一些有益的研究，重点对传统的12脉波整流电路进行了改进，加入辅助电路有效的减小了流入电网的谐波电流，并且在较宽的范围内可以调节输出电压。

交流电源三相380V经过整流输出电压Ud在0～220V连续可调，同时整流输出电流最大值为200A，向直流电动机负载供电。

根据实际工作情况最小控制角α取20～300左右。

220Ｖ／200Ａ并联多重12脉可控整流电路的设计包括方案的经济技术论证、设计并联多重可控整流电路的主电路设计、通过计算选择整流器件的具体型号、确定变压器变比及容量、触发电路设计和选择绘制相关电路图。

第2章电路设计

总体设计方案

对于输入交流电流，采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率，因而可减少平波电抗器。

初选并联6脉可控整流、串联12脉可控整流、并联12脉可控整流。

12脉冲整流器在多项性能指标优于6脉整流器，同时并联和串联整流器效果是相同的。

但根据本次设计的主要内容、技术要求和经济支持下，采用并联12脉可控整流。

电路设计构想方案如下：

图电路方框图

具体电路设计

2.2.1主电路设计

随着整流装置功率的进一步加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为了减轻干扰，可采用多重化整流电路。

即将几个整流电路多重联结可减少交流侧输入电流的谐波，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控制的方法可提高功率因数。

根据此次设计的要求，采用将两个三相桥式全控整流电路（带阻感负载）并联多重12脉波整流电路，并且连接一个额定电压为220V、额定功率为42KW的直流电动机的负载，还有一个电感L,平衡电抗器Lp。

电路采用平衡电抗器来平衡各组整流器的电流，其原理与双反星型电路中采用平衡电抗器是一样的。

变压器二次侧的两绕组的机型相反可消除贴心的直流磁化，设置电感量为Lp的平衡电抗器是为了保护两组三相全控桥式整流电路同时导电，每组承担一半负载。

依据题意控制角取30o，利用变压器的二次绕组不同，使两组三相交流电源间相位错开30o，从而使输出整流电压Ud,在每个交流电源周期中脉动12次，故该电路是12脉冲整流电路。

整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位差30o、大小相等的两组电压，接至相互并联的两组整流桥。

因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比为

。

图并联多重12脉冲可控整流电路主电路原理图

此次设计采用多重联结电路顺序控制，使得各整流电桥交流二次输入电压错开一定此相位，但工作是各桥的控制角

。

这样可以使输入电流谐波含量大为降低。

根据总直流输出电压从低到高的变化，按顺序依次对各桥进行控制，虽然不能减少输入电流的谐波，但是各组桥中只有一组在进行相位控制，其余各组或不工作，或位移因数为1，因此总的功率因数提高。

下面介绍三相桥式全控整流电路：

图三相桥式全控整流电路原理

在图中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6.

整流输出电压Up的波形早一周期内波动六次，且每次脉动的波形相同，所以计算器平均值时，只需要对一个脉波（即1／6周期）进行计算即可，当整流输出电压连续时，（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60o）的平均值为:

（因为是并联两个三项全控整流电路的电压相等）

同时输出电流平均值

.

。

同理只有当两个电源的电压平均值和瞬时平均值相等时，才能使负载电流平均分配。

所以

变压器二次侧电流为：

2.2.2触发电路设计

使晶闸管开始导通,必须施加触发脉冲,在晶闸管触发电路中必须有触发电路,触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性,也影响系统的控制精度,正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。

由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。

所以此次触发电路是由六片继承触发电路芯片KJ004和两片继承双脉冲发生器芯片KJ041组成。

三片继承触发电路芯片KJ004和一片继承双脉冲发生器芯片KJ041就可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相桥式全控整流电路的集成触发电路，两个完整的三相桥式全控整流电路的集成触发电路并联即是此次设计的触发电路。

锯齿波的斜率一致，各晶闸管的触发脉冲间隔是60o。

同理，角接三相桥式全控整流电路触发电路的电路和星接三相桥式全控整流触发电路相似，至VT1变为至VT7，依次类推。

如图所示触发电路均为模拟的，其优点是结构简单、可靠、但缺点是易受电网电压影响，触发脉冲的不对称度较高，可达

，精度低，在对精度要求较高的大容量变流装置中，越来越多的采用数字触发电路，可获得很好的触发脉冲对称度。

但以上触发电路应用于此次设计可以。

元器件型号选择

一个额定功率为42kW的，额定电压为220V的直流电动机，12个晶闸管，一个可调的变电感，一个电感，星接变压器，交接变压器，若干导线。

具体参数计算如下：

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。

和

输出电流平均值为：

图星接三相桥式全控整流电路触发电路的电路原理图

代入式计算有：

变压器二次侧电流

为:

代入数值计算得:

将电流波形分解为傅里叶级数，以a相为例，将电流正、负半波的中点作为时间零点，则有

所以解电流基波和各次谐波有效值分别为：

有上述式子可得基波因数为：

可明显看出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

交流输入相电压有效值：

Boost开关频率：

50KHz

输出额定电压：

输出最大电流：

输出额定功率：

Boost电感的参数设计：

Boost电路输入电流峰值为输入相电流峰值

式中，

为输入相电压有效值，假设效率为。

设计电路中电流纹波的峰峰值为电流峰值的15％，

占空比为

计算出电感值为

开关电源的变压器、电感磁心一般是低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。

可用作磁心的软磁材料有很多种，但适合作高频条件下的Boost电感的只有几种。

铁氧体电阻率高，高频损耗小，温升低，价格便宜，但有防饱和问题，要开气隙后才能使用，还有EMI产生。

磁粉芯B值和H值高，材料内含有均匀气隙，不必开气隙，不易饱和，设计计算简便。

磁粉芯一般都是环形的，绕线有些困难，但由于磁路是闭合的，无漏磁，不会产生EMI。

因此，本试验中采用实验室现有的钼坡莫合金粉末磁心，截面积

。

磁路

根据公式计算出匝数为

软开关电路参数设计：

二极管反向恢复时间

最大谐振时间

计算得出

根据

为了让主开关S有充足的时间开通和辅助开关rS有充足的时间ZCS关断,取

选取

晶闸管承受的最大反向电压是：

流过每个晶闸管的电流的有效值是：

晶闸管的额定电压为：

晶闸管的额定电流为：

系统调试或仿真、数据分析

如图为二极管整流桥星接的输出电压U和输出电流I的波形。

可见，一个周期内电压U有六个波头，电流I为六个三角形，与电压U同相位。

从图中看出，由于电路中的开关器件，电压U波形有些毛刺。

图星接三相桥式全控整流电路输出电压和电流的仿真波形

如图为另一个二极管整流桥角接的输出电压U和电流I的仿真波形。

这个二极管整流桥的输入三相电源与二极管整流桥的输入电源幅值相等，相位相差

，因此输出电压U与电压U相差

，电流I也与I相差

。

图角接三相桥式全控整流电路输出电压和电流的仿真波形

图

输出电流仿真波形

图

输出电流仿真波形

第3章课程设计总结

本次课程设计，首先明确课程设计的题目，要求设计一个并联多重12脉冲整流电路，为额定电压为220V、功率为42KW的直流电动机提供直流可调电源。

在设计的过程中需要设计一个并联12脉冲整流电路作为主电路，以及设计一个触发电路，在总电路设计之后还需要进行MATLAB仿真实验。

在设计过程中在设计一个并联多重12脉冲整流电路作为主电路之前。

并联多重整流电路需要两个三相桥式全控整流电路的并联，所以先解决三相桥式全控整流电路的设计。

三相桥式全控整流电路的电路设计需要晶闸管、变压器、直流电动机、电感、可调电感等。

采用顺序控制的方法，减少交流输入的电流谐波，同时减少直流输出电压的谐波幅值。

由于晶闸管的导通必须要有触发电路，所以设计一个触发电路。

由于三相桥式全控整流电路的触发电路与并联多重12脉冲整流电路的触发电路相似，是两个三相桥式全控整流电路的触发电路的并联。

在本设计中所用到的是同步信号为锯齿波的触发电路作为该设计的触发电路。

触发电路的设计采用集成电路组成，是由于集成电路可靠性高、体积小、功耗低、调试方便，选取KJ004和KJ041。

在设计电路完成之后，要进行MATLAB的仿真实验来验证所涉及的电路是否成功，通过MATLAB仿真实验可以验证设计的电路符合设计要求。

在这个过程中对于晶闸管和KJ004、KJ041，三相桥式全控整流电路和触发电路有了深入的了解。

同时学到了不少的东西

参考文献

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