電力電子技術(shù)課程設(shè)計摘要目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級一般采用不可控整流或相控整流電路。這類整流電路結(jié)構(gòu)簡單，控制技術(shù)成熟，但交流側(cè)輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。據(jù)估計，在發(fā)達國家有60%的電能經(jīng)過變換后才使用，而這個數(shù)字在本世紀初達到95%。 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應用。據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。可以毫不夸張地說，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。而電能的傳輸中，直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因為各種信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。關(guān)鍵字：電力電子技術(shù)三相可控整流電路晶閘管 目錄摘要 1一、電力電子技術(shù)概況 3二、方案選擇 32.1三相橋式可控整流電路總體設(shè)計方案 32.2．方案選擇 4三．主電路原理分析 53.1電路工作原理及過程的分析 53.2電路工作原理及過程的分析 63.3電路工作原理及過程的分析 73.4電路的工作特點： 9四、主電路元件計算及選擇 104.1、變壓器參數(shù)計數(shù) 104.2、電力電子器件電壓、電流等定額計算 114.3、平波電抗器電感值的計算 124.4、電容濾波的電容計算 12五、保護電路 12六、相控電路的驅(qū)動控制 136.1、集成觸發(fā)器 136.2觸發(fā)電路的定相 15七、結(jié)束語 18八、附錄 19九、參考文獻 19十、答辯記錄及評分表 20一、電力電子技術(shù)概況

電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。它是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應用強電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導體物理學；它的工藝技術(shù)為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應用整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。它的應用十分廣泛，例如直流電動機，電鍍，電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)電源等。二、方案選擇2.1三相橋式可控整流電路總體設(shè)計方案三相可控整流電路有三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。因為三相整流裝置三相平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動小，對電網(wǎng)影響小，同時三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，為此在應用中較少，所以采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直，當電感足夠大時，負載電流波形可以近似為一條水平線。在實際應用中，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。當功率超過4KW時，考慮到三相負載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。三相全控橋整流電路的輸出電壓脈動小、脈動頻率高，和三相半波電路相比，在電源電壓相同、控制角一樣時，輸出電壓又提高了一倍。又因為整流變壓器二次繞組電流沒有直流分量，不存在鐵心被直流磁化問題，故繞組和鐵心利用率高，所以被廣泛應用在大功率直流電動機可調(diào)速系統(tǒng)，以及對整流的各項指標要求較高的整流裝置上。保護電路整流電路380V三相交流電負載電路觸發(fā)電路圖2.1系統(tǒng)原理方框圖2.2．方案選擇課設(shè)題目中給出的正是要求為220V、20A的直流電動機供電，它的容量為S=kw，屬于高容量，所以應選用三相可控整流電路整流。另外三相橋式整流電壓的脈動頻率比三相半波高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也減小約一半。三相半波雖具有接線簡單的特點，但由于其只采用三個晶閘管，所以晶閘管承受的反向峰值電壓較高，并且電流是單方向的，存在直流磁化問題?；谝陨显颍罱K我選擇三相橋式全控電路為電機整流。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。在電子設(shè)備中有時也會遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過1—2kw的電源，這時為了提高變壓器的利用率，減小波紋系數(shù)，也常采用三相整流電路。另外由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，為此在應用中較少。而采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直，當電感足夠大時，負載電流波形可以近似為一條水平線。在實際應用中，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。當功率超過4KW時，考慮到三相負載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。三．主電路原理分析

目前在各種整流電路中，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖書（1），習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管稱為共陰極組，陽極連接在一起的3個晶閘管稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從至的順序?qū)?，為此將按圖示的順序編號，即共陰極組中與三相電源相接的3個晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a,b,c三相電源相接的3個晶閘管分別為共陽極組中與a,b,c三相電源相接的3個晶閘管分別為按此編號，晶閘管的導通順序為。下面對其帶阻感負載時工作情況進行分析：先假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當于晶閘管觸發(fā)角時的情況。此時，對于共極組的3個晶閘管，陰極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。3.1電路工作原理及過程的分析時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二次繞組相電壓與線電壓波形的對應關(guān)系，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析的波形時，既可以從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最大的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最小的相電壓，輸出整流電壓波形為線電壓在正半周期的包絡(luò)線。圖3為時，即在自然換相點觸發(fā)換相時，把一個周期等份6段。在第1段期間，a相電位高，因而共陰極組的晶閘管被觸發(fā)導通，b相電位最低。所以共陽極組的晶閘管被觸發(fā)導通，這時電流由a相經(jīng)流向負載，再經(jīng)流入b相，變壓器a,b兩相工作。經(jīng)過角后，進入第2段工作時期。此時a相電位仍然最高，晶閘管繼續(xù)導通，但是c相電位卻變成最低。當經(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)c相晶閘管，電流從b相換到c相，承受反向電壓而關(guān)斷。這時電流由a相流出經(jīng)、負載R,L、流回電源c相，變壓器a,c兩相工作，再經(jīng)過后，進入第3段時期。此時b相電位最高，共陰極組經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)導通晶閘管，電流即從a相換到b相，c相晶閘管電位仍然最低而繼續(xù)導通，這時變壓器b,c兩相工作。在第3段期間，b相電位最高，晶閘管仍然繼續(xù)導通，這時a相電位卻變成最低，所以晶閘管導通，這時電流由b相流出經(jīng)、負載R,L、晶閘管流回b相電源，變壓器b,a兩相工作。在第4段期間，c相電位最高，晶閘管導通，b相電位最低，晶閘管導通，電流由c相流出經(jīng)、負載R,L、晶閘管流回電源b相，變壓器c,b兩相工作。圖3： 3.2電路工作原理及過程的分析，下面給出其波，與相比，一周期中波形仍由段線電壓構(gòu)成，每一段導通晶閘管等仍符合表的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了，組成的每一段線電壓因此推遲，平均值降低。阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖4為時，把一個周期同樣等份6段。在第1段期間，a相電位高，因而晶閘管被觸發(fā)導通，b相電位最低。這時晶閘管被觸發(fā)導通，這時電流由a相經(jīng)流出而流向負載R,L，再經(jīng)流入b相，變壓器a,b兩相工作。在第2段工作時期,此時a相電位仍然最高，晶閘管繼續(xù)導通，a相電位最低。因而晶閘管被觸發(fā)導通，電流由a相流出經(jīng)晶閘管流入負載，經(jīng)過流入c相，變壓器c,a兩相工作，在第3段工作時期，b相電位最高，因而晶閘管被觸發(fā)導通，a相電位最低，晶閘管被觸發(fā)導通，電流由b相經(jīng)流出，經(jīng)過負載，經(jīng)過流入a相，這時變壓器b,a兩相工作。在第4段期間，c相電位最高，晶閘管被觸發(fā)導通，a相電位最低，晶閘管導通，這時電流由c相經(jīng)流出、經(jīng)過負載、再經(jīng)流入a相，a電位最低，變壓器c,a兩相工作。在第5段工作期間，c相電位最高，晶閘管導通，b相電位最低，晶閘管導通，電流由c相經(jīng)流出、負載、再經(jīng)流入b相，變壓器c,b兩相工作。圖4：3.3電路工作原理及過程的分析時，由于電感L的作用，波形會出現(xiàn)負的部分。，若電感L足夠大，中正負面積將基本相等，平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路角移相范圍為。三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電，當時，波形連續(xù)，由于電感L的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大時，負載電流的波形可以近似為一條水平線。由波形可見，在晶閘管導通段，波形由負載電流波形決定，和波形不同。當時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時波形不會出現(xiàn)負的部分。而阻感負載時，由于電感L的作用，波形會出現(xiàn)負的部分。如圖2時所示，若電感L足夠大，中正負面積基本相等，平均值近似為零。這表明帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為。

三相橋式全控整流電路是通過六個晶閘管和足夠大的電感把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電而供給電機使用的，它可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的控制電壓Uco改變晶閘管的控制角α，從而改變輸出電壓Ud和輸出電流Id來對電動機進行控制。

整流電路在接入電網(wǎng)時由于變壓器一次側(cè)電壓為380V，大于電動機的額定電壓，所以選用降壓變壓器，為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星型，而一次側(cè)接成三角形，這樣可以避免三次諧波電流流入電網(wǎng)，減少對電源的干擾。

圖(1)

主電路原理圖3.4電路的工作特點：1.三相橋式全控整流電路每個時刻均需2個晶閘管導通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，一個是共陽極組，只有它們能同時導通，才能形成導電回路。2.三相橋式全控整流電路就是兩組三相半波整流電路的串聯(lián)，所以與三相半波整流電路一樣，對于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差為。對于共陽極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管依次導通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差為。在電感負載情況下，每個晶閘管導通.由于共陰極組晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽極組晶閘管是在負半周觸發(fā)，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位差為。三相橋式全控整流電路每隔60度有觸發(fā)換流到下一號晶閘管。例如由換流到，因此每隔60度要觸發(fā)一個晶閘管，觸發(fā)脈沖的順序是，依次下去。相鄰兩脈沖的相位差是60度。整流輸出的電壓，也就是負載上的電壓，它屬于變壓器次級的線電壓。晶閘管所承受的電壓波形如圖一所示。三相橋式全控整流電路在任何瞬間僅有二臂的元件導通，其余四臂的元件均承受變化著的反向電壓。由于該電路的負載為阻感負載，且WL>>R，所以整流輸出電流為一條直線。每個晶閘管導電，電流波形為長方形波。四、主電路元件計算及選擇4.1、變壓器參數(shù)計數(shù)

根據(jù)地已知的技術(shù)要求：

一次側(cè)線電壓U1=380V，整流輸出電壓加在阻感負載上，且電感值較大（工作時可認為負載電流是連續(xù)平滑的直流），由輸出電壓可由控制觸發(fā)角來調(diào)節(jié)，且整流輸出電壓Ud在0～210V內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？扇r，，由上面的分析得出考慮到變壓器有漏感，會造成減小，但漏電感又在設(shè)計中無給出，由于其為小型變壓器，電壓損失較小，故可取。三相交流電源，線電壓380V，知其相電壓由上結(jié)果計算變比N計算得：下面計算初、次級繞組的導線直徑。計算時取導線電流密度為5A/mm2；計算得：再由變比與電流的關(guān)系得一次側(cè)電波有效值根據(jù)經(jīng)濟電流密度法來選擇導線,，。變壓器一次側(cè):變壓器二次側(cè):可根據(jù)計算選取變壓器一次側(cè)導線直徑0.50mm,二次側(cè)導線直徑1.02mm。4.2、電力電子器件電壓、電流等定額計算1）晶閘管電壓定額(一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍):2）晶閘管電流定額(一般取其平均電流為按此原則所得計算結(jié)果的1.5~2倍):已知計算得:4.3、平波電抗器電感值的計算一般只要主電路電感足夠大,可以只考慮電流連續(xù)段,完全按線性處理.當帶電機時在低速輕載時,斷續(xù)作用顯著,對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載的系統(tǒng),有L中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器和電感。前者數(shù)值都較小，所以上式求的近似為平波電抗電感。而一般取電動機額定電流的?？扇槠漕~定值。因為三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應減少約一半，這也是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。4.4、電容濾波的電容計算根據(jù)“電壓下降速度相等”原則，三相橋式結(jié)構(gòu)時而負載電阻為容量：加此電容可以濾去電壓中高頻成分。五、保護電路我們采取緩沖電路,它的作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓\或者過電流和,減少器件的開關(guān)損耗.在有緩沖電路的情況下,晶閘管開通時緩沖電容向先通過向晶閘管放電,使電流先上一個臺階,以后因為有抑制電路的,的上速度減慢。、是在V關(guān)斷時為中的磁場能量提供放電回路而設(shè)置的。在V關(guān)斷時，負載電流通過分流，減輕了的負擔，抑制了和過電壓。圖5.1保護電路六、相控電路的驅(qū)動控制晶閘管可控整流電路是通過控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制電壓大小。為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。6.1、集成觸發(fā)器集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。隨著集成電路制作技術(shù)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，現(xiàn)已逐步取代分立式電路。目前國內(nèi)常用的有KJ系列和KC系列，兩者生產(chǎn)廠家不同，但很相似。我根據(jù)我們的教材選了KJ系列下圖為KJ004電路原理圖。其中點劃線內(nèi)為集成電路部分。從圖中可以看出，它與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似?？梢苑譃橥健忼X波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。由1個KJ004構(gòu)成的觸發(fā)單元可輸出個相位間隔的觸發(fā)脈沖。只需用3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管脈沖放大即構(gòu)成完整的三相全控橋觸發(fā)電路，如圖下所示：圖6.1相控電路其中，KJ041內(nèi)部實際是由12個二極管構(gòu)成的6個或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。以上觸發(fā)電路均為模擬量的，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠，但缺點中易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達~，精度你。在對精度要求高的大容量變流裝置中，越來越多地采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很多的觸發(fā)脈沖對稱度。而在送觸發(fā)脈沖時，又加了一脈沖變壓器，起電氣隔離作用，對于是晶閘管起保護作用，電路圖如下：圖6.2觸發(fā)電路6.2觸發(fā)電路的定相向晶閘管整流電路供電的交流電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定不變的，而是會在允許范圍內(nèi)有一定的波動。觸發(fā)電路除了變當保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，這就是觸發(fā)電路的定相。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。接下來的問題是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確，觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結(jié)構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等。觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。如下給出了主電路電壓與同步電壓的關(guān)系示意圖。對于晶閘管，其陽極與交流側(cè)電壓相接，可簡單表示為所接主電路電壓為，的觸發(fā)脈沖從到的范圍為~。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負半周的對應于鋸齒波起點，通常使鋸齒波的上升段的為，上升段起始的和終了的線性度不好，舍去不用，使去中間的。鋸齒波的中點與同步信號的位置對應。三相整流電路器大量用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，且通常要求可實現(xiàn)再生制動，使的觸發(fā)角為。當時為整流工作，時為逆變工作。將確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前向后各有的移相范圍。于是與同步電壓的對應，也就與同步電壓的對應。對應于陽極電壓的位置對應，則其同步信號的應與的對應，說明的同步電壓應滯后于。對于其他5個晶閘管，也存在同樣的對應關(guān)系，即同步電壓應滯后于主電路電壓。對于共陰極組的、和，他們的陰極分別與、和。以上分析了同步電壓與主電路的關(guān)系，一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的接法，即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。下圖給出了變壓器接法的一種情況及相應的矢量圖，其中主電路整流變壓器為聯(lián)結(jié)，同步變壓器為聯(lián)結(jié)。這時，同步電壓選取的結(jié)果見表晶閘管主電路電壓同步電壓圖6.2電路原理圖七、結(jié)束語經(jīng)過幾天的努力，我們的課程設(shè)計完成。一路走過來，感覺比較充實還有一點成就感，因為這是通過大家的努力完成的。在這次課程設(shè)計中，我們到校圖書館查閱了大量的資料，學到了很多有用的但課本上沒有的東西，并且有不懂的地方積極的請教老師以及和同學之前討論，進一步鞏固了課堂上學的東西。電力電子技術(shù)是一門