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1、中北大学信息与通信工程学院电力电子课程设计1 绪论电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。现如今电力电子技术已深入到工农业经济建设、交通运输、空间技术、国防现代化、医疗、环保和亿万人们日常生活的各个领域，进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和
2、滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。2 方案的论证与设计2.1方案的论证三相可控整流电路中，最基本的是三
3、相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。三相半波可控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。主要缺点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。2.2方案的设计我的选题是三相半波可控变流器的设计，初始条件是三相桥式全控整流电路，电阻-电感性（大电感）负载，R2.5，额定负载电流Id20A。需要运用的知识点有单相桥式全控整流电路的原理及参数计算。整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根据设计任务，在此设计中采用三相桥式全控整流电路接阻感性负载。系统原理框图如图1所示。三相电源输出驱动电路整流
4、主电路负载电路保护电路图1 系统原理方框图3 主电路设计及原理3.1主电路设计其原理图如图1所示。图2 三相半波可控整理电路图3.2 主电路原理说明当大于等于30时相邻两项的换流是在原导通相的交流电压过负之前，其工作情况与电阻性负载相同，输出电压Ud波形，Ut波形也相同。由于负载电感的储能作用，输出电流Id是近乎平直的直流波形，晶闸管中分别流过幅度Id，宽度120的矩形波电流，导通角=120 图3 工作原理波形图3.3晶闸管选择及参数计算分析 由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。额定电压在选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值
5、电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管承受的最大电压为：晶闸管额定电压为：额定电流 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。晶闸管额定电流为：额定状态下， 晶闸管的电流波形系数为：4 保护电路的设计较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱
6、得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。4.1 过电压保护晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。，包括换相过电压和关断过电压。晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。晶闸管内因过电压保护电路如图6所示。图4 晶闸管过电压保护电路 这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和抑制电
7、路串联使用，从而更好的保护晶闸管。图5 晶闸管过电压、di/dt抑制保护电路如图5所示，开通时刻缓冲电容先通过向V放电，使电流先上一个台阶，以后因为有抑制电路的 ,的上升速度减慢。、是在关断时刻为中的磁场能量提供放电回路设置的。在关断时，负载电流通过向分流，减轻了的负担，抑制了和过电压。4.2 过电流保护电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载荷短路两种情况。常用的过电路保护措施如图8所示。一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。针对某种电力器件，可能有些保护措施是有效的而另外一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。图6 过流保护电路图交流断路器保护是通过
8、电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流。应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。 来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关
9、断，但经一定的时间后，电流衰减到 0，器件关断。这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。 快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器） ，也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。接法不同，保护效果也有差异。熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。 撬杠保护多应用于大型
10、的电力电子设备，电路中电流检测、电子保护都是必需的，同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。其保护原理如下：当检测到的电流信号超过整定值时，触发保护用的晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接一个小电感用以限制 di/dt；驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件，以分散短路能量，让所有器件分担短路电流；使交流断路器断开，切断短路能量的来源。经一段时间的衰减短路能量消失，起到保护作用。5 触发电路的设计 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：1.当晶闸管承受
11、反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。图7 双脉冲触发电路根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代
12、替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60o，脉宽一般为20o 30o，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图7所示。6 MATLAB仿真6.1 连接电路图图8 MATLAB仿真电路图6.2 设置仿真参数设置触发脉冲分别为0、3060、90。在波形图中第一列波为脉冲波形，第二列波为流过晶闸管电流波形，第三列波为晶闸管电压波形，第四列波为负载电流波形和负载电压波形。6.3 仿真结果图9 =0时图10 =30时图11 =60时图12 =90时7 小结这次课程设计的主要内容是电力电子技术中的交流变直流，即整流过程。本次课程设计的任务包括主电路的设计及参数计算，变压器的参数
13、计算，选择整流元件的定额，触发电路的设计以及晶闸管的过电压保护与过电流保护电路的设计等，我们通过查阅资料，认真完成课每一个任务。一：首先，对任务书进行深入的学习，了解自己需要完成的任务，搞清楚题目所涉及到的知识点，翻阅课本及资料，加深对相关知识的学习和理解。二：接下来的工作是对主电路的设计及参数计算阻感负载。三：这个环节主要是对变压器的参数进行计算。四：然后就是对触发电路的设计，这部分涉及到触发电路的选型，同步信号的定相等。接着对晶闸管的过电压保护及过电流保护电路进行了设计。五：最后是对系统电路图的绘制。做这个课程设计花费了大量时间，也学会了很多。首先，在整个设计中必须知道自己要干什么，整流电
14、路中还有很重要的驱动电路，保护电路之类的电路及参数需要选择，然后明确首先得完成的基本要求；其次，学会查找资料，；最后，学会独立完成一份设计，并从中获得自信，也明白了一个设计必须得有很坚实的基础。参考文献1王兆安,刘进军.电力电子技术.5版.北京：机械工业出版社，20092王兆安,黄俊.电力电子技术.4版.北京：机械工业出版社，20003王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 4林辉，王辉.电力电子技术.武汉：武汉理工大学出版社，2002致 谢 在本次课程设计的撰写中，我得到了XX老师和XX老师的精心指导，从开始定向内容到查资料准备的过程中，一直都耐心地给予我指导和意见，使我在课程设计方面都有了较大提高。同时还要感谢我的同组成员XX同学的帮助，他在许多细节方面对我进行了指导和纠正。感谢学校给我们提供了安心学习和设计的场所，让我们顺利完成设计。最后再一次感谢大家的帮助。第 10 页 共 11 页
