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1、电力电子技术课程设计 班级 电气1002班 学号 姓名 扬州大学 能源与动力工程学院电气及自动化工程 二零一四年一月目录摘要1第1章 绪论21.1 电力电子技术的发展21.2电力电子技术在直流整流器上的应用31.3 整流器的发展31.4 本设计研究的主要内容及方法3第2章 总体设计方案52.1最优方案选取52.2系统原理简述及方框图52.3主电路设计：6晶闸管的选择及型号的确定8变压器的设计11触发电路的设计122. 4保护电路设计13过电压保护14过电流保护152. 5系统调试或仿真17串联12脉波整流电路建模18仿真结果与谐波分析22结论28课程设计总结29参考文献30摘要近些年来随着电力
2、电子技术的快速发展，电力电子技术已广泛应用于各个领域。直流整流器是以电力电子技术为基础发展起来的。它是利用电力电子技术的基本特点以小信号输入控制很大的功率输出，放大倍数极高，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。利用这一特点能获得节能、环保、高效、高可靠性、安全良好的经济效益。整流电路是将交流电能变为直流电能的一种装置，整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。它的发展还与其他许多基础学科有着紧密的联系，如微电子技术、计算机技术、拓扑学、仿真技术、信息处理与通信技术等等。每一门学科或专业技术的重大发展和突破都为电力电子技术的发展带来了巨大的推动力。关键词：整流电路；控制电路；触发电路；保
3、护电路；第1章 绪论1.1 电力电子技术的发展近年来电力电子技术发展异常迅速，新型元器件频繁换代、层出不穷，应用领域不断扩大，日趋成熟。电力电子技术在生产自动化、节能降耗、信息技术和日用电器等多方面越来越产生着举足轻重的影响。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的。早在20世纪三四十年代，人们就开始应用电机组、贡弧整流器、闸流管、电抗器、接触器等进行对电能的变换和控制，这样的变流装置存在着以下明显的缺点：如功率放大倍数低，相应慢，体积大，功耗大，效率低和噪声大。20世纪50年代初，普通的整流器SR(semiconductor rectifier)开始使用，实际上已经开始取代贡弧整
4、流器。但电力电子技术真正的开始是由于19571958年第一个反向阻断型可控硅SCR(silicon controlled rectifier)的诞生，后称晶闸管(thyristor)。一方面由于其功率变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，是电子技术步入了功率领域。变流装置有旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。 20世纪70年代后期，尤其是20世纪80年代以后各种高速、大功率、全控型的器件先后问世，并获得迅速发展。如可关断晶闸管GTO(gate-turn-off-thyristor)、大功率(巨型)晶体管G
5、TR(giant transistor)、功率场效应晶体管Power MOSFET（Metal-Oxide Semiconductor）等。随着集成工艺的提高和突破，20世纪80年代中期电力电子的另一个重要进展是诞生了功率集成电路，也称PIC（Power IC）和智能功率模块IPM（intelligent power model）。这些期间实现了功率器件与电路的总体集成，它使微电子技术与电子技术相辅相成，把信息科学融入功率变换。新型的电力半导体器件的特点是：全控化、集成化、高频化、高效率、低谐波、高功率因数、变换器小型化、控制技术数字化和微机化。电力半导体器件特性的每一步新发展都引起了变换电路
6、和控制技术的相应突破。总之，电力电子装置在减小体积和重量、提高效率、增加快速性以及增高电压、扩大电流、提高频率等方面均会有较大的进展。由于有性能优良的电力半导体开关器件、性能大为改善的磁性和绝缘材料、计算机、大规模集成电路技术、频率高达兆赫及的电能处理方法、新型电路拓扑结构及分析方法的不断突破，使今天的电力电子技术具有全新面貌。1.2 电力电子技术在直流整流器上的应用在电力电子技术中把交流电压换成固定或可调的直流电压，即为AC/DC变换，如可控整流器。传统的AC/DC变换是利用晶闸管和相控技术，依靠电网电压换流实现的。直流整流器就是利用这种技术来实现对所需调压范围进行控制的。至今工业中应用的大
7、多数是这类整流装置，其电路拓扑早在闸流管时代已基本确定。为了满足我国经济的高速发展，工农业大生产及科研、国防的需要,应大力发展中大型可调电源成套装置。例如大型高电压电力试验站，大型加热及自动控温装置，电机、变压器、电气开关等。生产大中型可调电源成套装置，必须对各类整流器的单机容量、质量标准及特殊使用要求等提出新的课题研究。1.3 整流器的发展传统的整流器主要使用变压器的原理根据所需电压的大小来进行调节，这种整流器存在着调压范围窄、装置体积大、不易操作、谐波干扰等诸多问题。随着电力电子技术的迅速发展，利用可控整流器，通过控制晶闸管导通和关段的时间进行调压。相控晶闸管具有对称的阻断特性和较低响应速
8、度，这类整流的特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。相控整流器存在的问题是产生低次谐波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严重影响。1.4 本设计研究的主要内容及方法根据电力电子器件以及电力电子技术对整流电路进行设计，计算出相关元器件的数值，熟练掌握晶闸管及整流管的工作特性。结合所学的知识设计主电路，阐述串联多重12脉整流电路的工作过程及波形；主电路中所用器件的参数计算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。其次研究了晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节的工作状况；从而使整流装置的各项指标达到设计的要求。对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算
9、，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。第2章 总体设计方案2.1最优方案选取应用最为广泛的整流电路有：单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波可控整流电路、三相不可控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路、串联12脉波全控整流电路、并联12脉波全控整流电路。本文需设计的整流器交流电源是三相的，所以单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路都不适用于本次设计。三相半波可控整流电路、三相不可控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相桥式半控整
10、流电路，都不适用于大功率整流电路，所以本次设计没有采用。带平衡电抗器的双反星形可控整流电路、串联12脉波全控整流电路、并联12脉波全控整流电路，都适用于大功率整流，但带平衡电抗器的双反星形可控整流电路多适用于需要输出低电压大电流的装置。对于交流输入电流来说，采用串联12脉波整流电路和并联12脉波整流电路的效果是相同的。由于可控整流装置用来驱动直流电动机(其容量较大)，容易引起交流侧的高次谐波，对电网的干扰严重。采用12脉波全控整流电路（多重化整流电路），这种整流电路的功率因数较高，对减少电网中的谐波干扰十分有效，可以有效地消除电力系统中较高次数的谐波。并联12脉波全控整流电路带有平衡电抗器，而
11、串联12脉波全控整流电路则没有，其对材料的消耗大于串联12脉波全控整流电路，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的，其成本也比串联12脉波全控整流电路高，而且其接线也比串联12脉波全控整流电路复杂。根据以上分析比较，本次设计采用串联12脉波整流电路比较适合2.2 系统原理简述及方框图整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路滤波电路组成。根据设计任务，将三相10kV交流电源经变压器变压，再经整流电路整流输出带脉动的直流电，再经滤波电路滤波得到直流电，其中保护电路为保证此整流电路安全可靠的工作，驱动电路是整流电路的控制电路，控制整流后输出直流电压Ud在0660V连续可调。在此设计中采
12、用串联12脉波整流，方框图如图2.1所示。 图2.1方框图2.3主电路设计：整流电路工作原理3个相差的三相电源电压，可以通过变压器的适当联结，能够获得一组相位依次相差的六相电源电压，从而得到六相整流电压。为获得12脉波整流装置，需要的到十二相电源，采用方法如图2.2所示。图2.2主电路图2.2是移相构成串联2重联结电路的原理图，整流变压器二次侧绕组分别采用星形和三角形接法，使两组三相交流电源间相位错开，其大小相等，从而使输出整流电压在每个交流电源周期中脉动12次。因为绕组接法不同，变压器一次绕组和二次绕组的匝数比为。可将桥I和桥 II看成两相同3相桥串联而成，只是两桥间相位相差。三相桥式全控电
13、路分析对于三相桥式全控整流电路，其工作原理如图2.3所示，习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（,）称为共阴极组；阳极连接在一起的的三个晶闸管（,）称为共阳极组，此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通。为此将晶闸管按图2.3的顺序编号。图2.3三相桥式全控电路图为简单起见，在分析整流电路工作时，认为晶闸管（SCR）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于晶闸管阻断时其漏电流等于0。假设将电路中晶闸管换为二极管，这种情况就相当于触发角为时的情况。此时共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而共阳极组则是阴极所接交流电压最小的一个导通。此时电路电压工作波形如图2.4所示。 图2.
14、4电压波形串联12脉波全控整流电路分析 由于串联多重化整流电路相当于俩三相桥式全控整流电路串联，两桥间相位差为，所以将两相位差为的三相桥式全控电路电压波形叠加即可得到串联12脉波全控整流电路电压波形（如图2.5所示），其中粗红线为实心点为a，b，c自然换相点，空心点为，的自然换相点。图2.5串联12脉波全控制整流电路电压波形2.3.1晶闸管的选择及型号的确定触发电路的类型很多,各有其特点。在选择触发电路时，应根据系统的要求合理选择。 对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，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。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲触发。一、主电路二次侧是有两个分别采用采用星接和角接的三相全控桥式整流电路，对于二次侧采用星接的整流电路其晶闸管的参数有以下计算得出晶闸管的有效值：晶闸管通态平均电流：取安全裕量= 2 ,则所选晶闸管电流值为：
