kW大功率可控整流电路.docx

电力电子技术课程设计（论文）
题目：650kW大功率可控整流电路
院（系）： 电气工程学院
专业班级： 电气123
学 号：120303079
学生姓名：于国涛
指导教师：孙丽颖
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室： 电气
学 号
120303079
学生姓名
于国涛
专业班级
电气123班
课程设计（论文）题目
650kW大功率可控整流电路
课程设计（论文）任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为1台额定电压660V、功率为650kW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
设计任务
1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具体型号。4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。5、触发电路设计或选择。6、绘制相关电路图。7、进行matlab仿真。8、完成设计说明书。
要求
1、 文字在4000字左右。
2、 文中的理论分析与计算要正确。
3、 文中的图表工整、规范。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源：三相10kV或6kV。2、整流输出电压Ud在0～660V连续可调。3、整流输出电流最大值1000A。4、直流电动机负载。5、根据实际工作情况，最小控制角取200～300左右。
进度计划
第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电抗器；第8天：触发电路设计、进行matlab仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩
指导教师评语及成绩
平时： 论文质量： 答辩：
总成绩： 指导教师签字：
年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
近些年来随着电力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。
本次设计中的大功率可控整流电路由串联12脉可控整流电路实现，采用晶闸管作为开关器件，来控制输出电压的大小，首先利用有中心抽头的电源变压器将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压，再经过整流电路为1台额定电压660V、功率为650kW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。
在设计中，首先画出主电路图，并说明其工作原理，再通过计算，使主电路达到技术要求的标准。然后，选择触发电路和保护电路的结构以及晶闸管的型号和变压器的变比及容量，完成本设计的任务。
关键词：可控整流；晶闸管；触发电路；保护电路
目录
第1章 绪论1
1.1 整流技术概况1
1.2 本文内容设计2
第2章 大功率整流电路电路设计3
2.1 650kW大功率可控整流电路总体设计方案3
2.2 具体电路设计4
2.2.1 主电路设计4
2.2.2 控制电路设计7
2.2.3 保护电路设计9
2.3 元器件型号选择12
2.3.1 晶闸管参数计算与选择12
2.3.2 变压器的变比及其容量13
2.3.3 平波电抗器的确定13
2.3.4 保护电路中的电容电阻确定14
2.3.5 跟晶闸管串联的快速熔断器的确定14
2.4 系统仿真14
2.4.1 MATLAB仿真软件简介14
2.4.2 MATLAB仿真模型建立15
2.4.3 MATLAB仿真数据分析及波形16
第3章 课程设计总结18
附录19
参考文献20
第1章 绪论
1.1 整流技术概况第1章 TC
0

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，它包括变压、电流、频率和波形等方面的变换。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。
电力电子技术的应用已深入到国家经济建设，交通运输，空间技术，国防现代化，医疗，环保和人们日常生活的各个领域。进入新世纪后电力电子技术的应用更加广泛。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学的两大支柱。
随着电力电子技术的发展，现代工业生产设备使用的换流装置的容量越来越大，数量也越来越多。大量的谐波电流注入电网，就会严重地威胁电网的安全运行，危害其它用电设备及自动化仪表等。为了减少干扰，可采用多重化整流。将几个整流电路多重联结可以减少交流侧输入电流谐波，而对晶体管多重整流电路采用顺序控制的方法可以提高功率因数。
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。
整流电路的多重联结有并联多重连结和串联多重联结。对于交流输入电流来说，采用并联多重联结和串联多重联结的效果是相同的。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文波频率因而减小平波电抗器。
1.2 本文内容设计
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。结合所学的知识按要求设计主电路，阐述串联多重12脉整流电路的工作过程及负载端的电压和电流波形；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，选择正确合适的触发电路。最后设计了保护电路，选取合适的过压、过流保护电路以及计算其相应元件的参数，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。从而使整流装置的各项指标达到设计的要求。
第2章 大功率整流电路电路设计
2.1 650kW大功率可控整流电路总体设计方案
一、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、三相桥式半控整流电路，都不适用于大功率整流电路。
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，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。
二、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0～660V连续可调。
在此设计中采用。

2.2 具体电路设计
2.2.1 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。

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。

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。

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。

1．整流输出电压的平均值可按下式计算

由于根据实际的工作情况，最小控制角取左右，且当阻感负载时α角的移相范围为。故当α=时，取得最大值660V，即：
（2—2）
从而得出的最值；当α=时，取得最小值0V，即。

:
由于M为1台额定电压660V、功率650kW的直流电动机，其相当于600V的反电动势，即Em=600V，所以Rd=0.06Ω，即直流电动机的励磁绕组为0.06Ω。
3.流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：
（2—4）
（2—5）
和晶闸管承受的最大反相电压 分别为：

2.2.2 控制电路设计
对于多重串联可控整流电路来说，必须配有控制电路，来控制晶闸管的通断，在晶闸管阳极承受正向电压，还必须在晶闸管门极与阴极之间加触发电压，使晶闸管可靠导通。
晶闸管触发电路应满足下列要求：
（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；
（2）触发脉冲要有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3到5倍；
（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；
（4）应具有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽，外接元件少等优点。其采用18引脚封装，如图所示：

图2.6 TC787管脚图
（1）电路原理：
相同步电压经过T型网络进入电路，同步电压的零点设计为1/2电源电压（电路输入端同步电压峰峰值不宜大于电源电压），通过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后，在Ca、Cb、Cc三个电容上积分形成锯齿波。由于采用集中式恒流源，相对误差极小，锯齿波有良好的线性。电容的选取应相对误差小，产生锯齿波幅度大且不平顶为宜。锯齿波在比较器中与移相电压比较取得交相点，移相电压由4脚通过电位器或外电路调节而取得。抗干扰电路具有锁定功能，在交相点以后锯齿波或移相电压的波动将不能影响输出，保证交相唯一并且稳定。
脉冲形成电路是由脉冲发生器给出调制脉冲（TC787），调制脉冲宽度可通过改变Cx电容的值来确定，需要宽则增大Cx，窄则减小Cx, 1000P电容约产生100μS的脉冲宽度。被调制脉冲的频率-8/调制脉冲宽度。
脉冲分配及驱动电路是由6脚控制脉冲分配的输出方式，6脚接低电平VL，输出为半控方式，12、11、10、9、8、7分别输出A、-C、B、-A、C、-B的单触发脉冲，6脚接高电平VH，输出为全控方式，分别输出A、-C；-C、B；B、-A；-A、C；C、-B；-B、A的双触发脉冲，用户可以选择。5脚为保护端，当系统出现过流过压时，将5脚置高电平VH，输出脉冲即被禁止。5脚还可以用作过零触发系统的控制端，输出端可驱动功率管，经脉冲变压器触发可控硅；也可直接驱动光电耦合器，经隔离触发可控硅或驱动三级管。
（2）电路组成：
相同的部分：同步过零和极性检测、锯齿波形成、锯齿波比较，经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路形成三相触发调制脉冲或方波，由脉冲分配电路实现全控、半控的工作方式，再由驱动电路完成输出驱动。
（3）工作原理如图：

图2.7 TC787工作原理图
（4）特点：
1、单电源工作，电源电压8V～15V。
2、相触发脉冲调相角可在0～180°之间连续同步改变。
3、识别零点可靠，可方便地用作过零开关。
4、器件内部设计有交相锁定电路，抗干扰能力强
5、可用于三相全控触发（6脚接VDD），也可用于三相半控触发（6脚接地）。电路备有输出保护禁止端，可在过流过压时保护系统安全。TC787输出为调制脉冲列，适用于触发可控硅及感性负载。要通过改变电容Cx而选择。
2.2.3 保护电路设计
相对于电机和继电器，接触器等控制器而言，电力电子器件承受过电流和过电压的能力要弱得多，极短时间的过电流和过电压就会把器件永久性的损坏。但又不能完全根据装置运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数，必须充分发挥器件应有的过载能力。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。
1．过电压保护
过电压保护按保护的部分划分为变压器保护和整流晶闸管器件保护。凡是元件在运行过程中，在整流晶闸管两端的电压超过其正常工作时的最大峰值电压的任何电压都是过电压。常见的过电压有两种：操作过电压和浪涌过电压。操作过电压通常由整流装置的拉闸、合闸等电磁剩引起的。浪涌过电压主要是由于雷击等原因由供电电网侵入整流装置的偶尔性的过电压。进行过电压保护的原则是采取有效保护措施，使经常发生的操作过电压被限制在整流晶闸管的额定工作电压以下；并且使偶然发生的浪涌电压限制在整流晶闸管器件的反向不重复峰值电压以下。
RC过电压抑制电路（如图所示）通常并联在变压器次级，以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容的电场能储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能产生的振荡。

图RC过电压抑制电路
单相整流电路RC参数的计算公式为:

电容Ca的耐压:

电阻的值:
式中:——变压器每相平均计算容量（VA）；
——变压器次级相电压有效值（V）；
——励磁电流百分数，当伏安时，；
——变压器的短路比，变压器容量为10～1500KVA时，

上述和值的计算公式（2-8）和（2-9）是依单相条件推导得出的，对于三相电路,和的数值应按表2.1进行相应换算：
表
变压器接法
单相
三相，次级接
三相，次级接
阻容装置接法
与变压器次级并联
接
接
接
接
电容（）

电阻（）

通常在晶闸管两端并联RC电路如图2.8所示，串联电阻R的作用一是阻尼LC回路的振荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率 。
实际应用中，R、C的值可按经验数据选取，如表2.2所示。
表2.2 与晶闸管并联的阻容电路经验数据
晶闸管额定电
10
20
50
100
200
500
1000
电容

1
2
电阻
100
80
40
20
10
5
2
2.过电流保护
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。

图过电流保护措施及配置位置
在选择快熔时应考虑：
（1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。
（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。
（3）快熔的值应小于被保护器件的允许值、
（4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
若晶闸管的额定电流取70A,因为快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为105A。
带保护电路的整流电路图如图所示：

图带保护电路的整流电路
2.3 元器件型号选择
2.3.1 晶闸管参数计算与选择
①额定电压：
在选用管子时，额定电压应为晶闸管承受的最大反向电压的倍，以保证电路的工作安全。
变压器二次侧压根据公式2-1得：
晶闸管承受的最大反向电压由公式2-7得：
晶闸管的额定电压为：

②额定电流：
流过每个晶闸管的电流有效值根据公式2-5得：
晶闸管的额定电流为：

2.3.2 变压器的变比及其容量
为使变压器二次侧两三相桥电压相等两绕组匝数比恒为
① 果将变压器看作是理想变压器，不计变压器的励磁电流，根据变压器的磁动势平衡原理：
由此得出变压器一次侧跟二次侧的绕组Ι的变比为：

所以变压器的变比为：
②变压器的容量S：

考虑到安全性以及损耗问题，变压器应选变比为，容量为400KA。
2.3.3 平波电抗器的确定
为保证电流连续所需要的电感值L可由下式求出：
为最小负载电流，一般取电动机额定电流的5％—10％，若取5％，则A
平波电抗器：

2.3.4 保护电路中的电容电阻确定
有公式2-8,2-10得：

查表2-2得：
2.3.5 跟晶闸管串联的快速熔断器的确定
快速熔断器的熔断电流为：
序号
代号
名称
型号
1

晶闸管
KP1000A
2

晶闸管
KP1000A
3
T1
变压器
V
4
L
平波电抗器
mH
5

电容

6

电容

7

电容

8

电阻

9

电阻

10

电阻

11
FU
快速熔断器
RO17H

2.4 系统仿真
2.4.1 MATLAB仿真软件简介
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
Simulink是MATLAB各种工具箱中比较特别的。Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。
在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方
程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。
2.4.2 MATLAB仿真模型建立
图为串联12脉波原理图，其中和为2组整流桥串联；为整流变压器，其二次侧的绕组，，和，，分别采用形和形联结，构成相位差的两组电压，而形联结的变压器二次侧绕组相电压为星形二次侧绕组相电压的倍，这样2组交流电源的线电压相等。

图12脉波串联整流电路原理图
串联12脉波整流电路建模：
串联12脉波整流电路主电路由三相对称交流电压源、整流变压器、晶闸管整流桥、同步脉冲触发器、RLC负载等部分组成。同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的2个环节，2个晶闸管整流桥串联联结给负载供电，在Simulink环境下串联12脉波整流电路的仿真模型如图所示：

图2.12串联12脉波整流电路仿真图
2.4.3 MATLAB仿真数据分析及波形
三相对称交流电压源参数设置：
为了便于观察三相对称交流电压源的幅值设为220V，频率为50，相位分别为、、。
三相变压器参数设置：
采用3绕组三相变压器，1次侧绕组采用Y形接线方式，2次侧绕组分别采用Y形和形接线方式。便于观察，3个绕组的额定电压分别取380V，220V，220V。
三相晶闸管整流桥参数设置：使用默认值。
负载参数设置：R取100，L取0，C取inf。
同步脉冲触发器设置：
频率为50，脉冲的宽度取20degrees，选取双脉冲触发方式。选定触发角为
仿真参数设置：
仿真时间设为，数值算法采用ode23tb，完成上述步骤后运行仿真模型，从示波器中观察输出波形。
仿真后的电流、电压波形如图2.13、2.14所示：

图电阻负载时输出的电流

图电阻负载时输出的电流
第3章 课程设计总结
本文设计的是基于三相桥式整流电路为基础的串联12脉波全控整流电路，采用TC787触发电路来进行输出直流电压大小的连续调节，以实现直流电机转速的连续改变。同时该电路还采用过电压保护电路，来实现变压器晶闸管的保护，采用过电流保护来保护电路安全。该电路具有开关管承受的电压低，开关器件少，驱动电路安全可靠等优点。该电路包括四个主要部分：
输入整流电路：采用串联12脉波全控整流电路，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。
滤波电路：采用电感滤波，该滤波电路能使负载两端得到低脉动的直流电。
控制电路：采用TC787控制电路，这种控制电路采用经同步过零和极性检测、锯齿波形成、锯齿波比较，经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路形成三相触发调制脉冲或方波，由脉冲分配电路实现全，再由驱动电路完成输出驱动的控工作方式。驱动电路安全可靠等优点。
保护电路：采用过电压保护，过电流保护，能保证电路安全可靠的工作。
本次课设题目是660V/1000A大功率可控整流电路设计。刚开始，我很困惑，不知从何下手，经过大量资料的翻阅，大概得到了整体电路设计的方案。但是定量的要求却完全达不到，后来经过老师所给材料，找到突破口。经历了一次又一次的失败，我积累了许多宝贵的经验。在经过了数天的努力，终于达到了本次课设题目的要求，圆满的完成了课程设计。
附录
参考文献
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