三相相控直流电源硬件电路设计.docx

1、目 录一、课程设计任务和基本要求 2二、总体设计方案 31. 三相桥式相控整流电路的特点与原理 32. 确定总体方案 3三、功率主电路设计和功率器件参数计算选型 51. 系统基本原理 52. 参数计算 83. 器件选型 10四、触发电路电路设计 111. 脉冲形成电路的设计 112. 触发脉冲输出及电气隔离电路设计 143. 总电路图 17五、课程设计总结 18参考文献 18一、课程设计任务和基本要求电力电子技术课程设计任务书课程名称 电力电子技术课程设计 学生姓名 卢阿威 专业班级 自动122班 设计题目 三相相控直流电源硬件电路设计 一、 课程设计目的1、 培养学生文献检索的能力，特别是如

2、何利用Internet检索需要的文献资料。2、 培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、 培养学生运用知识的能力和工程设计能力。二、 设计内容、技术条件和要求1、技术要求1） 三相交流电源：线电压380V。2） 直流输出电压Ud：0210V范围内连续可调。3） 最大负载电流输出：20A。4） 负载为阻感负载，且电感值较大（工作时可认为负载电流是连续平滑的直流）。2、主要设计内容1） 整流变压器额定参数的计算（选择变压器次级额定电压，确定变比、初次级绕组的导线直径。计算时取导线电流密度为5A/mm2）。2） 晶闸管器件的电流、电压定额等参数的计算和选型。3） 集成触发电路的设计（包括

3、触发电路的定向【参考教材】；触发电路推荐采用集成触发控制电路，注意需有触发脉冲输出电路）。4） 画出完整硬件电路图，撰写课程设计说明书，写出设计心得体会。三、 时间进度安排按教学计划规定，电力电子技术课程设计总学时为1周，进度安排如下：1、 周一：布置设计任务；查阅资料，确定设计方案。2、 周二周三：电路设计。3、 周四周五：总结设计过程，撰写和提交课程设计说明书。四、 主要参考文献1、 电力电子技术（第5版），王兆安，机械工业出版社2、 电力电子学电力变换和控制技术，陈坚，高等教育出版社3、 现代功率电子技术，苏开才，毛宗源，中国电力出版社指导教师：丁喆，袁澜 2014年11月10日二、总体

4、设计方案2.1 三相桥式相控整流电路的特点三相相控整流电路当整流容量较大，要求直流电压脉动较小,对快速性有特殊要求的场合,应考虑采用三相可控整流电路。采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。半控桥只有共阴极组是晶闸管，触发电路只需给共阴极组3个晶闸管送出相隔120的单窄脉冲触发。在移相控制角a较大时，半控桥输出电压脉动较大，脉动频率也较低，同时半控桥触发脉冲间隔在120。三相桥式全控整流电路电路特点：全控桥在工作

5、时要向6个晶闸管送出相隔60的双窄触发脉冲。在移相控制角a较大时，全控桥输出电压脉动小。全控桥触发脉冲间隔仅60。2.2总体方案本次设计主电路设计采用三相桥式全控整流方案。全控桥触发脉冲间隔仅60，并且全控桥的动态响应快，系统调整及时，因此三相全控桥广泛应用在大功率系统中。整个设计主要分为主电路、触发电路以及电气隔离三个部分。三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定

6、相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作。如图所示三、功率主电路设计和功率器件参数计算选型3.1系统的基本原理3.1.1三相全控桥的工作原理一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）2管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个晶闸管，不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次

7、差60。2）共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。3）共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。4）同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。（3）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）。（4） 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。在实际运用中，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中与三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与三相电源相接的3个晶闸管

8、分别为VT4、VT6、VT2。从而使晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。本次设计为三相桥式相控带阻感负载。电路原理图如图所示。3.1.2阻感负载时的波形分析当60度时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 波形不同，电阻负载时 波形与 的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似

9、为一条水平线。图1和图2分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0度和=30度的波形。 图1 触发角为0度时的波形图 图2 触发角为30时的波形图当60度时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。图3给出了=90度时的波形。若电感L值足够大，中正负面积将基本相等，平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90度。图5 触发角为90时的波形图3.2参数计算3.2.1确定变压器变比三相桥式全控整流电路中，整流输出电压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，

10、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。 把=0。和Ud=210V代入式中210解得U2 = 89.74V 取U2 = 90V变比N = U1/U2 = 4.23.2.2计算初、次级导线直径变压器二次侧电流为。 = 0.816 IdIa= 0.816 X 20 = 16.32AI1=I2/N =16.32/4.2 = 3.98AImax=I2/1.57=3.0446A变压一次侧 Sec1=3.0446/5=0.6089mm2变压二次侧 Sec2=20/5= 4.0mm2由S = D2/4一次侧导线直径 0.5mm，二次侧导线直径1.02mm3.2.3计算晶闸管的电流

11、、电压晶闸管的额定电压为UN =（2 - 3）Up = (2 3)6U2=（440.91 661.36）V流过每个晶闸管的电流的有效值为IVT=Id/2 = 11.547AIdvt=IVT/1.57Idvt=7.354A晶闸管的额定电流为IN=（1.5-2）Idvt=(11.032 14.710)A3.3器件选型3.3.1变压器的选择变压器的容量分别如下：变压器初级容量为：变压器容量为：即：变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法，；次级绕组星形接法，；容量选择为4.418kW。3.3.2晶闸管的选型普通晶闸管额定通态平均电流5A-5000A 断态及反向重复峰值电压100V-4500V。结构上分

12、螺栓型和平板型，采用风冷和水冷式散热器，主要用于调温、调光、电源整流、逆变、电机调速、直流牵引、发电机励磁、快速开关、自动控制电频。该产品符合国标GB4940-85、JB5838-91、JB5839-91及国际电工委员会（IEC）标准。跟据实际需求晶闸管选取型号为KP20A。四、触发电路电路设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。4.1 脉冲形成电路的设计本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ0

13、04器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：4.1.2 KJ004的工作原理如图KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。在uS的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正

14、、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|0.7V时，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26

15、在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6导通。设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经 （+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180的脉

16、冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经 V13V15放大后输出负相脉冲。4.1.3 集成触发器电路图三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图所示：4

17、.2触发脉冲输出及电气隔离电路设计本次设计的隔离主要使用用于 IGBT 的富士混合 IC 驱动器EXB850进行设计。4.2.1驱动器特点1、 不同的系列标准系列：最大 10kHz 运行高速系列：最大 40kHz 运行2、这些系列包括了全部 IGBT 产品范围 内装有用于高隔离电压的光耦合器：2500VAC 一分钟 单供电操作 内装过流保护电路 过流保护输出 高密度安装的 SIL 封装EXB850 为混合 IC 能驱动高达 150A 的 600V IGBT 和高达 75A 的 1200V IGBT 由于驱动电路的信号延迟S，所以此混合 IC 适用于高达大约 10KHZ 速度的开关操作。根据实际

18、需求型号选择EXB8504.2.2驱动器功能方框图4.2.3驱动器实现信号隔离电路信号隔离电路驱动器具有高隔离电压的光耦合器用作信号隔离，因为驱动电路信号延迟依赖于光耦合器的特性，所以按照混合 IC 的规格来选择高速或通用光耦合器。过流检测IGBT 能抵抗仅 10s 的短路过流，所以必须有极快的保护电路。此混合 IC 装有一个过流保护电路。按照驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流。总电路图如下：五、 课程设计总结通过这次课程设计我懂得了许多的课本上所没有的知识，使我受益匪浅。在进行课程设计的过程中，曾几次试图放弃，可是我知道，只要坚持总能找到解决办法，于是当真不负我的努力。通过此次设计，不仅

19、提高了我的学习能力，更加拓展了查阅资料的视野。学会了参考工具书和从互联网的世界中获得有用知识的能力。实践是检验真理的唯一标准，平时学的还算可以，可真到设计的时候起初还是无从下手。正是这次设计，让我对知识有了更深的理解，真正做到了学为我用，进行了知识间有效整合。过而能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。、总之，此次课程设计让我受益匪浅。【参考文献】1电力电子技术（第5版），王兆安，机械工业出版社2电力电子学电力变换和控制技术，陈坚，高等教育出版社3现代功率电子技术，苏开才，毛宗源，中国电力出版社4晶闸管型号与参数忽略:/5马建国,电子系统设计.北京：高等教育出版社,20046 EXB840-841详细使用说明.忽略此处.页 22