电力电子课设 单相可控变流器设计

附件1：学号：16课程设计题目单相可控变流器设计学院自动化学院专业自动化班级自动化1001班姓名张帆指导教师李向明2013 年 1 月 3 日课程设计任务书学生姓名：张帆专业班级：自动化1001班指导教师：李向明工作单位：自动化学院题目：单相可控变流器的设计初始条件：单相全控桥式可控整流电路或单相半控桥式可控整流电路，电阻-电感性（大电感）负载， R＝1.5Ω，额定负载电流Id ＝40A，最大电流Idmax＝40A。

要求完成的主要任务：1.单相可控主电路设计于参数计算，计算整流变压器参数，选择整流元件的定额）。

讨论晶闸管电路对电网的影响及其功率因数。

2.触发电路设计（触发电路的选型，同步信号的定相等）。

3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。

4.系统原理分析5. 提供系统总电路图。

课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

应画出单元电路图和整体电路原理图，给出系统参数计算过程，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

时间安排：2012.12.24～2012.12.25 收集资料2012.12.26～2012.12.28 系统设计2012.12.29～2012.12.30 撰写课程设计论文及答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要本次课程设计按照任务说明书的要求，完成了单相可控变流器设计。

选择单相全控桥式整流（阻感性负载）作为设计方案，整个系统由交流电源、控制电路、驱动电路、负载电路以及保护电路组成，基本能够满足题目要求。

经过对整个电路的MATLAB建模仿真，验证了方案的正确性。

最后，给出了系统的总电路图。

经过一周左右的课程设计，锻炼了动手动脑的综合能力。

目录1设计背景 02系统方案选择 03单元电路设计 (2)3.1单相可控主电路设计参数计算 (2)3.1.1工作原理分析 (2)3.1.2整流电路参数计算 (3)3.1.3整流变压器参数计算 (4)3.2晶闸管电路对电网的影响及其功率因数 (5)3.2.1晶闸管主要参数 (5)3.2.2晶闸管选取原则 (7)3.2.3晶闸管对电网的影响 (8)3.2.4系统功率因数计算 (8)3.3 触发电路设计 (9)3.3.1触发电路的选择 (9)3.3.2触发电路设计 (11)3.4过电压保护与过电流保护电路设计 (13)3.4.1过电压保护设计 (13)3.4.2过电流保护设计 (13)3.4.3电流上升率di/dt的抑制 (15)3.4.4电压上升率dv/dt的抑制 (15)4系统总电路图 (15)5 MATLAB仿真 (16)5.1 MATLAB建模 (16)5.2参数设计 (16)5.3仿真结果 (18)6收获与体会 (20)7参考文献 (21)单相可控变流器的设计1设计背景电力变流器是由一个或多个电力电子装置连同变流变压器、滤波器、主要开关及其他辅助设备组成的变流设备，它应能独立运行并完成规定功能。

常见的电力变流器有：整流器，用于交流到直流的变流；逆变器，用于直流到交流的变流；交流变流器，用于交流变流；直流变流器，用于直流变流。

此次课设设计的为变流器中的整流器。

整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。

整流电路通常由触发电路、主电路、滤波器和变压器组成。

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。

整流电路可以从各种角度进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可以分为不可控，半控，全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

2系统方案选择单相桥式整流电路可分为单相全控桥式整流电路和单相半控桥式整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。

下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

2.1方案一：单相半控桥式整流电路如图1是单相半控桥式整流电路，它的优点是：线路简单、调整方便。

弱点是：输出电压脉动冲大、负载电流脉冲大。

电阻性负载时，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。

图1 单相半控桥式整流电路2.2方案二：单相全控桥式整流电路如图2为单相全控式整流电路，它具有输出电流脉动小、功率因数高、变压器二次电流为两个等大反向的半波、没有直流磁化问题、变压器利用率高的优点。

单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。

图2 单相全控桥式整流电路2.3方案选择单相半控桥式整流电路因其性能较差，实际中很少采用。

在中小功率场合采用更多的是单相全控桥式整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路，负载为阻感性负载。

2.4总体框图该系统电路主要由六部分构成，分别为交流电源、保护电路、整流电路、控制电路、驱动电路和负载电路构成。

输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。

然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。

整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。

由以上分析得出系统总体框图如图3：图3 总体框图 3单元电路设计3.1单相可控主电路设计参数计算3.1.1工作原理分析单相全控桥式整流电路设计如图1：图4 单相全控桥式整流电路及其工作波形 图4中：(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)输出电流；(f)晶闸管1VT ,4VT 上的电流；(g)晶闸管2VT ,3VT 上的电流；(h)变压器副T ＋－u 2＋－u 1i 2V 2V 1V4V 3ud i d R (a)(b)(c)(d)(e)(f)L (g)(h)(i)u 20αωt u g 0ωt 1ωt 2ωt u d 0ωt 0i d ωt iV1,40iV2,30ωt ωt i 20u V1,40ωt ωt边电流；(i)晶闸管1VT ,4VT 上的电压。

单相全控桥式整流电路工作原理：在电源电压2u 正半周期间，1VT 、2VT 承受正向电压，若在αω=t 时触发，1VT 、2VT 导通，电流经1VT 、负载、2VT 和T 二次侧形成回路，但由于电感的存在,2u 过零变负时，电感上的感应电动势使1VT 、2VT 继续导通，直到3VT 、4VT 被触发导通时，1VT 、2VT 承受反相电压而截止，输出电压的波形出现了负值部分。

在电源电压2u 负半周期间，晶闸管3VT 、4VT 承受正向电压，在απω+=t 时触发，3VT 、4VT 导通，1VT 、2VT 受反相电压截止，负载电流从1VT 、2VT 中换流至3VT 、4VT 中；在πω2=t 时，电压2u 过零，3VT 、4VT 因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期1VT 、2VT 导通时，3VT 、4VT 因加反向电压才截止。

值得注意的是，只有当2πα≤时，负载电流d I 才连续，当2＞πα时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是2～0π。

3.1.2整流电路参数计算1）整流输出电压的平均值可按下式计算d U = = =αcos 9.02U 由题意可知，R I U d d ==1.5×40=60V当α=0时，d U 取得最大值60V ，即d U = 0.9*2U =60V ，从而得出2U =67V ，α=90o 时，d U =0。

α角的移相范围为90o 。

2）整流输出电压的有效值为()()⎰+=απαωωπt d t U 22sin U 21=2U =67V 3）整流电流的平均值和有效值分别为αcos 9.0I 2dd d d R U R U ===40A dd R U R U I 2===44.7A 4)在一个周期内每组晶闸管各导通180°，两组轮流导通，变压器二次电流是()t td ωωπαπαsin U 212⎰+απcos 222U正、负对称的方波，电流的平均值d I 和有效值I 相等，其波形系数为1。

流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为：d d d T dT I I I I 2122===πππθ=A 204021=⨯ d d d T T I I I 2122I ===πππθ=.3A 28240= 5)晶闸管在导通时管压降T u =0,故其波形为与横轴重合的直线段；1VT 和2VT 加正向电压但触发脉冲没到时，3VT 、4VT 已导通，把整个电压2u 加到1VT 或2VT 上，则每个元件承受的最大可能的正向电压等于22U ；1VT 和2VT 反向截止时漏电流为零，只要另一组晶闸管导通，也就把整个电压2u 加到1VT 或2VT 上，故两个晶闸管承受的最大反向电压也为22U ,即V 5.794672U Tm =⨯= 。

3.1.3整流变压器参数计算在电力系统中变压器的地位是非常重要的，不仅需要变压器的数量多，而且要求性能好，技术经济指标先进，还要保证运行安全可靠。

一二侧电压之比近似等于其匝数比。

因此在原绕组不变的情况下改变副绕组的匝数，就可以达到输出电压的目的。

若将副绕组与负载相接，副边就会有电流流过，这样就把电能传输给了负载。

从而实现了传输电能，改变电压的要求，就是变压器工作的基本原理。

在单相全控桥式整流电路中：二次相电压2U :平时我们在计算2U 是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。

如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。

所以设计时2U 应按下式计算：)(cos 222n dl tdn I I CU A U n U U -∆+=αβ式中 dl U ——负载的额定电压；t U ∆——整流元件的正向导通压降，一般取1V ；n ——电流回路所经过的整流元件（VT 及VD ）的个数；A ——理想情况下α=0º时0d U 与2U 的比值，查表可知；β ——电网电压波动系数，一般取0.9；α ——最少移相角，在自动控制系统中总希望2U 值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取α（30°～35°），不可逆直流调速系统取α（10°～15°）；C ——线路接线方式系数，查表单相桥式C 取0.5V ；dl U ——变压器阻抗电压比，100KV ·A 以下，取dl U =0.05V ，100KV ·A 以上，取dl U =0.05～0.1V ； n I I 22——二次侧允许的最大电流与额定电流之比。