串联多重12脉可控整流电路(440V／200A)

辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）题目：串联多重12脉可控整流电路（440Ｖ／200Ａ）
院（系）：电气工程学院
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间：2015-12-24至2015-1-3
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室： 电气
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
学 号
学生姓名 专业班级 课程题目 串联多重12脉可控整流电路（440Ｖ／200Ａ）
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 采用多脉整流，以减小输出直流的脉动，为1台额定电压440V 、功率为85kW 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、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380V 。

2、整流输出电压U d 在0～440V 连续可调。

3、整流输出电流最大值200A 。

4、直流电动机负载。

5、根据实际工作情况，最小控制角取20～300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；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
摘要
随着科学技术的不断进步，电力电子技术发展迅速，应用十分广泛，它改善了社会的生产方式和我们的生活方式，尤其是晶闸管的发明是电力电子技术的又一次革命。

整流电路作为一种发现最早的电力电子电路，它利用晶闸管的特性，可以将交流电变为直流电供给用电设备，即（AC-DC）。

但是随着生产技术的不断创新，整流装置的功率也在不断加大，它所产生的谐波、无功功率对电网的干扰也越来越严重，如果我们采用多重化整流电路（串联或并联）可减少输入电流谐波，提高总体功率因数，使输出电压更平滑。

本文用《电力电子技术》所学的知识采用串联多重12脉整流，为1台额定电压440V、功率为85kW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。

首先设计串联多重12脉整流的主电路，用multisim画出主电路，分析触发电路对晶闸管的控制，设计保护电路，然后对电路参数进行计算和分析并确定元器件型号，最后利用matlab进行电气仿真，对设计结果进行验证。

串联多重12脉整流是比较重要的一个整流电路，也是应用得比较广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。

关键词：整流电路；触发电路；保护电路；12脉整流
目录
第1章绪论 (1)
1.1 电力电子技术概况 (1)
1.2 本文设计内容 (1)
第2章多重12脉可控整流电路设计 (3)
2.1 多重12脉可控整流电路总体设计方案 (3)
2.2 具体电路设计 (3)
2.2.1 主电路设计 (3)
2.2.2 触发电路设计 (5)
2.2.3 保护电路设计 (7)
2.3 元器件型号选择 (8)
2.3.1 晶闸管参数计算与选择 (8)
2.3.2 变压器参数计算与选择 (8)
2.3.3 平波电抗器的参数的确定 (9)
2.3.4 快速熔断器参数的确定 (9)
2.4 系统仿真 (10)
2.4.1 仿真软件简介 (10)
2.4.2 串联12脉整流仿真模型建立 (11)
2.4.3 仿真波形及数据分析 (14)
第3章课程设计总结 (20)
参考文献 (21)
附录Ⅰ (22)
附录Ⅱ (23)
第1章绪论
1.1电力电子技术概况
可以认为，电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

它包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

具体来说，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电力变换分为四大类即交流变直流，交流变交流，直流变直流，直流变交流。

电力电子技术的不断进步给电气工程现代化巨大推动力，是电气工程这一学科保持活力的重要源泉。

1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司开发出第一支晶闸管产品，于1958年商业化，性能明显胜过贡弧整流器。

是晶体管发明和应用后的又一次电子技术革命。

电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业、电力工业的迅速发展也给晶闸管发展提供了用武之地。

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.。

门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管Power MOSFET等。

电力电子技术不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统等其他领域。

并且在减小体积和重量、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，也被称为是节能技术。

从人类对宇宙和大自然的探索到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，都能感受到电力电子技术的魅力，一代又一代学者和工程技术人员不断突破，使今天的电力电子技术具有全新面貌。

1.2本文设计内容
随着整流装置的功率进一步增大，它所产生的谐波，无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用12脉、18脉等整流电路。

将几个整流电路多重联结可以减少交流侧输入电流谐波，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控制的方法可提高功率因数。

本文是用《电力电子技术》所学的知识采用串联二重12脉整流，以减小输出直流的脉动，为1台额定电压440V、功率为85kW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。

先设计12脉整流的主电路，阐述串联多重12脉
整流电路的工作过程及波形；分析触发电路对晶闸管的控制；分析设计保护电路，然后对电路参数进行计算和分析并确定元件型号，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值，熟练掌握晶闸管及整流管的工作特性，最后利用matlab 进行电气仿真，对设计结果进行验证。

利用变压器二次侧绕组接法不同，使两组三相交流电源间错开30°，输出电压在每个交流电源周期中脉动12次。

整流变压器二次绕组一个Y接，另一个角接构成相位相差30°、大小相等的两组电压，两组整流桥串联后再接到负载。

，变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：3错误!未找到引用源。

，输出电压Ud=Ud1+Ud2,电流Id=Id1=Id2.采用多重联结并不能提高位移因数，但能使交流输入电流谐波大幅减小，提高总体功率因数。

第2章多重12脉可控整流电路设计
2.1多重12脉可控整流电路总体设计方案
由于并联12脉波整流电路带有平衡电抗器，而串联12脉波整流电路没有，其对材料的消耗大于串联12脉波全控整流电路，它的成本也比串联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脉波整流电路比较合适。

整流电路主要由触发电路、保护电路和整流主电路组成。

根据设计任务，将三相380V交流电源经变压器变压后，再经整流电路整流输出带脉动的直流电，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触发电路，控制整流后输出直流电压Ud在0～440V连续可调。

在此设计中采用串联12脉波整流，方框图如图2.1所示。

图 2.1方框图
2.2具体电路设计
2.2.1主电路设计
主电路用multisim绘制（其中触发电路对晶闸管控制和保护电路也画出），二次侧为星接和角接两组桥串联。

R L
FUSE
FUSE FUSE FUSE FUSE FUSE
FUSE FUSE FUSE
FUSE
FUSE FUSE
FUSE FUSE FUSE
VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT8VT9VT10VT11VT12
0°
滞后30°
触发电路
图 2.2 串联多重12脉整流电路主电路图
图2.2是移相30°构成串联二重联结电路的原理图，利用变压器二次绕组接法的不同，分别采用Y 接和△接，使两组三相交流电源间相位错开30°，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1：1：3。

将两组3相桥串联，输出电压Ud=Ud1+Ud2,电流Id=Id1=Id2。

多重整流电路，利用二次侧绕组接法不同可以大幅减少交流侧输入电流谐波，能在一定程度上提高总体功率因数，使输出电压更平滑，具有备用功能，在工业生产起着重要作用。

图2.3 移相30 串联2重连结电路的输入电流波形
2.2.2触发电路设计
为了保证电路合闸后能工作，或在电流断续后再次工作，每个星接或者角接电路必须有两个晶闸管同时导通，对将要导通的晶闸管施加触发脉冲，由于星接和角接只是相位不同，原理相同都是三相桥式可控电路，故以下只要对其中一种进行研究即可。

KJ041电路内部原理图如图2.4，图中输出端如果接3DK4作功率放大，可得到800mA的触发脉冲电流。

使用2块KJ041电路相应输人端并联，二个控制端分别作为正反组控制输入端，输出接12个功率放大管，这样就可组成一个12脉冲正反组控制可逆系统，控制端逻辑“0”电平有效
图2.4 KJ004内部原理图
图2.5 KJ041引脚图
KJ004电气参数：
1. 电源电压：直流+15V、-15V，允许波动5%(10%时功能正常)。

2. 电源电流：正电流15mA，负电流10mA。

3. 同步电压：任意值。

4. 同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值）
5. 移相范围1700(同步电压30V,同步输入电阻15k )
6. 锯齿波幅度：10V(幅度以锯齿波平顶为准)。

7. 输出脉冲：(1) 宽度：400S—2mS(通过改变脉宽阻容元件达到)。

(2) 幅度：13V.(3) 最大输出能力100mA(流出脉冲电流)。

(4) 输出管反压：BVCEO18V(测试条件Ie100A)。

8.正负半周脉冲相位不均衡30。

9.使用环境温度为四级：C：0—70 R：-55—85 E：-40—85 M：-55—125`
图2.6 触发电路图（6脉）
集成触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。

KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。

VT1-VT6为输出。

选用两个集成触发并联就可以控制12脉了。

2.2.3 保护电路设计
（一）过电流保护
电力电子电路运行不正常或发生故障时，可能会发生过电流。

过电流分为过载和短路两种情况。

可采用多种保护措施。

其中快速熔断器，直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。

对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt ，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流可以采用接入快速熔断器进行保护。

图2.7 过电流保护
（二）过电压保护
电力电子装置中可能发生的过电压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，包括：操作过电压，雷击过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换向过电压和关断过电压。

为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端和变压器二次侧并联RC 电容。

图2.8 阻容过电压保护
断路器
电力
电子装置
过流继电器电流检测电路
驱动电路
负载
电流互感
器
熔断器
2.3 元器件型号选择
2.3.1 晶闸管参数计算与选择
输出电压:Ud=Ud1+Ud2,电流:Id=Id1=Id2 A
I V U U U 200440~0 cos 6
6d d 2d ≤=⋅=
，，α
晶闸管的有效值：A Ivt i
d
1163
200
3
≤=
=
晶闸管通态平均电流：A Idvt i d 673
200
3
≤== 所选晶闸管电流值为：A I 148~8.11057
.1116
*)2~5.1(≤=
在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受最大反向电压值为26U ,2U 为二
次侧相电压有效值。

α
αcos 34.2cos 2.34U 1
d 122d2d1d U U U U U U d =
=+=，可得，由
其中Ud=0-440V,Ud1=Ud2<=220V ，为可靠换相，取α=30°，则
V U U 6.10830cos 34.2220
30cos 34.21d m in 12≈︒
=︒=
因为存在±10％的波动，则7.1209
.06
.1089.012min 12≈==
U U
所求晶闸管电压值V U U 29562max ≈=
安全裕量3~2=Kf ，则所选晶闸管电压值为V 885~590。

所以，星接三相全控整流电路的晶闸管应选取200A ，1000V 的晶闸管，型号
由网上查得为KP200-1000。

2.3.2 变压器参数计算与选择
变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：3。

对iA 进行傅里叶分析，可得其基波幅值Im1和n 次谐波幅值Imn 公式：
d m13
4I I π
=（单桥时为
d 3
2I π
错误!未找到引用源。

）
d mn 3
4n 1I I π
=
321k 1
k 12n ，，，=±= 即输入电流谐波次数为12k±1，其幅值与次数成反比而降低。

该电路的其他特性如下：
直流输出电压:απ
COS U U 2d 6
6=
位移因数:αϕcos cos 1=，功率因数：αϕνλcos 9886.0cos *1== 变压器的容量：S=S1+S2
由设计要求，变压器相电流有效值为Id1=Id2=Id<=200A ，Id<=200A 的变压器相电流有效值为：163.3A <=Id 3
2
=
I22=I12 从2.3.1晶闸管的参数计算知：U12=120.7V 那么A)(V 3.41393 163.3 *120.7*3=I U 3=S 12121⋅≈ 因为二次侧第二个桥是△接：208.9V 3*U =U 1222=，所以
A)(V 1.59086 163.3 *208.9*3=I U 3=S 22222⋅≈
S=S1+S2=93.2 (KV•A)
除功率因数外,变压器容量一般要比负荷留20%的余量.则变压器的容量要大于112KV•A 。

2.3.3 平波电抗器的参数的确定
查阅资料得知：平波电抗器临界电感的计算公式为 ： L1= K1U2Φ/ Idmin （mH ）
K1—考虑不同电路时临界电感的计算系数见
三相桥式全控桥K1取0.693（可以看成两个三相桥式串联）
L 中包括整流变压器的漏电感，电枢电感和平波电抗器的电感。

前者数值都较小，有时可忽略。

Idmin 一般取电动机额定电流的5%~10%。

因此：
L1=0.693*108.6/(200*0.05）=7.8mH L2=0.693*188/(85000*0.05/440)=13.5mH L=L1+L2=21.3mH
2.3.4 快速熔断器参数的确定
（一）过电流保护：由晶闸管的参数计算知：3
i
d
Ivt =
=
A 1163
200
<= 与晶闸管串联的快速熔断器所能承受的最大电流应为1.25-1.5倍的Ivt ， 即145~174A ,所以选用电容为0.5uF 的熔断器。

（二）过电压保护：由晶闸管的参数计算知：3
i
d
Ivt =
=
A 1163
200
<=
所以流经熔断器的电流为116A，查表知，选用电容为0.5uF的熔断器和阻值为10Ω的电阻。

2.4系统仿真
2.4.1仿真软件简介
Matlab(MatrixLaboratory)是由Mathworks公司推出的当前国际上最流行的数学分析软件,是一种以矩阵为基本编程单元的程序设计语言。

它能够完成各种矩阵的运算与操作,并有较强的数据可视化功能。

由于Matlab具有矩阵运算和绘图功能,许多控制系统的专家编写了一些具有特殊功能的工具箱(Toolbox),如控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)、电力系统工具箱、系统识别工具箱、小波信号工具箱、信号处理工具箱等。

1992年Mathworks公司又推出的交互式模型输入与仿真环境Simulink使得Matlab为控制系统的仿真与CAD应用打开了崭新的局面。

利用Simulink的模块的功能,对电力电子系统层面的仿真变得十分方便和容易。

Matlab是MathWorks集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面良好的用户环境。

它还包括了Toolbox(工具箱)的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。

其特点是：
(1) 可扩展性：Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。

对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。

从而大大扩展了其应用范围。

当前支持Matlab的商用Toolbox(工具箱)有数百种之多。

而由个人开发的Toolbox则不可计数。

(2) 易学易用性：Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。

(3) 高效性：Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。

如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。

它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。

据MathWorks公司声称，Matlab软件中所包含的Matlab源代码相当于70万行C代码。

在使用时直接调用即可对于特殊的元件也可以通过Matlab程序建立数学模型调入使用。

对同一个元件,有时SIMULINK提供了不同的模型,技术人员应根据仿真对象的实际情况和仿真的目的合理地进行选择,这对于最后得到的仿真结果是否精确以及仿真计算时间的长短是非常重要。

而针对系统层面的仿真应该在满足精度要求的情况下尽量缩短仿真计算的时间,尤其是对复杂系统进行仿真时合理地选择元件模型往往能起到事半功倍的效果。

2.4.2串联12脉整流仿真模型建立
用matlab中的simulink模块来进行仿真，器件来自SimPowerSystem
图2.9串联12脉冲整流电路的仿真图
模型参数设置：
①三相对称交流电压源参数设置：三相对称交流电压源的幅值设为380 V，频率为50 Hz，相位分别设0、-120°、120°。

②三相变压器参数设置：采用三绕组三相变压器，一次侧绕组采用Y接，二次侧绕组分别采用Y接和△接。

为便于观察，三个绕组的额定电压分别取380 V、220 V、220 V。

③三相晶闸管整流桥参数设置：默认值。

④同步脉冲触发器设置：频率为50 Hz，脉冲的宽度取10，选择双脉冲触发，选定触发角为50度。

⑤电机负载参数设置：选用Series RLC Load，Vn=440V，P=85e3。

⑥大电感L取500H
⑦平波电抗器取260H
⑧电路仿真时间设为0.1 s，数值算法采用ode23tb 参数设置如图2.10-2.13所示
图2.10三相变压器参数设置
图2.11触发参数设置
图2.12电动机负载参数设置
图2.13仿真时间和算法参数2.4.3仿真波形及数据分析
图2.14三相电源波形
图2.15 输出电压波形
取图2.15中0.01-0.03S来看（因为0.02S为一周期），可知是输出频率为50Hz，亦可清晰看出电压波形在一个周期内脉动12次。

（一）90度触发时：
图2.16 90度触发输出电流波形
图2.17 90度触发输出电压波形
图2.16和2.17为触发90度时输出电流电压的波形，公式，απCOS U U 2d 6
6=
所以当触发角90度时Ud=0V ，输出电压波形正确
图2.18 90度触发输出电压Ud1和Ud2波形
图2.18是触发角90度时Ud1和Ud2的波形，验证了Ud1=Ud2，Ud=Ud1+Ud2
图2.19 90度触发Uvt波形
（二）20度触发时
图2.20 20度触发输出电流波形
图2.21 20度触发输出电压波形
图2.21是触发角20度时电压和电流的波形，这时的输出电压是440V（可由上下端和一半得出），也就是说要想得到输出电压0~440V可调，就让触发角在20度到90度之间即可。

图2.22 20度触发Uvt波形
图2.23输入电流波形
图2.23为输入电流波形，可以看出Ia2比Ia1滞后30°，IA为Iab2折算到一次测电流与Ia1之和。

对波形iA进行傅里叶分析，可得其基波幅值Im1和n次谐波幅值Imn。

d m13
4I I π
=（单桥时为
d 3
2I π
错误!未找到引用源。

）
d mn 3
4n 1I I π
=
321k 1
k 12n ，，，=±= 即输入电流谐波次数为12k ±1，其幅值与次数成反比而降低。

三相桥式整流都有6k ±1次谐波，由傅立叶分解式可以看出，由于采用移相变压器, 两组变压器的副边电流的5、7、17和19次谐波数值相同，符号相反，相互抵消, 只剩下11、13、23和25次谐波，相比6脉动整流电路而言，12脉动整流电路可以很好的抑制某些特定次数的谐波，谐波含量更小。

第3章课程设计总结
通过本次电力电子课设，加深了我对电力电子专业知识的理解，自己动手查阅资料，下载安装软件，用multisim画主电路图和保护电路，用matlab画电路进行仿真，在这些过程中难免遇到困难，理论知识和仿真设计还是有一定差异的，很多参数都是经过不断计算和试验得出的，尤其是matlab中的触发参数和负载的参数，都是靠不断的讨论和思考解决了这些问题，提高了我的独立自主的学习能力，坚定了我遇到困难总有办法解决的决心。

完成这个课设开始我翻阅书籍，查阅资料找出串联12买整流电路的主电路和它的原理，通过变压器二次侧采用星接和角接两组桥串联的方法使两组三相电源间错开30度，这样输出电压在每个交流电源周期中脉动12次，合成中最低次谐波频率为600Hz，谐波次数为12K±1次，大大降低了输入电流的谐波含量。

然后设计触发电路以及保护电路，保护电路分过流和过压保护。

接着计算晶闸管，变压器，熔断器的各个参数，最后对课程的设计进行仿真，观察仿真的波形得出结论，同时验证了我们所学的知识，选取合适的触发角度（20°~90°）使输出电压在0~440V可调。

根据设计所给的参数值计算出的理论值与在实际应用当中考虑到诸多因素的实际值相差很大。

本课设中所选用的器件参数及主电路属于理论上的考虑，在许多方面还有待改进。

串联12脉整流电路输出电压脉动较6脉波整流电路小，同时很好地抑制输入电流中某些特定次数的高次谐波，降低了输入电流的总谐波含量，从而在一定程度上提高系统的功率因数，因此在大功率整流电路中有着重要的应用。

参考文献
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[14]孟凡刚等著《多脉整流技术综述》电力自动化设备2012
[15]阎石主编《数字电子技术》高等教育出版社，2006
附录Ⅰ
仿真电路图
附录Ⅱ
整体电路图
0°
滞后30°
·
Uca
Uab
Ubc
-15V
15V。