电力电子课程设计设计2.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电力电子课程设计设计2.精品文档.电力电子技术课程设计 并联联结的12脉波整流电路 班级：1120332学号：30、31 姓名：王志远房贺男 开题报告 王志远、房贺男 112033230、102033231课题名称：并联联结的12脉波整流电路完成时间：2012年12 月17日 指导老师：刘彬一 、简要背景说明 整流器作为一种重要的电力电子装置而被人们广泛应用。在公共网络中，因整流器功率因数很低而导致大量无功功率，因此人们对整流器不断改进，使其尽量不产生谐波，并让电流和电压同相位。 随着整流装置功率的进一步增大，它所产生的谐波、无功功率等对电网

2、的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。即按一定的规律将两个或多个整流电路（如三相桥）联接起来。将整流电路进行移相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。 并联12脉可控整流电路是电力电子技术中比较重要的整流电路之一，也是一个应用比较广泛的电路，不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输业、电力系统、通信系统、能源系统等其他一些领域。二 、研究的目的及其意义目的主要包括两方面：一是，可以使装置总体的功率容量增大；二是，能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。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。

3、采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减小直流输出电压中的谐波并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。 谐波减少功率因数提高三相交流电流输出三相交流电流输入 并联多重整流电路 根据设计要求，设计电路包括主电路、控制电路、保护电路、稳压电路。主电路为三相桥式全控型整流电路。三 、研究的主要内容1、并联联结的12脉波整流电路的结构。2、并联联结的12脉波整流电路及其控制电路、保护电路的设计(画出原理图，标明器件的选择)。3完成并联联结的12脉波整流电路的数学模型的设计。4 建立Simulink仿真系统进行建模，并对模型参数进行设置。5 仿真结果与分析。四 、研究的主要方法和手段首先建

4、立所要研究电路的电路拓扑图，在MATLAB中使用Simulink工具箱建立相关控制模型，设置模型参数后，通过仿真得到相关电路的电压、电流结果，并对该结果进行分析。五 、参考文献【1】冯玉生、李宏 电力电子变流装置典型应用实例 北京 机械工业出版社【2】周克宁 电力电子技术 北京 机械工业出版社【3】潘孟春、胡媛媛 电力电子技术实践教程 长沙 国防科技大学出版社【4】华成英 模拟电子技术基本教程 北京 清华大学出版社【5】王兆安、刘进军 电力电子技术 第五版 北京 机械工业出版社【6】余孟尝 数字电子技术基础简明教程 北京 高等教育出版社【7】张剑平 模拟电子技术教程 北京 清华大学出版社【8】

5、张立、黄两一 电力电子场控器件及其应用 北京 机械工业出版社【9】于炳丰、沈传文 变频技术自家用电器中的应用与发展 科技视野【10】兰朝辉 电力电子技术在节电中的应用 电气节能【11】马建国 电子系统设计 高等教育出版社 目录第一章 绪论51.1 电力电子技术概况51.1.1 电力电子技术的构成及发展51.1.2 现代电力电子器件61.1.3 电力电子变换技术61.1.4 电力电子技术的发展及应用7第二章 并联联结12脉波整流电路设计82.1 并联联结12脉波整流电路总体设计方案82.2 并联联结12脉波整流原理9第三章 三相半波、全波整流及六脉冲整流电路9与12脉波整流电路比较93.1.1

6、三相半波整流滤波93.2.2 三相桥式（全波）整流103.2.3 三相6脉波整流电路113.2.4 六相全波整流和12脉冲整流器13第四章 建立Simulink仿真电路154.1.1Simulink仿真电路模型154.1.2 仿真参数设置154.2 整流输出电压电流仿真17第五章 总结20第六章 附图21第一章 绪论1.1 电力电子技术概况 由于当今社会对电能的普遍应用以及节约能源的紧迫要求，电力电子技术在国民经济中的地位和作用越来越突出。尤其是80 年代以来，电力电子技术取得了飞速发展，开关器件性能不断改善，容量不断增大，以PWM 控制为代表的、采用数字控制的电力电子装置性能日趋完善。目前，

7、电力电子技术已广泛应用于机电一体化、电机传动、新能源、航天、激光、军事等各个领域，是国家工业发展不可缺少的一门基础和实用技术，它给现代生产和现代生活带来了深远的影响。1.1.1 电力电子技术的构成及发展 根据美国电气电子工程师协会（IEEE）的定义，电力电子技术是指有效地利用电力半导体器件，应用电路理论和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效率变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。通常认为，1956 年第一个晶闸管（SCR）发明之日就是电力电子技术诞生之时，经过40多年的发展，电力电子技术已经形成较为完整的学科体系和理论，成为相对独立的一门学科。因此通俗一点讲，电

8、力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和变换的学科。1974 年，第四届国际电力电子会议首次提出电力电子技术或称电力电子学）的定 义，这就是有名的W.N e w e l l 定义：电力电子技术是横跨在电力学、电子学及控制学之间的边缘学科。此外，电力电子技术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。1.1.2 现代电力电子器件 在晶闸管发明之后的近半个世纪里电力电子技术的发展大体上可划分为两个阶段：1957 年至1980 年称为传统电力电子技术

9、阶段；1980 年至今可称为现在电力电子技术阶段。 现在电力电子技术在器件、电路及控制技术方面与传统电力电子技术相比，具有集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制数字化以及多功能化等特点。1.1.3 电力电子变换技术电力电子技术根据电能的变换形式不同可以分为四大类： AC-DC 变换器：将交流电能转换为直流电能，又称为整流器。主要用于充电、电镀、电解及直流调速等领域。目前，采用快速自关断器件的高频整流器能达到功率因数接近1，正在逐步取代传统的相控整流器 1.DC-AC 变换器：把直流电能转换为交流电能，又称为逆变器。逆变器的输出可以是恒频，如恒压恒频（CVCF）电源和不间断电源（UPS）；也可

10、以是变频，如各种变频电源、高频感应加热、电焊机电源及交流电动机的变频调速等。当前逆变器发展中的研究热点是输出波形控制技术、高频链技术及软开关技术等。 2.AC-AC 变 换 器：将交流电源的任一参数（幅值、相位和频率）加以转换，使之变换为另一种规格的交流电。输入和输出频率保持不变的称为交流调压器，频率发生变化的称为周波变换器或变频器。AC-AC 变换器目前仍以相控方式为主，主要用于调温、调光及低速大容量交流调速系统。基于PWM 理论的矩阵变换器（MatrixConverter），能在保持功率因数1 的条件下直接进行大频率范围的交流电能变换，但控制比较复杂。 3.DC-DC 变换器：用于将一种电

11、压、电流规格的直流电变换成为另一种规格的直流电，又称为直流变换器或直流斩波器。主要用于直流电压变换器、开关电源和电车、地铁、矿车等直流电动机调速。近年来发展的谐振和准谐振DC-DC 变换器能显著减小功率变换器的开关损耗和开关应力，大大提高了开关电源的工作频率和功率密度，适应了其向高效率、小型化和低噪声发展的要求。图1.1 电能转换的四种形式 1.1.4 电力电子技术的发展及应用 众所周知，电力电子技术的发展是建立在电力电子器件发展的基础上的，根据电力电子器件的发展历程及其应用，电力电子技术的发展大体可以分为四个阶段：1956 年到70 年代初为电力电子技术的第一阶段（通常也称为传统电力电子技术

12、阶段）。这一阶段的电力电子技术的发展主要体现在晶闸管（SCR）及其应用上，在此期间，主要针对晶闸管加负门极信号不能关断的弱点，设计出各式各样的换相电路，虽然这些电路的结构和工作模式都非常复杂，但是却在直流电机调速、电焊机、电加热、高压直流输电（HVDC）、感应加热等领域得到广泛应用，晶闸管技术及其应用已经相当成熟。70 年代中期，大功率GTR、功率MOSFET 以及高压大功率GTO 等器件的相继研制成功，以及这些器件与微处理器的结合使用，极大地促进了电力电子技术的发展，使电力电子技术进入发展的第二阶段，在这一阶段，交流调速技术得到很大发展，为节能和机电一体化打下了牢固的技术基础。从80 年代初

13、开始，各种全控型电力电子器件大量涌现，特别是MOS 型绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS 控制晶闸管（MCT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、功率集成电路（PIC）和智能功率模块（IPM）的相继研制成功以及性能的不断提高，使电力电子技术进入发展的第三阶段，在这个时期，这些新器件与专用集成电路（ASIC）、计算机技术、计算机辅助设计相结合，使电力电子技术得到飞快的发展。进入90 年代以后，一方面电力电子器件继续向大功率、高频化方向发展，另一方面各种新的变换器拓扑电路和控制方案层出不穷，特别是对DC-DC 变换器、DC-AC 变换器、功率因数校正技术（PFC）、软开关技术（Soft-Switc

14、hing）的研究使得电力电子技术的应用范围更加广泛和深入。这一阶段可认为是电力电子技术发展的第四阶段。在此阶段，电力电子技术综合了现代电子技术、自动控制技术、计算机（微处理器）技术、电磁技术等，使其真正成为一门多学科边缘交叉技术。 随着科技的进一步发展，二十一世纪电力电子产品发展的趋势是：应用技术的智能化；硬件结构的模块化；软件控制的数字化；产品性能的绿色化。从而使未来的电力电子产品性能更加成熟、可靠、经济、实用。总而言之，电力电子设备高频化、模块化、数字化、绿色化的实现，将标志着电力电子技术的成熟。二十一世纪将是电力电子技术发展的新世纪。第二章 并联联结12脉波整流电路设计2.1 并联联结1

15、2脉波整流电路总体设计方案 2.1.1 并联联结12脉波整流电路的原理图2.2 并联联结12脉波整流原理 主电路如上图所示，先将380V/50Hz的正弦交流电通过三绕组变压器输入两个整流器。两个整流器输入变压器的结构不同，一个变压器绕组是“Y”型连接，一个变压器绕组是“”型连接。这样连接的结果就使二者的电压相位差为30度，也即整流脉动的最大宽度是30度。由此得出多相整流时的最大脉动宽度（即晶闸管导通时间）表达式为： =2P其中：P为控制脉冲数，比如6脉冲时是60度，12脉冲时是30度，18脉冲时是20度，24脉冲时是15度等等，脉动周期越小，其整流输出电压越高、越接近交流电压峰值。图中两个一样

16、的整流器输出是通过平波电抗器后进行并联的，目的是使二者的输出电流均衡，因为两个整流器虽然一样，但它们的内阻决不会一样，就会造成输出电流的不均衡。因此，平波电抗器值要远远大于整流器的内阻，即整流器的内阻和平波电抗器的阻抗相比可以忽略不计。第三章 三相半波、全波整流及六脉冲整流电路与12脉波整流电路比较3.1.1 三相半波整流滤波 在电路中，当功率进一步增加或由于其他原因要求多相整流时，三相整流电路就被提了出来。图1所示就是三相半波整流电路原理图。在这个电路中，三相中的每一相都单独形成了半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次相差120度叠加，整流输出波形不过0点，并且在一个周期中有三个宽

17、度为120度的整流半波。因此它的滤波电容器的容量可以比单相半波整流和单相全波整流时的电容量都小。 图3.2.1三项半波整流电路原理图 RC3.2.2 三相桥式（全波）整流 图3.2.2所示是三相桥式全波整流电路原理图。图3.2.3是它们的整流波形。图3.2.3（a）是三相交流电压波形；图3.2.3（b）是三相半波整流整流电压波形图；图3.2.3（c）是三相全波整流电压波形图。在输出波形图中，粗平直虚线是整流滤波后的平均输出电压值，虚线以下和各正弦波的交点以上（细虚线以上）的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。 图3.2.2 三相桥式全波整流电路原理图由图3.2.1和图3.2.2可以看出，三

18、相半波整流电路和三相桥式全波整流电路的结构是有区别： （1） 三相半波整流电路只有三个整流二极管，而三相全波整流电路中却有六只整流二极管； （2） 三相半波整流电路需要输入电源的中线，而三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。由图3.2.3可以看出三相半波整流波形和三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。图3.2.3 三相整流的波形图（c） 三相全波整流电压波形（a） 三相交流电压波形（b） 三相半波整流电压波形 3.2.3 三相6脉波整流电路上面的三相全波整流是不稳定的，因此在UPS中都有晶闸管整流器（简称晶闸管）代替了二极管整流器，如图3.2.4所示。 图3.2.4 三相桥式6脉冲整流电路

19、原理图图中的晶闸管整流器VS和二极管整流器VD的工作方式有很大区别。 （1）二极管整流器VD阳极和阴极之间的正向电压只要大于其PN结的势垒电压，二极管就导通。而晶闸管整流器VS，在其控制极没有触发信号加上时，只要其阳极和阴极之间的正向电压不大到把管子击穿，那么它就不导通。 （2）晶闸管整流器VS的导通条件有： 阳极和阴极之间的正向电压。对于二极管整流器来说，这个电压只要在0.7V左右时，就开始导通了；而晶闸管一般规定在6V以上。 控制极触发信号电压。晶闸管一般都用脉冲触发，要求这个电压脉冲要有一定的幅度和宽度，没有一定的幅度就不能抵消PN结的势垒电压，没有一定的宽度就不能有足够的时间使导通由一

20、点扩散到整个PN结。一般要求幅度为35V，宽度410us，触发电流5300mA。 维持电流。是指可以维持晶闸管整流器VS导通的最小电流，一般对20A到200A的晶闸管来说，规定其维持电流小于60mA。 擎住电流。是指晶闸管被打开而控制极触发信号电压消失后，可以维持继续导通的最小电流，这个电流一般是维持电流的若干倍。 （3）控制角与导通角为了表征晶闸管对交流电压的控制行为而引出了这两个参量。图3.2.5所示是控制角与导通角的关系。下面就对它们的含义进行讨论。 图3.2.5 控制角与导通角的关系 控制角。当交流正半波加到晶闸管上时，就具有了使晶闸管导通的基础条件，什么时刻给晶闸管控制极加触发信号使

21、其开通呢？从交流正弦波过0开始，一直到晶闸管被触发导通（时间b）的这段晶闸管不导通的时间0b，称为控制角，用表示。由于晶闸管开启很快，一般是小于1us，故认为加触发信号的时间就是晶闸管被打开的时间，即一般都把开启时间忽略不计。 导通角。由于晶闸管的开启是一个正反馈过程，故打开后就不能自动关断，这个导通过程要一直延续到电压过0，把从开启到截止这段时间称为导通角，用表示。UPS中的输入整流器就是利用对上述这两个参量的控制来实现稳压的。一般称这种控制为“相控”。很明显，在这里+=180度,就是说只要知道这两个参数中的一个，另一个也就知道了。3.2.4 六相全波整流和12脉冲整流器六相全波整流及12脉

22、冲整流器在一些UPS中为了提高输入功率因数或者提高功率容量，就采用了六相全波整流即12脉冲整流。实际上，在UPS中都采用的六相全波相控整流，也就是通常所说的12脉冲整流。既然是12脉冲，就说明了两个问题：一个是采用了12只晶闸管，一个是6相输入电源。由上面可知，整流相数越多，其整流输出电压的脉动频率越高，脉动幅度越小，脉动系数就越小。输出纹波就越低，纹波系数也就越小。图7给出了12脉冲整流时的波动和多相半波整流时平均值接近峰值的情况。图3.2.5 12脉冲整流时的波动和多相半波整流时平均值接近峰值的情况 为了有一个量的概念，表1给出了半波整流输出电压的脉动系数 、纹波系数和整流相数P的关系。由

23、表中可以看出：三相全波（半波6相）整流比单相全波（半波2相）整流时的脉动系数和纹波系数小得多，比后者的1/10还小，当然加在后面的滤波电容也就小得多，这也就是为什么当UPS的容量达到一定值时，都尽量采用三相全波整流：为了提高效率，都不采用6相半波整流，虽然都是6只整流管，但由于三相全波整流的输出电压比6相半波整流的输出电压高，因此在同样功率下，三相全波整流的电流小，所以功耗也小，效率也就高了。 表1 半波整流输出电压的脉动系数、纹波系数和整流相数的关系第四章 建立Simulink仿真电路4.1.1Simulink仿真电路模型 图4.1.1 仿真原理图4.1.2 仿真参数设置 （1）三相交流电源

24、参数设置图4.1.2-1 三相交流电源参数设置 电压幅值设置为380v，频率设置为50Hz。相角一次设置为、。 （2）三绕组变压器参数设置 图4.1.2-2 三相变压器参数设置 三绕组变压器一次侧为Y接，额定电压为280V；两个二次侧绕组分别为Y、接，额定电压220V。（3）整流桥参数为默认值（4）负载参数设置 图4.1.2-3 负载参数设置 负载选择阻性负载，阻值设置为10004.2 整流输出电压电流仿真 ，脉宽为30时的波形 图4.2-1 时 输入电压输出电压电流波形图 图4.2-2时 输入电压与输出电压电流波形图4.2-3 时 输入电压输出电压电流波形图4.2-4 时 输入电压输出电压电

25、流波形图4.2-5 、60、90 双反星形输出电压波形 通过对理论分析与仿真结果的对比，可以看出，并联多重化电路不仅可以减少输入电流的谐波，同时也减小直流输出电压中的谐波幅值并调高纹波频率。 第五章 总结 通过一个星期的查阅资料，仿真实验使我认识到必需加强对知识的理解，不能停留在肤浅的了解阶段，这次基础强化训练使我获得了十分宝贵的经验，对于将来的我来说一定是非常巨大的财富。这次基础强化训练让我有机会学习书本上没有的知识，增长了我的见识。同时，这次基础强化训练，也使我体会到了实践精神的重要性，理论上的成立还要实践来检验是否符合实际，只有把理论和实际结合起来才能有真正的收获。 此外，这次的基础强化训练，使我对团结合作有了更深的理解，在做仿真实验时，大家在一起讨论，加深了我们对理论知识的理解，能够迅速解决问题，我们因此认识到团队合作的精神尤为重要。 与此同时，我们在此对指导教师和协助完成设计的有关人员表示谢意！第六章 附图附图1 控制电路附图2 驱动电路附件3 驱动电路保护电路