并联多重12脉可控整流电路

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：并联多重12脉可控整流电路（220Ｖ／200Ａ）

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间：

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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 设计140304051 学生姓名 赵忠鹏 专业班级 电气（光伏）142 并联多重12脉可控整流电路（220Ｖ／200Ａ） 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220V、功率为40kW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Ud在0～220V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。 第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；主电路设计；第4天：过压、过流保护方案及散热设计；第5天：确定变压器变比及容量；第6天：确定平波电抗器；第7天：选择器件(电力电子器件、断路器或接触器、熔断器、保护元件、导线材料及截面等)；第8天：触发电路设计及辅助电源设计；第9天：matlab仿真、总结并撰写说明书；第10天：答辩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 课程设计（论文）任务 工作计划指导教师评语及成绩注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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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。

整流电路是将交流电能变为直流电能的一种装置，整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。它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。

关键词:整流电路；触发电路；保护电路；MATLAB仿真

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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 并联多重12脉整流电路设计................................................................ 3

2.1并联多重12脉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 2.2.1触发电路设计............................................................................... 5 2.2.2保护电路设计............................................................................... 6 2.3元器件型号选择...................................................................................... 7

2.3.1主电路参数选择........................................................................... 7 2.3.2晶闸管参数选择........................................................................... 8 2.4系统调试或仿真、数据分析.................................................................. 9

2.4.1 MATLAB仿真软件简介 ............................................................. 9 2.4.2并联12脉波整流电路建模......................................................... 9 2.4.3并联12脉波整流电路仿真波形及数据分析........................... 10

第3章 课程设计总结........................................................................................ 12 参考文献.............................................................................................................. 13

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第1章 绪论

1.1电力电子技术概况

随着工业技术的飞速发展，人们对所使用的电能的质量要求越来越高；在能源日益危机的今天，以高效节能、优质合理使用电能为特点的电力电子装置得到了前所未有的发展。然而，电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时，也引发了新问题，即对电网的污染问题。传统的整流电路一般采用不控整流，输出并联大电容滤波。这种电路的优点是具有很高的可靠性，简单易用，不需要控制电路。但即使负载为纯阻负载，由于滤波电容的使用，整流电路的入端电流为脉冲电流，谐波含量十分丰富。另外由于对输出电压没有控制，输出电压随负载波动变化较大，使得下一级电路的设计必须留出一定的裕量，造成对器件使用效率的限制。在一些电路中采用相控整流虽然可以对输出直流电压进行控制，但是这种电路的入端电流谐波含量很高，而且还造成电流的滞后。

整流装置功率越大。它对电网的干扰也越严重。而在一个电源周期中整流输出电压脉波数ITI越多．则输出电压中的谐波阶次越高，谐波幅值越小．整流特性越好，同时整流装置的交流电流中的谐波频率越高，谐波电流数值也越小。为了减轻整流装置谐波对电网的影响，可采用12脉波．甚至更高次脉波的多相整流电路。

1.2本文设计内容

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。

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。结合所学的知识设计主电路，阐述并联多重12脉整流电路的工作过程及波形；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；从而使整流装置的各项指标达到设计的要

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求。对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。

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第2章 并联多重12脉整流电路设计

2.1并联多重12脉整流电路总体设计方案

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，所以本次设计没有采用。

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，所以在此设计中采用并联12脉波整流。

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0～220V连续可调。方框图如图2.1所示。

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图2.1整体框图

2.2具体电路设计

2.2.1主电路设计

对于交流输入电流，采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时可以减小直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率，因而减小平波电抗器。 所以由两个三相全控桥式整流电路移相30°并联联结而成的12脉波串联整流电路。利用变压器二次绕组接法的不同,使两组三相交流电源间相位错开30°,从而使输出整流电压在一个电源周期中脉动12次，其中，T1和T2为两组并联的整流桥；其二次侧的绕组a2，b2，c2和a3，b3，c3分别采用星形和三角形接法,为保证两组电压的大小相等,变压器一次绕组和二次绕组的匝数比为1∶1∶3 ,其中二次绕组星形接法为1,三角形接法为3。这样两组交流电源的线电压相等。 由电力电子相关知识可知负载侧电压与变压器二次侧电压关系为 ：

Ud=

U2

其中，Ud为负载侧直流电压平均值， U2为变压器二次侧相电压有效值， α为晶闸管触发角。

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图2.2主电路图

2.2.1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。本文选用锯齿波同步触发电路，原理图如图2.3所示。

图2.3锯齿波同步触发电路

触发电路有三个基本环节组成：锯齿波形成和同步移相控制环节，脉冲形成、整形放大输出环节，强触发和双脉冲输出环节。

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锯齿波形成和同步移相控制环节

锯齿波同步移相的原理是利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压Vc与直流偏移电压Vb组成并联控制，进行电流叠加，去控制晶体管V4的截止与饱和导通来实现的。

脉冲形成环节与整形放大输出

脉冲形成环节由晶闸管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。控制电压Uco加在V4基极上，电路的触发脉冲有脉冲变压器TP二次侧输出，起一次绕组接在V8集电极电路中。

强触发环节与双脉冲输出环节强触发环节有单相桥式整流获得近似50V直流电压作电源，在Vs导通前，50V电源经R15对C6充电，N点电位为50V。VD15导通时，C6经脉冲变压器一次侧，R16与Vs迅速放电，由于放电回路电阻很小，N点电位迅速下降，当N点电位下降到14.3V时，VD15导通，脉冲变压器TP改由+15V稳压电源供电。这时虽然50V电源也在向C6再充电使它电压回升，但由于充电回路时间常数较大，N点电位只能被15V电源钳位在14.3V。电容C5的作用是为了提高强触发脉冲前沿，加强触发后，改变脉冲变压器TP一次电压。

2.2.2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。

一：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。这种过电压是不可避免的，也是经常发生的。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。虽然是偶尔性的，但这种浪涌电压的幅值会比操作过电压要高的多。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。

变压器过电压保护制电路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。

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二：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。

通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。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。 快速熔断器的选择。 Iw=1.5 IVT

式中，Iw—快速熔断器的熔断电流 IVT —晶闸管额定电流 快速熔断电路的电流保护原理图如图2.5。

图2.4快速熔断电路的电流保护原理图

2.3元器件型号选择

2.3.1主电路参数选择

由整流输出电压Ud在0～220V连续可调，整流输出电流最大值200A。

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输出电压: Ud=Ud1=Ud2, 输出电流: Id=Id1+Id2 Ud=2.34U2COSα Ud=220V Id=200A

2.3.2晶闸管参数选择

晶闸管SCR为双极型器件，它具有电子和空穴两种载流子的导电功能。晶闸管正常工作时的特性为：

（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有正向触发电流的情况下晶闸管才能导通。

（3）晶闸管一旦导通，门极就会失去控制作用。

（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电路和外电路的作用。 一、主电路二次侧晶闸管选择

两个分别采用星接和角接的三相全控桥式整流电路，对于二次侧采用星接的 整流电路其晶闸管的参数有以下计算得出 Ir== 晶闸管通态平均电流： Ir==

67（A） （2-2） 116（A） （2-1）

取安全裕量Kf=2，则所选晶闸管电流值为：

I=2Ir=267=134（A） （2-3） 在三相桥式整流电路中，晶闸管所承受电压极值为电压有效值。

由Ud=220V,由于变压器的一次侧和两组二次侧绕组的匝数比为1：1：。 所以

Ud1：Ud2 =1：

，Ud1=

=80.5(v)。 （2-4）

U2， U2为二次侧相

为了可靠换相，取α=30°，则 U12min=

=40(V） （2-5）

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因为U1存在±10％的波动，同样U12min也存在，则 U12=

=40/0.9=44.4(V) （2-6）

所求晶闸管电压值 U = 114 (V) （ 2-7） 取安全裕量Kf=2，则所选晶闸管电压值为228V。

所以，星接三相全控整流电路的晶闸管应选取134A、228V的晶闸管，型号由网上查得为MTC200A/1200V。

2.4系统调试或仿真、数据分析

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并联12脉波整流电路建模

并联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环境下并联12脉波整流电路的仿真模型如图所示：

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图2.5并联12脉波整流电路的仿真模型

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50Hz，相位分别为0、120、120。

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。为了便于观察，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50Hz，脉冲的宽度取20degrees，选取双脉冲触发方式。选定触发角为0°。

仿真时间设为0.05s，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。

2.4.3并联12脉波整流电路仿真波形及数据分析

由图可知，在一个周期内电压波动12次实现了并联多重12脉整流。输出电压电流波形由于为电阻性负载，输出电压和电流的波形形状相同，只是大小不同。输出电压波动较小，一周期有12个波头，谐波含量较低，总谐波含量(THD)仅为1. 52%,谐波次数为12k(k=l, 2, 3,…)次，其中主要为12次,含量为1. 45%.

当负载为阻性负载，负载电流的谐波含量与输出电压相同，当负载为感性时，由于电感的滤波作用，负载电流的波动更小，谐波含量更少。

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图2.6电阻负载时输出的电流、电压波形

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第3章 课程设计总结

随着电力电子技术的进步，工农业大生产及科研快速的发展，需要大力发展中大型可调电源成套装置。生产大中型可调电源成套装置，必须对各类整流器的单机容量、质量标准及特殊使用要求等新的课题进行研究。

整流器就是针对上述现状作了一些实际的工作。首先对晶闸管的基本知识作了一下粗略的介绍。进而又对由晶闸管构成的整流电路和其保护电路作了详尽的说明，并对其器件进行了参数计算。

从以上分析可以看出，采用12脉波整流的联结方法，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，降低了电流的总谐波含量,从而有效的提高系统的功率因数，因此在大容量整流电路中有着重要的应用。

通过本次电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对触发电路、保护电路等都有了更深刻的理解。在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。

本设计过程中用到的晶闸管触发电路的各个环节，以及触发电路中参数的计算来源并不是很清楚，只是根据以往的经验值所选用的，应用起来不是很清楚。再就是在所用器件的选择上，根据设计所给的参数值计算出的理论值和在实际应用当中考虑到诸多因素的实际值相差很大。本设计中所选用的器件及主电路的选择是考虑到经济性而设计的，因此器件在各个方面还有待于进一步改进。

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