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洛陽理工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 一、三相晶閘管全控整流電路原理說明 11主電路原理說明晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號如圖示，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況晶閘管觸發(fā)角=0o時(shí)的情況：此時(shí)，對于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個(gè)晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時(shí)電路工作波形如圖所示。=0o時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。 從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。將波形中的一個(gè)周期等分為6段，每段為60度，如圖2-18所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示。由該表可見，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT2VT3VT4VT5VT6。 時(shí) 段 1 2 3 4 5 6共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb由圖得：6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組和陽極組依次差120o；同一相的上下兩個(gè)橋臂脈沖相差180o。 整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號緊前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o 30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大， 繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯(lián)使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。0o時(shí)晶閘管承受的電壓波形如圖所示。 圖中還給出了晶閘管VT1流過電流 iVT 的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120o處于通態(tài)，240o處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的ud波形相同。 當(dāng)觸發(fā)角改變時(shí)，電路的工作情況將發(fā)生變化。當(dāng)=30o時(shí)。從t1角開始把一個(gè)周期等分為6段，每段為60o與0o時(shí)的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30o,組成 ud 的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中同時(shí)給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，該波形的特點(diǎn)是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，ia波形的形狀與同時(shí)段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也與同時(shí)段的ud波形相同，但為負(fù)值。 當(dāng)=60o時(shí)，電路工作情況仍可參考上圖分析，ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。60o時(shí)ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)。 由以上分析可見，當(dāng)60o時(shí)，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。 當(dāng)60o時(shí)，如90o時(shí)電阻負(fù)載情況下，此時(shí)ud波形每60o中有30o為零，這是因?yàn)殡娮柝?fù)載時(shí) id 波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。 如果繼續(xù)增大至120o，整流輸出電壓ud波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120o。 阻感負(fù)載工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，對于帶反電動勢阻感負(fù)載的情況，只需在阻感負(fù)載的基礎(chǔ)上掌握其特點(diǎn)，即可把握其工作情況。 當(dāng)60o時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流 id 波形不同，電阻負(fù)載時(shí) id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖6為電路帶阻感負(fù)載=0o的波形。 圖6中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流 iVT1 的波形，可與圖2帶電阻負(fù)載時(shí)的情況進(jìn)行比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導(dǎo)通段，iVT1波形由負(fù)載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 當(dāng)60o時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。若電感L值足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90o。 定量分析在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出的波形在一周期內(nèi)脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對一個(gè)脈波（即1/6周期）進(jìn)行計(jì)算即可。此外，以線電壓的過零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，于是可得當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載60o時(shí)）的平均值為 電阻負(fù)載且60o時(shí)，整流電壓平均值為 輸出電流平均值為Id = Ud/R。 當(dāng)整流變壓器為圖1中所示采用星形聯(lián)結(jié)，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖7中所示，為正負(fù)半周各寬120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值為 晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。 晶閘管的參數(shù)：（1）電壓額定：晶閘管在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓Utn=U2考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時(shí)所承受峰值電壓的23倍。即 U額=(23)Utn 。 根據(jù)要求，輸出功率為2kw，負(fù)載電阻為20歐姆，理想變壓器二次側(cè)電壓U2=200，所以晶閘管的額定電壓U額=(23)U2=(23)200.（2）電流額定：通態(tài)平均電流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考慮安全裕量，應(yīng)選用的通態(tài)平均電流為計(jì)算的（1.52）倍。計(jì)算得IVT(AV)=7.36A.（3）對于晶閘管我們選用可關(guān)斷晶閘管CTO。它是具有門極正信號觸發(fā)導(dǎo)通和門極負(fù)信號關(guān)斷的全控型電力電子器件。她既具有普通晶閘管耐壓高、電流大的特點(diǎn)，同時(shí)又具有GTR可關(guān)斷的優(yōu)點(diǎn)。（4）總上述，我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。正向阻斷電壓:10001500,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.52.5正向觸發(fā)電流：200800MA，反向關(guān)斷電流：610A，開通時(shí)間：6us,m關(guān)斷時(shí)間:10us,工作頻率：500V/us,允許di/dt100A/us,正管壓降24V關(guān)斷增益：5.整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。我們假設(shè)變壓器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。二三相晶閘管全控整流電路的保護(hù)電路2.1電路的保護(hù)措施主電路的過電壓保護(hù)抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護(hù)。使用RC吸收電路，這種保護(hù)可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。電路圖如下晶閘管的過電壓保護(hù)晶閘管的過電壓能力較差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時(shí)，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護(hù)措施。對于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)，電路圖如圖晶閘管的過電流保護(hù) 常見的過電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，過電流繼電器保護(hù)，直流快速開關(guān)過電流保護(hù)。 快速熔斷器保護(hù)是最有效的保護(hù)措施；過電流繼電器保護(hù)中過電流繼電器開關(guān)時(shí)間長（只有在短路電流不大時(shí)才有用；直流快速開關(guān)過電流保護(hù)功能很好，但造價(jià)高，體積大，不宜采用。 因此，最佳方案是用快速熔斷器保護(hù)。如圖 三觸發(fā)電路與主電路的同步所謂的同步，就是要求觸發(fā)脈沖和加于晶閘管的電源電壓之間必須保持頻率一致和相位固定。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)，利用一個(gè)同步變壓器，將其一側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，其二次側(cè)提供同步電 壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終保持一致的。再是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)電路相位正確。四參數(shù)選擇我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。正向阻斷電壓:10001500,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.52.5正向觸發(fā)電流：200800MA，反向關(guān)斷電流：610A，開通時(shí)間：6us,m關(guān)斷時(shí)間:10us,工作頻率：500V/us,允許di/dt100A/us,正管壓降24V關(guān)斷增益：5.整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。我們假設(shè)變壓器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按下表所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.11.5倍。晶閘管額定電流IT(AV)/A1000 500 200 100 50 20 10電容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1電阻R/歐姆2510204080100由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。 對于主電路的保護(hù)，電容C=6I0%S/U2/U2,電阻R2.3 U2* U2 對于晶閘管的過電流保護(hù)，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮