三相橋式整流電路

1、目 錄1.引言12.原理1 3、觸發(fā)脈沖54 、保護(hù)電路55、應(yīng)用舉例96、簡(jiǎn)單的仿真107、小結(jié)11參考文獻(xiàn)12三相橋式全控整流電路1.引言整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電

2、路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。2.原理其原理圖如圖1所示。圖1 三相橋式全控整流電路原理圖習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號(hào)，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。從后面的分析

3、可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。1）、 整流電路的負(fù)載為阻感負(fù)載。假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角=0o時(shí)的情況。此時(shí)，對(duì)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(duì)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2所示。圖2 反電動(dòng)勢(shì)=0o時(shí)波形=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(duì)應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的

4、交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。在分析的波形時(shí)，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。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)，整流輸出電壓為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)的是最?。ㄘ?fù)得最多）的相電壓，輸出整流電壓 為這兩個(gè)相電壓相減，是線電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。由于負(fù)載端接

5、得有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感對(duì)電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時(shí)，在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Li，它的極性事阻止電流變化的。當(dāng)電流增加時(shí)，它的極性阻止電流增加，當(dāng)電流減小時(shí)，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無窮大時(shí)趨于一條平直的直線。為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個(gè)周期等分為6段，每段為60o，如圖2所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT2VT3VT4VT5VT6。表1 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載=0o時(shí)晶閘管工作情況時(shí) 段共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3

6、VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓- = - = - = - = - = - = 2）、圖3給出了=30o時(shí)的波形。從角開始把一個(gè)周期等分為6段，每段為60o與0o時(shí)的情況相比，一周期中波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)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,組成的每一段線電壓因此推遲30o，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相電流的波形，該波形的特點(diǎn)是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，為正，由于大電感的作用，波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120o期間，波

7、形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。 圖3 =30o時(shí)的波形3）、由以上分析可見，當(dāng)60o時(shí)，波形均連續(xù)，對(duì)于帶大電感的負(fù)載，id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當(dāng)60o時(shí)，如90o時(shí)電感負(fù)載情況下的工作波形如圖4所示，平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時(shí)刻，使得的值出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)電感足夠大時(shí)，中正負(fù)面積基本相等，平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動(dòng)勢(shì)的三相橋式全控整流電路的角的移相范圍為90度。且觸發(fā)角的范圍0o，180o。若為電阻負(fù)載時(shí)，當(dāng)60o時(shí)，波形均連；，當(dāng)60o時(shí)，波形不連續(xù)。計(jì)算公式：1、電阻負(fù)載當(dāng)60o時(shí)：當(dāng)60o時(shí)： 2阻感負(fù)載圖4 90o時(shí)的波形3、

8、觸發(fā)脈沖根據(jù)晶閘管的特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻，就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動(dòng)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。在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)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（一般80o -100o）。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。寬脈沖的觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵芯體積做的很大，繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對(duì)晶閘管串聯(lián)使用不利。雖可用去磁繞組改善這種情況，但有使

9、觸發(fā)電路復(fù)雜化。因此常使用雙窄脈沖觸發(fā)。4 、保護(hù)電路較之電工產(chǎn)品，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)導(dǎo)致器件永久性的損壞。因此電力電子電路中過電壓和過電流的保護(hù)裝置是必不可少的，有時(shí)還要采取多重的保護(hù)措施。1）、過電壓保護(hù)電源側(cè)過電壓電力電子設(shè)備一般都經(jīng)變壓器與交流電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地中間都存在著分布電容，如圖5所示。圖5 交流則過電壓變壓器一般為降壓型，即電源電壓u高于變壓器次級(jí)電壓。電源開關(guān)斷開時(shí)，初、次級(jí)繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當(dāng)電源合閘時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級(jí)，使得變壓器

10、次級(jí)電壓超出正常值，它所連接的電力電子設(shè)備將受到過電壓的沖擊。在進(jìn)行電源拉閘斷電是也會(huì)造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關(guān)斷開使激磁電流從一定得數(shù)值迅速下降到0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，因?yàn)殡妷簽長di/dt，在電感一定得情況下，電流的變換越大，產(chǎn)生的過電壓也越大。這個(gè)電壓的大小與拉閘瞬間電流的參數(shù)值有關(guān)，在正弦電流的最大值時(shí)斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過電壓也就越大?？梢姡祥l時(shí)出現(xiàn)的過電壓和拉閘時(shí)出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生的機(jī)理是完全不同的。在電力電子設(shè)備的負(fù)載電路一般都為電感性，如果在電流較大時(shí)突然切除負(fù)載，電路中會(huì)出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會(huì)產(chǎn)生過電壓。另外電力

11、電子器件的換相也會(huì)使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓都發(fā)生在電路正常工作地狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。雷擊和其他電磁感應(yīng)也會(huì)在電力電子設(shè)備中感應(yīng)出過電壓，這類過電壓發(fā)生地時(shí)間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預(yù)測(cè)的。對(duì)于上面的這些過電壓，我們可以采用下面的措施進(jìn)行保護(hù)：（1）阻容保護(hù) 過電壓幅度一般都很大，但是其作用時(shí)間一般卻都是很短暫的，即點(diǎn)電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點(diǎn)，將電容器并聯(lián)在保護(hù)對(duì)象的兩端，可以達(dá)到過電壓保護(hù)的目的，這種保護(hù)方式叫做阻容保護(hù)。起保護(hù)作用的電容一般都與電阻串聯(lián)，這樣可以在過電壓給電容充電的過程中，讓電阻消耗過電壓的能量，還可以限制形

12、成的寄生的震蕩。圖6為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖。圖（a）為單相阻容保護(hù)電路，圖（b）和圖（c）為三相阻容保護(hù)電路，RC網(wǎng)絡(luò)連接成星型，如圖（b），也可以連接成三角型，如圖(c)。電容越大對(duì)過電壓的吸收作用越明顯。圖6 阻容保護(hù)在圖7中，圖（a）為單相阻容保護(hù)，阻容網(wǎng)絡(luò)直接接在電源端，吸收電源過電壓。圖（b）為接線形式為星型的三相阻容保護(hù)電路，平時(shí)電容承受電源相電壓。圖（c）為接線三角型的三相阻容保護(hù)電路，平時(shí)電容承受電源相電壓。顯然，三角型接線方式電容的耐壓要為星型接線的倍。但是無論哪種接線，對(duì)于同一電路，過電壓的能量是一樣的，電容的儲(chǔ)能也應(yīng)該相同，所以星型接線的電容容量應(yīng)為三角型倍。也就是說兩種

13、接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。（2）整流式阻容保護(hù)阻容保護(hù)電路的RC直接接于線路之間，平時(shí)支路中就有電流流動(dòng)，電流流過電阻必然要造成能量的損耗并使電阻發(fā)熱。為克服這些缺點(diǎn)可采用整流式阻容RC保護(hù)電路，阻容式RC保護(hù)電路如圖7所示。圖7 整流式保護(hù)電路三相交流點(diǎn)經(jīng)過二極管整流橋變?yōu)槊}動(dòng)直流電，經(jīng)過R1給C充電，電路正常工作無過電壓時(shí)電容兩端保持交流電的峰值電壓，而后整流橋給電容回路提供微弱的電流，以補(bǔ)充電容放電所損失的電荷。由于與C并聯(lián)的R2阻值很大，電容的放電非常慢，因此整流橋輸出的電流也非常小。一旦出現(xiàn)過電壓，過電壓的能量被電容吸收，電容的容量足夠大，可以保證此時(shí)電容電壓的數(shù)值在允許

14、范圍之內(nèi)，從而也使電流電壓不超過額定值。過電壓消失后，電容經(jīng)R2放電使兩端電壓恢復(fù)到交流電正常的峰值。由此可以看出，R2越大整個(gè)電路的功耗越小，但過電壓過后電容電壓恢復(fù)到正常的時(shí)間也越長，因此大小收到兩次過電壓時(shí)間最小間隔的限制。2）、過電流保護(hù) 電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過電流。過電流有過載荷短路兩種情況。常用的過電路保護(hù)措施如圖8所示。一臺(tái)電力電子設(shè)備可選用其中的幾種保護(hù)措施。針對(duì)某種電力器件，可能有些保護(hù)措施是有效的而另外一些是無效的或不合適的，在選用時(shí)應(yīng)特別注意。圖8 過流保護(hù)電路圖交流斷路器保護(hù)是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，

15、當(dāng)交流電流超過整定值時(shí)，過流繼電器動(dòng)作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，切除故障電流。應(yīng)當(dāng)注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時(shí)值，否則如果電流達(dá)到了器件的最大電流過流繼電器才動(dòng)作，由于器件耐受過電流的時(shí)間極短，在繼電器和斷路器動(dòng)作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。 來自電流互感器的信號(hào)還可作用于驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)電流超過整定值時(shí)，將所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出封鎖，全控型器件會(huì)由于得不到驅(qū)動(dòng)信號(hào)而立即阻斷，過電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導(dǎo)通的晶閘管不再導(dǎo)通，而已導(dǎo)通的晶閘管由于電感的儲(chǔ)能器件不會(huì)立即關(guān)斷，但經(jīng)一定的時(shí)間后，電流衰減到 0，器件關(guān)斷。這種保護(hù)方

16、式由電子電路來實(shí)現(xiàn)，又叫做電子保護(hù)。與斷路器保護(hù)類似，電子保護(hù)的電流整定值也一般應(yīng)該小于器件所能承受的電流最大值。 快速熔斷器保護(hù)一般作為最后一級(jí)保護(hù)措施，與其它保護(hù)措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)（三相電源的每一相串接一個(gè)快速熔斷器） ，也可以接在負(fù)載側(cè)，還可電路中每一個(gè)電力電子器件都與一個(gè)快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護(hù)效果也有差異。熔斷器保護(hù)有可以對(duì)過載和短路過電流進(jìn)行“全保護(hù)”和僅對(duì)短路電流起作用的短路保護(hù)兩種類型。 撬杠保護(hù)多應(yīng)用于大型的電力電子設(shè)備，電路中電流檢測(cè)、電子保護(hù)都是必需的，同時(shí)還要在交流電源側(cè)加一個(gè)大容量的晶閘管。其保護(hù)原理如下：當(dāng)檢測(cè)到的電

17、流信號(hào)超過整定值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)用的晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接一個(gè)小電感用以限制 di/dt；驅(qū)動(dòng)電路開通主電路中的所有電力電子器件，以分散短路能量，讓所有器件分擔(dān)短路電流；使交流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經(jīng)一段時(shí)間的衰減短路能量消失，起到保護(hù)作用。5、應(yīng)用舉例 可以設(shè)計(jì)成能進(jìn)行電動(dòng)狀態(tài)-發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在汽車的發(fā)點(diǎn)裝置里面，其設(shè)計(jì)圖如圖9所示。圖9汽車發(fā)電裝置圖 如圖9所示，當(dāng)汽車在平路或上坡路段行駛時(shí)，調(diào)節(jié)整流電路的觸發(fā)角使90，使輸出直流電壓Ud平均值為負(fù)值，且|Em|Ud|，這時(shí)候整流電路工作在逆變狀態(tài)，位能裝換為電能，M向三相交流電存儲(chǔ)裝置輸送電流，三相交流

18、電存儲(chǔ)裝置接受并存儲(chǔ)電能。 這樣就能使汽車的電源維持較長的供電時(shí)間，而且能夠節(jié)約電能。6、簡(jiǎn)單例子仿真利用simpowersystems建立三相全控整流橋的仿真模型。輸入為三相交流電壓源，線電壓為380V，50Hz，內(nèi)阻為0.001歐姆。用Universal Bridge模塊實(shí)現(xiàn)三相晶閘管橋式電路。電路仿真如下：仿真結(jié)果見附錄：1）電阻負(fù)載的時(shí)候，去電阻值為1歐姆； 2）阻感負(fù)載的時(shí)候，R=1，L=1ml；7、小結(jié)三相整流電路存在的問題：功率因數(shù)低和諧波含量大。功率因數(shù)：a、 無功功率會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。b、 無功功率增加，會(huì)使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加。c、 使電路壓降增加，沖擊性無功負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)。諧波的危害：a、