三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

1、 三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)序言： 在電力電子技術(shù)的整流電路中,三相橋式全控整流電路是最為重要的一種,牢固掌握該電路的組成、工作原理以及該電路交直流兩側(cè)電量的數(shù)量關(guān)系,是學(xué)好后續(xù)課程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),對(duì)于設(shè)計(jì)性能良好的電力拖動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要。1主電路設(shè)計(jì)及原理 1.1 主電路設(shè)計(jì)其原理圖如圖1所示。圖1 三相橋式全控整理電路原理圖習(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(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（vt4、vt6、vt2）稱為共陽(yáng)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

2、別為vt1、vt3、vt5， 共陽(yáng)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。從后面的分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?vt1vt2vt3vt4vt5vt6。1.2 主電路原理說(shuō)明整流電路的負(fù)載為帶反電動(dòng)勢(shì)的阻感負(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(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共陽(yáng)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(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)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。導(dǎo)通原理此時(shí)電路工作波形如

3、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)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。在分析ud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 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽(yáng)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(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

4、最多）的相電壓，而共陽(yáng)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 ud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ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。由于負(fù)載端接得有電感且電感的阻值趨于無(wú)窮大，電感對(duì)電流變化有抗拒作用。流過(guò)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，它的極性是阻止電流變化的。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(guò)來(lái)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(wú)窮大時(shí)趨于一條平直的直線。說(shuō)明為了說(shuō)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

5、整流電壓的情況如表所示。由該表可見(jiàn)，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)関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vt1vt1vt3vt3vt5vt5共陽(yáng)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圖3給出了=30o時(shí)的波形。從t1角開(kāi)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(hào)等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通

6、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)生變化如圖所示波形分析。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，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在vt4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。 圖3 =30o時(shí)的波形由以上分析可見(jiàn)，當(dāng)60o時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于帶大電感的反電動(dòng)勢(shì)，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)電阻負(fù)載情況下的工作波形如圖4所示，ud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，

7、使得ud的值出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)電感足夠大時(shí)，ud中正負(fù)面積基本相等，ud平均值近似為零。這說(shuō)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。圖4 90o時(shí)的波形根據(jù)晶閘管的這種特性，通過(guò)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(guò)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，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。2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)較之電工產(chǎn)品，電力電子器件承受

8、過(guò)電壓、過(guò)電流的能力要弱得多，極短時(shí)間的過(guò)電壓和過(guò)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(guò)電壓和過(guò)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。2.1 過(guò)電壓保護(hù)電源側(cè)過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，初、次級(jí)繞組均無(wú)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(guò)電容加在變壓器次級(jí)，使得變壓器次級(jí)電壓超出正常值，它所連接的電力電子設(shè)備將受到過(guò)電壓的沖擊。在進(jìn)行電源拉閘斷電是

9、也會(huì)造成過(guò)電壓，在通電的狀態(tài)將電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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)殡妷簽閘di/dt，在電感一定得情況下，電流的變換越大，產(chǎn)生的過(guò)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(kāi)電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過(guò)電壓也就越大?？梢?jiàn)，合閘時(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓和拉閘時(shí)出現(xiàn)的過(guò)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(guò)電壓，熔斷器的熔斷也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。另外電力電子器件的換相也會(huì)使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過(guò)電壓。上述過(guò)電壓都發(fā)生在電路正常工作地

10、狀態(tài)，一般叫做操作過(guò)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(guò)電壓，這類過(guò)電壓發(fā)生地時(shí)間和幅度的大小都是沒(méi)有規(guī)律的，是難以預(yù)測(cè)的。對(duì)于上面的這些過(guò)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)待添加的隱藏文字內(nèi)容1 過(guò)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(guò)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(guò)電壓給電容充電的過(guò)程中，讓電阻消耗過(guò)電壓的能量，還可以限制形成的寄生的震蕩。圖6為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖。圖（a）為單相阻

11、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(guò)電壓的吸收作用越明顯。圖6 阻容保護(hù)在圖6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(guò)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(wú)論哪種接線，對(duì)于同一電路，過(guò)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(shuō)兩種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

12、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(guò)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(guò)二極管整流橋變?yōu)槊}動(dòng)直流電，經(jīng)過(guò)r1給c充電，電路正常工作無(wú)過(guò)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(guò)電壓，過(guò)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)值在允許范圍之內(nèi)，從而也使電流電壓不超過(guò)額定值。過(guò)電壓消失后，電容經(jīng)

13、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(guò)電壓過(guò)后電容電壓恢復(fù)到正常的時(shí)間也越長(zhǎng)，因此大小收到兩次過(guò)電壓時(shí)間最小間隔的限制。3.2 過(guò)電流保護(hù) 電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過(guò)設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過(guò)電流。過(guò)電流有過(guò)載荷短路兩種情況。常用的過(guò)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(wú)效的或不合適的，在選用時(shí)應(yīng)特別注意。圖8 過(guò)流保護(hù)電路圖交流斷路器保護(hù)是通過(guò)電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來(lái)控制交流電流繼電器，當(dāng)交流電流超過(guò)整定值時(shí)，過(guò)流繼電器動(dòng)作使得與交流電源連接的

14、交流斷路器斷開(kāi)，切除故障電流。應(yīng)當(dāng)注意過(guò)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(guò)流繼電器才動(dòng)作，由于器件耐受過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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)方式由電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，又叫做電子保護(hù)。與斷路器保護(hù)類似，電子

15、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(guò)載和短路過(guò)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)到的電流信號(hào)超過(guò)整定值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)用的晶閘管，用以旁路短路電流，

16、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(kāi)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(kāi)，切斷短路能量的來(lái)源。經(jīng)一段時(shí)間的衰減短路能量消失，起到保護(hù)作用。3 各參數(shù)的計(jì)算與波形分析3.1 輸出值的計(jì)算 三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓的波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)6次，且每次脈動(dòng)的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對(duì)一個(gè)脈波（即1/6周期）進(jìn)行計(jì)算即可。此外，因?yàn)樗噪妷狠敵霾ㄐ问沁B續(xù)的，以線電壓的過(guò)零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，可得整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值。3.2 輸出波形的分析 時(shí)的輸出波形如圖9所示。圖9 整流電路的輸出波形 如圖9所示，從

17、t1時(shí)刻開(kāi)始把一個(gè)周期等分為6份，在wt1時(shí)刻共陰極組vt1晶閘管接受到觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通，此時(shí)陰極輸出電壓ud1為幅值最大的a相相電壓；到wt2時(shí)刻下一個(gè)觸發(fā)脈沖到來(lái)，此時(shí)a相輸出電壓降低，b相輸出電壓升高，于是陰極輸出電壓變?yōu)閎相相電壓；到wt3時(shí)刻第三個(gè)脈沖到來(lái)，晶閘管vt1關(guān)斷而晶閘管vt2導(dǎo)通，輸出電壓為此時(shí)最高的c相相電壓；觸發(fā)-導(dǎo)通與關(guān)斷重復(fù)以上步驟，即共陰極組輸出電壓ud1為在正半周的包絡(luò)線。共陽(yáng)極組中輸出波形原理與共陰極組一樣，只是每個(gè)觸發(fā)脈沖比陰極組中脈沖相差180度。6個(gè)時(shí)段的導(dǎo)通次序如表1所示一樣，只是wt1從零時(shí)刻往后推遲30度而已。這樣就得出最后輸出整流電壓為共陰極組輸出

18、電壓與共陽(yáng)極組輸出電壓的差即ud=ud1-ud2 而由于電路中大電感l(wèi)的作用，輸出的電流為近似平滑的一條直線。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，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在vt4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。4 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(chē)的發(fā)點(diǎn)裝置里面，其設(shè)計(jì)圖如圖10所示。圖10 汽車(chē)發(fā)電裝置圖 如圖10所示，當(dāng)汽車(chē)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，三相交流電存儲(chǔ)裝置接受并存儲(chǔ)電能。這樣就能使汽車(chē)的電源維持較長(zhǎng)的供電時(shí)間，而且能夠節(jié)約電能。5 心得體會(huì) 在電路的