三相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)(DOC)

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)1主電路的設(shè)計(jì)與原理說明1.1 主電路圖圖1T中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）為共陰極組；陽極連 接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）為共陽極組。晶閘管按從1至6的順序?qū)?通，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VTK 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、VT2O從后面的分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3- VT4-VT5- VT6O此主電路要求帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，此反電動(dòng)勢(shì)E=60V,電阻R=10Q,電 感L無窮大使

2、負(fù)載電流連續(xù)。其原理如圖1所示。圖1-1三相橋式全控整理電路原理圖1.2 主電路原理為說明此原理，假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況就也就相當(dāng)于晶閘管觸 發(fā)角。二0時(shí)的情況。此時(shí)，對(duì)于共陰極組的三個(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)于共陽極組的三個(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。a=0。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)。在分析比 的波形時(shí)

3、，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 皿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UdUdlUd2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。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)的是最小的相電壓，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) 載端所接的電感值無限大，會(huì)對(duì)變化

4、的電流有抵抗作用，從而使得負(fù)載電流幾乎為一條直 線。其電路工作波形如圖1-2所示。圖1-2帶阻感負(fù)a =0。時(shí)的波形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60,如 圖1-2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T1-VT2-VT3-VT4- VT5-VT6O壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表1T的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通 時(shí)刻 推遲了 30,組成Ud的每一段線電壓因此推遲30, Ud平均值降低。圖1-3中給出了 變壓器二次側(cè)a相電流L的波形，該波形的特點(diǎn)是，在VT1處于通態(tài)的120。期間，ia 為正

5、，由于大電感的作用，id波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120。期 間，L波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。當(dāng)60時(shí)，電路工作情況仍可對(duì)照表1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，60時(shí)Ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)。由以上分析可見，當(dāng)60時(shí)， Ud波形連續(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)60時(shí)，如90時(shí)電阻負(fù)載情況下的工作波形如圖1-4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，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。這說明帶阻感的反電動(dòng)勢(shì)的三相橋式

6、 全控整 流電路的角的移相范圍為90 o92觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)2.1觸發(fā)電路的脈沖類型對(duì)于三相橋式全控整流電路，在其合閘啟動(dòng)過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路在正常 工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管均有脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬 度大于60 （一般取80100）,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)，給前一個(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 60 ,脈寬一般為2030 ,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飽和，需將鐵心 體積做得 較大，繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感

7、增大，脈沖前沿不夠陡。因此，常用的是雙脈沖 觸發(fā)。2. 2常用的集成觸發(fā)電路常用的三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路是由三個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成 塊組成的，脈沖產(chǎn)生后由六個(gè)晶體管進(jìn)行放大。RJV5DV V5VRPi9 111213 14+15Va24_+15V02628Ub U圖2-1 KJ004電路原理圖KJ004電路由同步檢測(cè)電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜 合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見圖5：鋸齒波的斜率決定于外接電 阻R6、RW, 1流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對(duì)不同的移相控制電壓VY, 只有改變權(quán)電阻RI、R2的比例，調(diào)節(jié)

8、相應(yīng)的偏移電壓VPO同時(shí)調(diào)整鋸齒波斜率電位 器RW, 1可以使不同的移相控制電壓獲得整個(gè)移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移 相電壓增加，導(dǎo) 通角增大。R7和C2形成微分電路，改變R7和C2的值，可獲得不 同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值。雙脈沖信號(hào)的形成與控制用KT041六路雙脈沖形成器完成，KT041是三相全控橋式觸發(fā)線路中必備的電路，具有雙脈沖形成和電子開關(guān)控制封鎖功能。實(shí)用塊有電子開關(guān)控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。集成電路可靠性高，技 術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，隨著集成電路制作技 術(shù)的提高，晶閘 管觸發(fā)電路的集成化已逐漸取代分立式電路。-15

9、V乜9coRPK 13RPia165JO4K3usb910121314PPR400 K+15V圖2-2三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路2. 3觸發(fā)電路的定相向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)的頻率不是固定不 變的，而 是會(huì)在允許內(nèi)有一定的波動(dòng)。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路 交流電源的頻率一致外，還應(yīng)保證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電 壓保持固定、正確的相位關(guān)系。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個(gè)同步變壓器，將一次側(cè)接入為主電 路供 電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號(hào)，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是一致的。接下來就是觸發(fā)

10、電路的定相，即 選擇同步電壓信號(hào)的相 位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。觸發(fā)電路的定相由多方面 的因素確定，主要包括相控電路的主電路結(jié)構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等。觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號(hào)與晶閘管陽極電 壓的關(guān)系。對(duì)于晶閘管VT1,其陽極與交流側(cè)電壓網(wǎng)相接，可簡(jiǎn)單表示為VT1所接 主電路電壓為+1 , VT1的觸發(fā)脈沖從0至180的范圍為tit2 o采用鋸齒波同步 的觸發(fā)電路時(shí)，同步信號(hào)負(fù)半周的起點(diǎn)對(duì)應(yīng)于鋸齒波的起點(diǎn)，通常使鋸齒波的上升段 為240 ,上升段起始的30和終了的30線性度不好，舍去不用，使用中間的180 o鋸齒波的中點(diǎn)與同步 信號(hào)300位置對(duì)應(yīng)。三相橋整流器大量用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，且

11、通常要求可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，使u d 0的觸發(fā)角為90。當(dāng)90時(shí)為整流工作，90時(shí)為逆變工作。將90確定為鋸齒波的中點(diǎn)，鋸齒波向前、向后各有90的移相范圍。于是90與同步電壓的300對(duì)應(yīng)， 也就是0與同步電壓的210對(duì)應(yīng)。對(duì)于其它五個(gè)晶閘管，也存在同樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓 180 o對(duì)于共陽極組的VT4、VT6和VT2,它們的陰極分別與國(guó)、Ub和5相連，可 得簡(jiǎn)單表示它 們的主電路電壓分別為Ua、Ub和Uco以為分析了同步電壓與主電路電壓的關(guān)系，一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的 接 法，即可選定每一個(gè)晶閘管的同步電壓信號(hào)。圖2-3給出了變壓器接法的一種情況 及相應(yīng) 的矢量圖，

12、其中主電路整流變壓器為Dyll聯(lián)結(jié)，同步變壓器為Dy5yll聯(lián) 結(jié)。這時(shí)，同步電壓選取的結(jié)果如表2-1所示。,AB圖2-3同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖表2-1三相全控橋各晶閘管的同步電壓（采用圖2-3變壓器接法時(shí)）晶閘管VT 1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓Uau cUbu aUcJb同步電壓sauscsbu sa-scsb為防止電網(wǎng)電壓波形畸變對(duì)觸發(fā)電路產(chǎn)生干擾，可對(duì)同步電壓進(jìn)行R-C濾波，當(dāng)R-C濾波滯后角為60時(shí)，同步電壓選取結(jié)果如表2-2所示。表2-2三相橋各晶閘管的同步電壓（有R-C濾波波滯后60 ）晶閘管VT 1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓U au c

13、ubuauc,Jb同步電壓sbusaJscu sasc當(dāng)變流形式不同，或整流變壓器、同步變壓器接法不同時(shí)，可參照上述例子確定 同步電壓信號(hào)遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)3.1過電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分過載和 短路 兩種情況。圖3-1給出了各種過電流保護(hù)措施及其配置位置，其中快速熔斷 器、直流快速 斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時(shí)采 用幾種過電流保護(hù) 措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)注 意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時(shí)的部分區(qū) 段的保護(hù)，直流民快速斷路

14、器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定 在過載時(shí)動(dòng)作。變壓器電流互速熔斷器變流器直流快速斷路器交流斷路器卜/_負(fù)載電流檢測(cè)過甩流短路器繼電器I動(dòng)作電油整定值I開關(guān)電路觸發(fā)電路電子保護(hù)電路圖3-1過電流圖保切”措施及配置位置采用快速熔斷器（簡(jiǎn)稱快熔）是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流 保護(hù) 措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）電等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c 電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流 母線中?？烊鄣?2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值。3）為保證熔體在正常過載的

15、情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間-電流特性?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。全保護(hù)是指不論過載還是 短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場(chǎng)合。 短路保護(hù)方 式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式下需與其他 過電流保護(hù)措施相 配合?？烊垭娏魅萘康木唧w選擇方法可參考有關(guān)的工程手冊(cè)。對(duì)一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷 器保 護(hù)的全控型器件，需要采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。3. 2過電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓。外因過電壓主要來自 雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等，包括：1）操作過電壓：由分

16、閘、合閘等開關(guān)操作引起；2）雷擊過電壓：由雷擊引起。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開 關(guān)過程，包括：1）換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻 恢復(fù) 阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流 急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓；2）關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩 端感應(yīng)出的過電壓。電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過 電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為 常見。RC過 電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱

17、網(wǎng)側(cè)，電力電子 電路一側(cè)稱閥側(cè)）或電力電子電路的直流側(cè)。大容量電力電子裝置可采用反向阻斷 式RC電路。1遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)4各參數(shù)的分析4. 1參數(shù)的理論計(jì)算在三相橋式全控整流電路中計(jì)算其平均值時(shí)，只需對(duì)一13以線電壓的過零點(diǎn)為時(shí)間坐個(gè)脈波進(jìn)行計(jì)算即可。因?yàn)樗?有電壓輸出波形是連續(xù)的, 標(biāo)的零點(diǎn)，可得整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值為2U d3 6U 2 sin td( t) 2. 34U 2 cos3將30和U2 220V代入式1計(jì)算得必 2. 34U 2 cos 2. 34 220 V 445. 8V已知E 60V, R 10 ,Ud 445.8V ,則輸出電流平均值為xd Ud E 44

18、5. 8 60 A 38. 5A10計(jì)算變壓器二次側(cè)電流I a為% Vd = 38. 5A 94. 3A將電流波形分解為傅里葉級(jí)數(shù)，以a相為例，將電流正、負(fù)半波的中點(diǎn)作為時(shí) 間零點(diǎn)，則有ia 23 I dsint xsin5 t sin7 t 1 sinll t 1 sinl3 t :ad 5 7 11 132Ii sin t 2L sinn tn 6k 1k 1、 2、 3由式5得電流基波和各次諧波有效值分別為In6 Id, n 6k 1, k 1. 2. 3 n由式4和式6可得基波因數(shù)為1 0. 955 8 I由于電流基波與電壓的相位差仍為a ,故位移因數(shù)為遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)1 CO

19、S 1 cos由此算出功率因數(shù)為I31 cos 1 cos 0. 955cos I10把 30 代入計(jì)算得0. 955cos ，955 30. 82整流電路的輸出視在功率為S Ud Id 445. 8 38. 5W 17163. 3W有功功率為P S17163. 3 0. 8W 13730. 6W4. 2參數(shù)的波形分析由圖4-1所示，首先在t1時(shí)刻共陰極組VTi晶閘管接受到觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通，此時(shí) 陰極輸出電壓Udi為幅值最大的a相相電壓；到t2時(shí)刻下一個(gè)觸發(fā)脈沖到來，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；至lj t3 時(shí)刻第三個(gè)脈沖到來，晶閘管V。關(guān)斷而晶閘管

20、VT2導(dǎo)通，輸出電壓為此時(shí)最高的c 相相電壓。重復(fù)以上步驟，即共陰極組輸出電壓Udi為在正半周的包絡(luò)線。共陽極組中輸出波形原理與共陰極組一樣，只是每個(gè)觸發(fā)脈沖和陰極組中脈沖相 差180。6個(gè)時(shí)段的導(dǎo)通次序如表所示一樣，只是t】從零時(shí)刻往后推遲30而 已。這樣 就得出最后輸出整流電壓為共陽極組輸出電壓與共陰極組輸出電壓的差心 udl Ud2 o而由于電路中大電感L的作用，輸出的電流為近似平滑的一條直線。圖4-1三相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載30時(shí)的波形5結(jié)論由前面的理論分析知道，當(dāng)a 60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、

21、晶閘管承受的電壓 波形等都一樣。區(qū)別在于由于負(fù)載不同，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)電感足夠大時(shí)，負(fù)載電流的波形可近似為水平線。當(dāng)a 60 時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載不同，電阻負(fù)載時(shí)的Ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部 分，而阻感負(fù)載是由于電感L的作用，Ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。心得小結(jié)這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我們通過對(duì)知識(shí)的綜合利用，進(jìn)行必要的分析，比較， 從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識(shí)，檢驗(yàn)了我們平時(shí)的學(xué)習(xí)效果。雖然此次課程設(shè)計(jì)與 實(shí) 際操作分析還有很大的差距，但是它提高了我們綜合解決問題的能力，為我們以后 的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。通過電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)課本專業(yè)知識(shí)的理解，平常都是理論