三相橋式全控整流電路的研究

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目 三相橋式全控整流電路的研究姓 名 學(xué) 號(hào)年 級專 業(yè)系（院）指導(dǎo)教師2011年 12月 25 日引言我國作為世界的能源大國，對能源的需求占世界首列。電能是人類生產(chǎn)最重要的二次能源之一，無論人們的日常生活，還是工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)都離不開電，電網(wǎng)的穩(wěn)定安全和電能高效合理的利用直接影響著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近年來，電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染，造成了電能的巨大浪費(fèi)，已經(jīng)阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展，而三相橋式整流電路是電力電子的重要組成部分，這種三相橋式電路廣泛的運(yùn)用于社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。因此，對三相橋式整流電路的研究已經(jīng)成為電力電子的前沿問題，具有重大的科學(xué)意義。本文主要介紹三相橋式

2、全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖，由工頻三相電壓380V經(jīng)升壓變壓器后由SCR(可控硅)再整流為直流供負(fù)載用。但是由于工藝要求大功率，大電流，高電壓，因此控制比較復(fù)雜，特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應(yīng)，否則輸出的電壓波動(dòng)大甚至還有可能短路造成設(shè)備損壞。研究背景和意義本課題來源下我單位的國產(chǎn)化技術(shù)改造項(xiàng)目，即三相晶閘管的整流及觸發(fā)控制。晶閘管：是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，指使用電力電了器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。1 設(shè)計(jì)目的，要求，任務(wù)1.1設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的和要求合理運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，能夠進(jìn)行電力電子電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，理解和掌握常用的電力電子電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

3、方法，掌握元器件的選擇計(jì)算方法。1.2任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)三相可控整流電路使其輸入電壓:三相交流380伏 、頻率為50赫茲、輸出功率2KW、負(fù)載為阻感性負(fù)載。三相橋式整流系統(tǒng)的研究三相橋式整流系統(tǒng)的觸發(fā)分析與設(shè)計(jì)2 三相晶閘管全控整流電路原理說明21 主電路原理說明圖2-17 三相橋式全控整應(yīng)用最為廣泛，共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）編號(hào)：1、3、5，4、6、2三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)：（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3

4、-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°。 共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120°同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。 （3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。 （4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)另一種方法是雙脈沖觸發(fā)（常用）。（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同 。a 帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況 a =0°時(shí)的

5、情況假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管進(jìn)行分析對于共陰極阻的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個(gè)導(dǎo)通對于共陽極組的3個(gè)晶閘管，陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的導(dǎo)通任意時(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)從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，ud1為相電壓的正包絡(luò)線，共陽極組導(dǎo)通時(shí)，ud2為相電壓的負(fù)包絡(luò)線，ud=ud1 - ud2是兩者的差值，為線電壓在正半周的包絡(luò)線直接從線電壓波形看， ud為線電壓中最大的一個(gè)，因此ud波形為線電壓的包絡(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

6、個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT2VT3VT4VT5VT6。表2-1 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=0°時(shí)晶閘管工作情況時(shí) 段共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管 共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管 整流輸出電壓UdI VT1 VT6II VT1 VT2III VT3 VT2IV VT3 VT4V VT5 VT4VI VT5 VT6Ua-Ub=Uab Ua-Uc=Uac Ub-Uc=Ubc Ub-Ua=Uba Uc-Ua=Uca Uc-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

7、輸出電壓ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)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(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。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(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20o30o，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

8、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1所示。a=30°時(shí)的工作情況從wt1開始把一周期等分為6段，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2-1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°變壓器二次側(cè)電流ia波形的特點(diǎn)：在VT1處于通態(tài)的120°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120°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。圖1 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a =0°的波形 圖 三相橋式全控整流電路帶電

9、阻負(fù)載a =30°時(shí)的波形當(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)。圖2-20 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a =60°時(shí)的波形小結(jié)當(dāng)a60°時(shí)，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)當(dāng)a>60°時(shí)，ud波形每60°中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a 角的移相范圍是120°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u

10、d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。圖 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a =90°時(shí)的波形b 阻感負(fù)載時(shí)的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(dòng)勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動(dòng)），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，對于帶反電動(dòng)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

11、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=30o的波形。圖2-22三相橋式整流電路帶阻感負(fù)載，a =30°時(shí)的波形圖中除給出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

12、 波形決定，和ud波形不同。當(dāng)60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(huì)出現(xiàn)o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(huì)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。3 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(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)

13、，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。U2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=3)Utn ?？紤]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=(2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

14、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(hào)觸發(fā)導(dǎo)通和門極負(fù)信號(hào)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:&

15、lt;10us,工作頻率：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/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。4 三相晶閘管全控整流電路的保護(hù)電路4.1 電路的保護(hù)措施4.2.1 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

16、的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)。電路圖如圖3圖34.2.2 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(huì)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(huì)造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)

17、也會(huì)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4圖44.2.3 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5圖55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)，

18、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(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保持一致的。再是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號(hào)的相位，以保證觸發(fā)電路相位正確。6 各元件參數(shù)的計(jì)算與選擇6.1參數(shù)的計(jì)算晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3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。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3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。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

19、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，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。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，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路

20、正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。6.2 參數(shù)的選擇我們選用國產(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：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/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

21、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。U=U/2.3485.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.2d變壓器一、二次容量為S2=3 UI2=3*85.5*0.816Id。 2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。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

22、料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。7 總電路圖觸發(fā)電路壓保護(hù)過電流保護(hù)8總結(jié)首先，我學(xué)到了不少東西。是我開闊了眼界，本次課程設(shè)計(jì)完美結(jié)束。同時(shí)我也意識(shí)到到自己的不足，覺得應(yīng)該好好學(xué)習(xí)，努力增加自己的知識(shí)含量。在設(shè)計(jì)中，我感到自己平時(shí)下功夫太少，以至于書到用時(shí)方恨少。同時(shí)，我覺得，一次課程設(shè)計(jì)是我如此疲憊，所以應(yīng)該珍惜別人勞動(dòng)成果。還要感謝教我的老師，沒有他們，我這次課程設(shè)計(jì)無法完成?？傊院笠煤脤W(xué)習(xí)，更加努力的汲取知識(shí)。參考文獻(xiàn)1.王兆安，黃俊主編電力電子技木第四版北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008年1月2.鄭忠杰，吳作海編.電力