三相橋式全控整流電路的研究

1、電力電子技術課程設計報告題目 三相橋式全控整流電路的研究姓 名 學 號年 級專 業(yè)系（院）指導教師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。電能是人類生產最重要的二次能源之一，無論人們的日常生活，還是工農業(yè)的生產都離不開電，電網的穩(wěn)定安全和電能高效合理的利用直接影響著國民經濟的發(fā)展。近年來，電力電子裝置產生的諧波污染，造成了電能的巨大浪費，已經阻礙了電力電子技術的發(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用于社會生產的各個領域。因此，對三相橋式整流電路的研究已經成為電力電子的前沿問題，具有重大的科學意義。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經升壓變壓器后由SCR(可控硅)再整流為直流供負載用。但是由于工藝要求大功率，大電流，高電壓，因此控制比較復雜，特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應，否則輸出的電壓波動大甚至還有可能短路造成設備損壞。研究背景和意義本課題來源下我單位的國產化技術改造項目，即三相晶閘管的整流及觸發(fā)控制。晶閘管：是應用于電力領域的電子技術，指使用電力電了器件對電能進行變換和控制的技術。1 設計目的，要求，任務1.1設計設計目的和要求合理運用所學知識，能夠進行電力電子電路和系統(tǒng)的設計，理解和掌握常用的電力電子電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設計

3、方法，掌握元器件的選擇計算方法。1.2任務設計一個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、負載為阻感性負載。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)分析與設計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 三相橋式全控整應用最為廣泛，共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）編號：1、3、5，4、6、2三相橋式全控整流電路的特點：（1）2管同時通形成供電回路，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°同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。 （3）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。 （4）需保證同時導通的2個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相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同 。a 帶電阻負載時的工作情況 a =0°時的

5、情況假設將電路中的晶閘管換作二極管進行分析對于共陰極阻的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個導通對于共陽極組的3個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的導通任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導通時，ud1為相電壓的正包絡線，共陽極組導通時，ud2為相電壓的負包絡線，ud=ud1 - ud2是兩者的差值，為線電壓在正半周的包絡線直接從線電壓波形看， ud為線電壓中最大的一個，因此ud波形為線電壓的包絡線。將波形中的一個周期等分為6段，每段為60度，如圖2-18所示，每一段中導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、個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。表2-1 三相橋式全控整流電路電阻負載a=0°時晶閘管工作情況時 段共陰極組中導通的晶閘管 共陽極組中導通的晶閘管 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；同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180o。 整流

7、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，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘管均有觸發(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)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差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， 繞組匝數較多，導致漏感增大，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時晶閘管承受的電壓波形如圖1所示。a=30°時的工作情況從wt1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表2-1的規(guī)律區(qū)別在于：晶閘管起始導通時刻推遲了30°，組成ud的每一段線電壓因此推遲30°變壓器二次側電流ia波形的特點：在VT1處于通態(tài)的120°期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的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段的ud波形相同，但為負值。圖1 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a =0°的波形 圖 三相橋式全控整流電路帶電

9、阻負載a =30°時的波形當=60o時，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ud出現了為零的點。圖2-20 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a =60°時的波形小結當a60°時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)當a>60°時，ud波形每60°中有一段為零，ud波形不能出現負值。帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a 角的移相范圍是120°當60o時，如90o時電阻負載情況下，此時ud波形每60o中有30o為零，這是因為電阻負載時 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，晶閘管關斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現負值。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，可見帶電阻負載時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載a =90°時的波形b 阻感負載時的工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，對于帶反電動勢阻感負載的情況，只需在阻感負載的基礎上掌握其特點，即可把握其工作情況。當60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十

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)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流 id 波形不同，電阻負載時 id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖6為電路帶阻感負載=30o的波形。圖2-22三相橋式整流電路帶阻感負載，a =30°時的波形圖中除給出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帶電阻負載時的情況進行比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流 id

12、 波形決定，和ud波形不同。當60時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現o負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現負的部分。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，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說明，整流輸出的波形在一周期內脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載60o時）的平均值為電阻負載且>60o時

13、，整流電壓平均值為輸出電流平均值為Id = Ud/R。當整流變壓器為圖1中所示采用星形聯(lián)結，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖7中所示，為正負半周各寬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一致。U2晶閘管的參數：（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所承受峰值電壓的23倍。即 U額=(2根據要求，輸出功率為2kw，負載電阻為20歐姆，理想變壓器二次側電壓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，應選用的通態(tài)平均電流為計算的（1.52）倍。計算得IVT(AV)=7.36A.（3）對于晶閘管我們選用可關斷晶閘管CTO。它是具有門極正信號觸發(fā)導通和門極負信號關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，同時又具有GTR可關斷的優(yōu)點。（4）總上述，我們選用國產50A GTO。參數如下.選用電阻20歐姆。正向阻斷電壓:10001500,受反壓，陽極可關斷電流：30、50A擎柱電流0.52.5正向觸發(fā)電流：200800MA，反向關斷電流：610A，開通時間：<6us,m關斷時間:&

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關斷增益：（5）整流變壓器的參數：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網電壓往往不能一致，同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。我們假設變壓器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以變壓器的匝數比為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電路4.1 電路的保護措施4.2.1 主電路的過電壓保護抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓

16、的副度，用電阻消耗生產過電壓的能量，用儲能元件吸收生產過電壓的能量。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過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產過電壓的能量的保護。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉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)電阻消耗部分產生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。電路圖如圖3圖34.2.2 晶閘管的過電壓保護晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關

17、也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護，電路圖如圖4圖44.2.3 晶閘管的過電流保護常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關過電流保護。 快速熔斷器保護是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開關時間長（只有在短路電流不大時才有用；直流快速開關過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔斷器保護。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。為實現這個，

18、利用一個同步變壓器，將其一側接入為主電路供電的電網，其二次側提供同步電壓信號，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。6 各元件參數的計算與選擇6.1參數的計算晶閘管阻容吸收元件參數可按表3所提供的經驗數據選取，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可按表3所提供的經驗數據選取，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，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，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質熔絲，周圍充以石英砂填料，構成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點：（1）快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應大于或等于內部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據以上特點，我們選用國產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，電容C=6I0%S/U2/U2,電阻R2.3 U2* U2對于晶閘管的過電流保護，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質熔絲，周圍充以石英砂填料，構成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點：（1）快熔的額定電壓應大于線路

20、正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應大于或等于內部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據以上特點，我們選用國產RLS系列的RLS-50快速熔斷器。6.2 參數的選擇我們選用國產50A GTO。參數如下.選用電阻20歐姆。正向阻斷電壓:10001500,受反壓，陽極可關斷電流：30、50A擎柱電流0.52.5正向觸發(fā)電流：200800MA，反向關斷電流：610A，開通時間：<6us,m關斷時間:<10us,工作頻率：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/us,正管壓降24V關斷增益：5.整流變壓器的參數：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電壓往往不能一致，同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。我們假設變壓器是理想的。U=U/2.3485.5V.所以變壓器的匝數比為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可按下表所提供的經驗數據選取，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，電容C=6I0%S/U2/U2,電阻R2.3 U2* U2對于晶閘管的過電流保護，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質熔絲，周圍充以石英砂填

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