三相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
三相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)_第2頁(yè)
三相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)_第3頁(yè)
三相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)_第4頁(yè)
三相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)_第5頁(yè)
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1、三相橋式半控整流電路介紹整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電,這就是交流電的整流過(guò)程,整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過(guò)整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓,而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓,習(xí)慣上稱(chēng)單向脈動(dòng)性直流電壓。按半波整流電路二極管電阻變壓器場(chǎng)合電路相橋式可控整流電路的設(shè)計(jì)引言1 設(shè)計(jì)目的,要求,任務(wù)1.1 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)方法,掌握元器件的選擇計(jì)算方法。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)輸入電壓:三相交流380伏 .50赫茲.,輸出功率:2K

2、W2 三相晶閘管全控整流電路原理說(shuō)明21 主電路原理說(shuō)明晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl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(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。編號(hào)如圖2-1所示,晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖2-1帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況晶閘管觸發(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

3、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2-2所示。=0o時(shí),各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二次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)。 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。將波形中的一個(gè)周期等分為6段,每段為60度,如圖2-2所示,每一段中導(dǎo)通的晶閘管及

4、輸出整流電壓的情況如表2-1所示。由該表可見(jiàn),6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT2VT3VT4VT5VT6。表2-1 時(shí) 段 1 2 3 4 5 6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(yáng)極組依次差120o;同一相的上下兩個(gè)橋臂脈沖相差180o。 整流輸出電壓ud一周期脈動(dòng)6次,每次脈動(dòng)的波形都

5、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(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。為此,可采用兩種方法:一種是使脈沖寬度大于60o,稱(chēng)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20o -30o,稱(chēng)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(duì)于晶閘管串聯(lián)使用不利,故采用雙脈沖觸發(fā)。0o時(shí)晶閘管承受的

6、電壓波形如圖2-2所示。 圖2-2圖中還給出了晶閘管VT1流過(guò)電流 iVT 的波形,由此波形可以看出,晶閘管一周期中有120o處于通態(tài),240o處于斷態(tài),由于負(fù)載為電阻,故晶閘管處于通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的ud波形相同。當(dāng)觸發(fā)角改變時(shí),電路的工作情況將發(fā)生變化。當(dāng)=30o時(shí)。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2-2所示。圖中同時(shí)給出了變壓器二次側(cè)a相電

7、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,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120o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。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)。由以上分析可見(jiàn),當(dāng)60o時(shí),ud波形均連續(xù),對(duì)于電阻負(fù)載,id波形與ud波形的形狀是一樣的,也連續(xù)。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ud波形一致,一旦ud降至零,id也降至零,流過(guò)晶閘管的電流即降至零

8、,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(jiàn)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。 阻感負(fù)載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(shì)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(duì)于帶反電動(dòng)勢(shì)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

9、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2-3為電路帶阻感負(fù)載=0o的波形。 圖2-3圖2-3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2-2帶電阻負(fù)載時(shí)的情況進(jìn)行比較。由波形圖可見(jiàn),在晶閘管VT1導(dǎo)通段,iVT1波形由負(fù)載電流 id 波形決定,和ud波形不同。 當(dāng)60o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)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

10、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。定量分析在以上的分析中已經(jīng)說(shuō)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(duì)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(guò)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),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2-1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2-4中所示,為正負(fù)半周各寬120o、前沿相差

11、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。 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(guò)程中承受的峰值電壓Utn=U2考慮安全裕量,一般晶閘管的額定電壓為工作時(shí)所承受峰值電壓的2-3倍。即額定電壓U =(2-3)Utn 。 圖2-4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=(2-3)U2=(2-3)×200.(2)電流額定:通態(tài)平均電流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IV

12、T(AV)=7.36A.(3)對(duì)于晶閘管我們選用可關(guān)斷晶閘管GTO。它是具有門(mén)極正信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通和門(mén)極負(fù)信號(hào)關(guān)斷的全控型電力電子器件。它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(guó)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(yáng)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(kāi)通時(shí)間:<6us,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

13、.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=3U2I2=3*85.5*0.816Id。3 三相晶閘管全控整流電路的保護(hù)電路3.1 電路的保護(hù)措施 主電路的過(guò)電壓保護(hù)抑制過(guò)電壓的方法:用非線性元件限制過(guò)電壓的副度,用電阻消耗生產(chǎn)過(guò)電壓的能量,用儲(chǔ)能元件吸收生產(chǎn)過(guò)電壓的能量。對(duì)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(guò)電壓的場(chǎng)合。所以我們選用

14、儲(chǔ)能元件吸收生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。由于電容兩端電壓不能突變,所以能有效抑制過(guò)電壓,串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過(guò)電壓的能量,并抑制LC回路的震動(dòng)。電路圖如圖3-1所示圖3-1 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)晶閘管的過(guò)電壓能力較差,當(dāng)它承受超過(guò)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(guò)管子的正向轉(zhuǎn)折電壓,會(huì)造成晶閘管硬開(kāi)通,不僅使電路工作失常,且多次硬開(kāi)關(guān)也會(huì)損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過(guò)電壓,常采用簡(jiǎn)單有效的過(guò)電壓保護(hù)措施。 對(duì)于晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)可參考主電路的過(guò)電壓保護(hù),我們使用阻容保護(hù),電路圖如圖

15、圖3-2 晶閘管的過(guò)電流保護(hù)常見(jiàn)的過(guò)電流保護(hù)有:快速熔斷器保護(hù),過(guò)電流繼電器保護(hù),直流快速開(kāi)關(guān)過(guò)電流保護(hù)。快速熔斷器保護(hù)是最有效的保護(hù)措施;過(guò)電流繼電器保護(hù)中過(guò)電流繼電器開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)(只有在短路電流不大時(shí)才有用);直流快速開(kāi)關(guān)過(guò)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3-3所示圖3-33.2 各元件參數(shù)計(jì)算與選擇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。表3-1晶閘管額定電流IvT(AV)/A1000 500 200 100 50 20 10電容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15

16、0.1電阻R/歐姆2510204080100由題意用電容為0.2UF,電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。對(duì)于主電路的保護(hù),電容C=6I0%S/U2/U2,電阻R2.3 U2* U2對(duì)于晶閘管的過(guò)電流保護(hù),快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲,周?chē)湟允⑸疤盍希瑯?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(guó)產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。4 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

17、定。為實(shí)現(xiàn)這個(gè),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。5 參數(shù)選擇我們選用國(guó)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(yáng)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(kāi)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

18、/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。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。表5-1晶閘管額定電流IT(AV)/A1000 500 200 100 50 20 10電容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15

19、0.1電阻R/歐姆2510204080100由題意用電容為0.2UF,電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。對(duì)于主電路的保護(hù),電容C=6I0%S/U2/U2,電阻R2.3 U2* U2對(duì)于晶閘管的過(guò)電流保護(hù),快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲,周?chē)湟允⑸疤盍?,?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(guó)產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。6 總電路圖圖6-1結(jié)束語(yǔ)通過(guò)本次設(shè)計(jì)讓我對(duì)三相晶閘管有了更深刻的了解并且知道要想成為一名出色的工程設(shè)計(jì)

20、師是很不容易的,需要充分的知識(shí)基礎(chǔ)和一定的耐力。在此基礎(chǔ)上,我也學(xué)到了很多,開(kāi)闊了眼界。在設(shè)計(jì)中,我也感到平時(shí)積累不夠,書(shū)到用時(shí)方恨少。在以后的學(xué)習(xí)工作中我要更加的努力學(xué)習(xí)自己的專(zhuān)業(yè)課,豐富自己的業(yè)余生活。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,20042鄭忠杰,吳作海編. 電力電子變流技術(shù).第二版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19883劉志剛主編. 電力電子學(xué).第一版. 北京:清華大學(xué)出版社,20044陳志明主編. 電力電子器件基礎(chǔ)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19925林渭勛主編. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20066趙可斌,陳國(guó)雄編. 電力電子變流技

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