三相橋式全控整流課程設(shè)計(jì)

1、三相橋式全控整流課程設(shè)計(jì)1.電力電子簡(jiǎn)介隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對(duì)變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個(gè)方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動(dòng)態(tài)性能好。因此，研究開(kāi)發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個(gè)分支。1現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子學(xué)（Power Electronics）這一名稱是在上世紀(jì)6

2、0年代出現(xiàn)的。1974年，美國(guó)的W.Newell用一個(gè)倒三角形（如圖）對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認(rèn)為它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W(xué)”和“電力電子技術(shù)”是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)2個(gè)不同的角度來(lái)稱呼的。一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出的第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。70年代后期以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場(chǎng)效應(yīng)管（Power

3、-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)門極既柵極或基極的控制既可以使其開(kāi)通又可以使其關(guān)斷）。使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的復(fù)合）為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來(lái)又把驅(qū)動(dòng)，控制，保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)

4、重要方向。利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時(shí)也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時(shí)，用逆變器（見(jiàn)電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關(guān)注的是所能轉(zhuǎn)換的電功率。電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功

5、率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開(kāi)發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子

6、學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號(hào)檢測(cè)處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。1.1晶閘管的簡(jiǎn)介晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR,普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。目前，晶閘管的容量水平已達(dá)8kV6kA。 晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見(jiàn)晶閘管的外形有兩種：螺栓型和平板型。 1、晶閘管的基本特點(diǎn)有三個(gè)： （1）欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件有： 應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓； 應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。 (2) 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。 (3) 為

7、使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2、 晶閘管的工作特性 單向晶閘管的伏安特性曲線如圖所示。從特性曲線上可以看出它分五個(gè)區(qū)，即反向擊穿區(qū)、反向阻斷區(qū)、正向阻斷區(qū)、負(fù)阻區(qū)和正向?qū)▍^(qū)。大多數(shù)情況下，晶閘管的應(yīng)用電路均工作在正向阻斷和正向?qū)▋蓚€(gè)區(qū)域。晶閘管A、K極間所加的反向電壓不能大于反向峰值電壓，否則有可能便其燒毀。 單向晶閘管的上述特性，可以用以下幾個(gè)主要參數(shù)來(lái)表征： 3、額定平均電流IT:在規(guī)定的條件下，晶閘管允許通過(guò)的50Hz正弦波電流的平均值。 4、正向轉(zhuǎn)折電壓VB0:是指在額定結(jié)溫及控制極開(kāi)路的條件下，在陽(yáng)極和陰極間加

8、以正弦波半波正向電壓，使其由關(guān)斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓峰值。 單向晶閘管伏安特性曲線： 圖1-1單向晶閘管伏安特性曲線5、正向阻斷峰值電壓VDRM:定義為正向轉(zhuǎn)折電壓減去100V后的電壓值。 6、反向擊穿電壓VBR:是指在額定結(jié)溫下，陽(yáng)極和陰極間加以正弦波反向電壓，當(dāng)其反向漏電流急劇上升時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓峰值。7、反向峰值電壓VRRM:定義為反向擊穿電壓減去1OOV后的電壓值。 8、正向平均壓降VT:是指在規(guī)定的條件下，當(dāng)通過(guò)的電流為其額定電流時(shí)，晶閘管陽(yáng)極、陰極間電壓降的平均值。 9、維持電流IH:是指維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。 10、控制極觸發(fā)電壓VCT和觸發(fā)電流IGT:在

9、規(guī)定的條件下，加在控制極上的可以使晶閘管導(dǎo)通的所必需的最小電壓和電流。 11、導(dǎo)通時(shí)間tg(ton):從在晶閘管的控制極加上觸發(fā)電壓VGT開(kāi)始到晶閘管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電流達(dá)到90%時(shí)的這一段時(shí)間稱為導(dǎo)通時(shí)間。 12、關(guān)斷時(shí)間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開(kāi)始到控制極恢復(fù)控制能力的這一段時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間。 此外，晶閘管還有一些其他參數(shù)，例如，為了使晶閘管能可靠地觸發(fā)導(dǎo)通，對(duì)加在控制極上的觸發(fā)脈沖寬度是有一定要求的;為使晶閘管能可靠地關(guān)斷，對(duì)晶閘管的工作頻率也有一定的規(guī)定;為避免晶閘管損壞，對(duì)控制極的反向電壓也有一定的要求。2. 原理及方案 三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過(guò)變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過(guò)

10、變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。保護(hù)電路采用RC過(guò)電壓抑制電路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，利用快速熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個(gè)同步變壓器對(duì)觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶?dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路三個(gè)部分?？驁D中沒(méi)有表明保護(hù)電路。當(dāng)接通電源時(shí)，三相橋式全控整流電路主電路通電，同時(shí)通過(guò)同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，

11、使主電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通工作，經(jīng)過(guò)整流后的直流電通給直流電動(dòng)機(jī)，使之工作。電源三相橋式全控整流電路直流電動(dòng)機(jī)同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)模塊圖2-1 三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖3. 主電路的設(shè)計(jì)及器件選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定負(fù)載為220V、305A的直流電機(jī)，采用三相整流電路，交流測(cè)由三相電源供電，設(shè)計(jì)要求選用三相橋式全控整流電路供電，主電路采用三相全控橋。3.1 三相全控橋的工作原理如圖3-1所示，為三相橋式全控帶阻感負(fù)載，根據(jù)要求要考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感與電樞電阻，故為阻感負(fù)載。習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陽(yáng)極組。共陰極組中與a、b、c三相電源

12、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。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。圖3-1 三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)（阻感）負(fù)載原理圖3.1.1 三相全控橋的工作特點(diǎn)（1） 2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組 各1個(gè)，且不能為同1相器件。（2） 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-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(yáng)

13、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） 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。3.1.2 阻感負(fù)載時(shí)的波形分析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，因?yàn)閹Х措妱?dòng)勢(shì)阻感負(fù)載的情況，與帶阻感負(fù)載的情況基本相同。 當(dāng)60度時(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u

14、d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) ud 波形與 id 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3-2和圖3-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=0度和=30度的波形。 圖3-2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。 圖3-3中除給出ud波形和 i

15、d 波形外，還給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，在此不做具體分析。 圖3-3 觸發(fā)角為30時(shí)的波形圖 圖3-2 觸發(fā)角為0度時(shí)的波形圖 當(dāng)60度時(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。圖3-4給出了=90度時(shí)的波形。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。這說(shuō)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90度。圖3-4 觸發(fā)角為90時(shí)的波形圖3.2各元件參數(shù)的計(jì)算與選擇3.2.1參數(shù)的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

16、定電壓1.11.5倍。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3-1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。晶閘管額定電流IT(AV)/A1000 500200100502010電容C/UF210.50.250.20.150.1電阻R/歐姆2510204080100表3-1元器件參數(shù)由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900V;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

17、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。3.2.2參數(shù)計(jì)算 由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： （公式1） 變比為： （公式2 變壓器一次和二次側(cè)的相電流計(jì)算公式為： 公式3 公式4 而在三相橋式全控中 公式5 公式6 所以變壓器的容量分別如下： 變壓器次級(jí)容量為： 公式7 變壓器初級(jí)容量為： 公式8 變壓器容量為： 公式9 即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級(jí)繞組三角形接法，；次級(jí)繞組星形接法，；容量選擇為9.4698

18、9kW。3.2.3 晶閘管的選擇（1）晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形（圖3-4）分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 公式10故橋臂的工作電壓幅值為： 公式11 考慮裕量，則額定電壓為： 公式12（2） 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為： 公式13考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：公式143.2.4 平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動(dòng)和保證最小負(fù)載電流時(shí)電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)，有： 公式15其中， （單位為mH）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當(dāng)負(fù)載電流降至20

19、A時(shí)電流仍連續(xù)。所以取20A。所以有： 公式164. 觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。4.1 集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、 對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如下：圖4-1 K

20、J004的電路原理圖 雙脈沖信號(hào)的形成與控制用KJ041六路雙脈沖形成器完成，KJ041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(kāi)關(guān)控制封鎖功能。實(shí)用塊有電子開(kāi)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)。如圖4-1所示，KJ041的1-6腳管為單脈沖信號(hào)輸入。把單脈沖信號(hào)由10-15腳管兩兩同時(shí)輸出形成雙脈沖信號(hào)，10-15腳管兩兩同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)輸送給VT6-VT1晶閘管。（1）假設(shè)在t1時(shí)刻15腳管開(kāi)始給VT1晶閘管輸送脈沖信號(hào)，則經(jīng)過(guò)60度后14腳管開(kāi)始給VT2晶閘管雙脈沖信號(hào)，即只有15腳管和14腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒(méi)信號(hào)輸出，則此時(shí)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通

21、；（2）再過(guò)60度后，15腳管停止輸出信號(hào)，而13腳管開(kāi)始給VT3輸出信號(hào)，即只有14腳管和13腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒(méi)信號(hào)輸出，此時(shí)VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通；（3）再過(guò)60度后，14腳管停止輸出信號(hào)，而12腳管開(kāi)始給VT4輸出信號(hào)，即只有13腳管和12腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒(méi)有輸出信號(hào)，此時(shí)VT3和VT4同時(shí)導(dǎo)通；（4）再過(guò)60度后，13腳管停止輸出信號(hào)，而11腳管開(kāi)始給VT5輸出信號(hào)，即只有12腳管和11腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒(méi)有信號(hào)輸出，此時(shí)VT4和VT5同時(shí)導(dǎo)通； （5）再過(guò)60度后，12腳管停止輸出信號(hào)，而10腳管開(kāi)始給VT6輸出信號(hào)，即只有11腳管和10腳管有信號(hào)輸出，其他腳管

22、沒(méi)有信號(hào)輸出，此時(shí)VT5和VT6同時(shí)導(dǎo)通； （6）再過(guò)60度后，11腳管停止輸出信號(hào)，而15腳管開(kāi)始給VT1輸出信號(hào)，即只有10腳管和15腳管有信號(hào)輸出，其他腳管沒(méi)有信號(hào)輸出，此時(shí)VT6和VT1同時(shí)導(dǎo)通；4.2 KJ004的工作原理如圖3-1 KJ004的電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負(fù)半周期間

23、。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS|0.7V時(shí)，V1V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15VR6C1R22RP1(15V)對(duì)C1充電，形成線性增長(zhǎng)的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過(guò)R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上

24、疊加。當(dāng)ube6+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過(guò) V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15VR25V6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位差為180的脈沖。脈沖分選

25、通過(guò)同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來(lái)自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過(guò)二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說(shuō)明：（1） KJ004中穩(wěn)壓管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6VD8為隔離二極管。（2） 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1VD12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管V1V6進(jìn)行脈沖功率放大。（3） 由于 V8、V12的脈

26、沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個(gè)與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓uSa、uSb、uSc分別與同步變壓器的uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4RP6為同步相位。4.3封裝形式及KJ004的管腳圖電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。KJ004的管腳圖如圖4-2和表4-1. 圖4-2 管腳圖功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc

27、引線腳號(hào)1 23 45 678910111213141516 表4-1 管腳接線表4.4集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖4-3所示：圖4-3 集成觸發(fā)電路圖5. 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了保護(hù)設(shè)備安全，必須設(shè)置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過(guò)電流與過(guò)電流保護(hù)，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷

28、器等；另一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過(guò)允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。本例中設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護(hù)方案，分別對(duì)晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計(jì)。5.1 晶閘管的保護(hù)電路 晶閘管的過(guò)電流保護(hù)：過(guò)電流可分為過(guò)載和短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管初開(kāi)通時(shí)引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對(duì)于整流橋內(nèi)部原因引起的過(guò)流以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù)。如圖5-1所示：圖5-1串聯(lián)電感

29、及熔斷器抑制回路 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)：晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)主要考慮換相過(guò)電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過(guò)相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過(guò)恢復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生過(guò)電壓，即換相過(guò)電壓。為使元件免受換相過(guò)電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如圖5-2所示： 圖5-2并聯(lián)RC電路阻容吸收回路 5.2 交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲，同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，可采用如圖5-3所示的反向阻斷式過(guò)電壓抑制RC保護(hù)電路。整

30、流電路正常工作時(shí)，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過(guò)電壓能量的通路，電容將吸取過(guò)電壓能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量；過(guò)電壓消失后，電容經(jīng) 、 放電，將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。圖5-3反向阻斷式過(guò)電壓抑制RC電路5.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過(guò)電壓，在圖5-4中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開(kāi)關(guān)切斷時(shí)，因直流側(cè)電抗器釋放儲(chǔ)能，會(huì)在整流器直流輸出端造成過(guò)電壓。另外，由于直流側(cè)快速開(kāi)關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能也產(chǎn)生過(guò)電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過(guò)電壓，仍會(huì)通

31、過(guò)導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來(lái)，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)，用于抑制過(guò)電壓。圖5-4 直流側(cè)阻容保護(hù)5.4 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5-5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5-5 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

32、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。

33、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，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)

34、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。6. MATLAB 建模與仿真6.1 MATLAB建模 三相橋式全控整流器的建模、參數(shù)設(shè)置三相橋式全控整流器的建?？梢灾苯诱{(diào)用通用變換器橋（6-pulse thyristor）仿真模塊。參數(shù)設(shè)定如圖6-1所示：圖6-1 通用橋參數(shù)設(shè)置圖 同步電源與6脈沖觸發(fā)器的封裝同步電源與6脈沖觸發(fā)器模塊包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩個(gè)部分，6脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。具體步驟如下： 建立一個(gè)新的模型

35、窗口，命名為TBCF； 打開(kāi)相應(yīng)的模塊組，復(fù)制5個(gè)int1（系統(tǒng)輸入端口）、一個(gè)out1（系統(tǒng)輸出端口、3個(gè)voltage Measurement（電壓測(cè)量模塊）、1個(gè)6-Pulse Generator（脈沖觸發(fā)器）。按圖6-2連線。圖6-2 觸發(fā)器模塊連接圖 進(jìn)行封裝，封裝圖如圖6-3所示。圖6-3 封裝圖 三相橋式全控整流電路的建模、參數(shù)設(shè)置建立一個(gè)新的模型窗口，命名為ban2。將三相橋式全控整流器和同步6脈沖觸發(fā)器子系統(tǒng)復(fù)制到ban2模型窗口中。通過(guò)合適的連接，最后連接成如圖6-4所示的命名為修改版的三相橋式全控整流器電路仿真模型。相關(guān)參數(shù)說(shuō)明：交流電壓源Ua、Ub、Uc等于U2為179

36、.6V，頻率為50Hz，Ua相序?yàn)?度，Ub相序?yàn)?120度，Uc相序?yàn)?240度。RC中的參數(shù)為：R為1歐，L為0H，C為（1e-6）F。RL中的參數(shù)為：R的參數(shù)為0.721歐，L（平波電抗器）的參數(shù)為4.4mH。DC的參數(shù)為-220V可設(shè)為任意值。圖6-4 三相橋式全控整流電路仿真圖6.2 MATLAB 仿真打開(kāi)仿真參數(shù)窗口，選擇ode123tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置1e-3，仿真開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為0，停止時(shí)間設(shè)置為0.04秒。在下面的仿真圖中Ud、Id為負(fù)載電壓（V）和負(fù)載電流（A）。（1）觸發(fā)角為0度是的波形圖6-5 觸發(fā)角為0度時(shí)ud、id的波形圖(2)觸發(fā)角為30度時(shí)的波形圖6-6 觸發(fā)

37、角為30度時(shí)ud、id的波形圖（3）觸發(fā)角為90度時(shí)的波形圖6-7 觸發(fā)角為90度時(shí)ud、id的波形圖6.3 仿真結(jié)構(gòu)分析由仿真出的觸發(fā)角分別為0度、30度和90度的Ud、Id波形圖和圖3-2、圖3-3、圖3-4比較可知，三相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電感足夠大以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同、僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為： 公式176.4硬件電路PCB板6.4.1頂層視圖 如下圖6-8所示。 圖6-8 PCB頂層試圖6.4.2 底層視圖 如下圖6-9所示。 圖6-9 PCB 底層試圖6.4.3 頂層覆蓋圖 如下圖