三相橋式全控整流電路設(shè)計

三相橋式全控整流電路設(shè)計.z.1主電路的設(shè)計與原理說明1.1主電路圖圖1-1中陰極連接在一起的3個晶閘管〔VT1、VT3、VT5〕為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管〔VT4、VT6、VT2〕為共陽極組。晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。此主電路要求帶反電動勢負載，此反電動勢E=60V，電阻R=10Ω，電感L無窮大使負載電流連續(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于晶閘管觸發(fā)角α=0o時的情況。此時，對于共陰極組的三個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的三個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低〔或者說負得最多〕的一個導通。這樣，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)，施加于負載上的電壓為*一線電壓。α=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析的波形時，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n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導通時，整流輸出電壓為相電壓在負半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對應(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)的晶閘管對應(yīng)的是最小的相電壓，輸出整流電壓為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。由于負載端所接的電感值無限大，會對變化的電流有抵抗作用，從而使得負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α=0o時的波形為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為，如圖1-2所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表1-1可見，6個晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。表1-1三相橋式全控整流電路電阻負載α=0o時晶閘管工作情況時段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6當觸發(fā)角α改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。當α=時，從角開場把一個周期等分為6段，每段為與α＝時的情況相比，一周期中波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1-1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了,組成的每一段線電壓因此推遲，平均值降低。圖1-3中給出了變壓器二次側(cè)a相電流的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，為正，由于大電感的作用，波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120o期間，波形的形狀也近似為一條直線，但為負值。圖1-3帶阻感負α=30o時的波形當時，電路工作情況仍可對照表1-1分析。波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，平均值繼續(xù)降低，時出現(xiàn)了為零的點。由以上分析可見，當時，波形連續(xù)。對于帶大電感的反電動勢，波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當時，如時電阻負載情況下的工作波形如圖1-4所示，平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時刻，使得的值出現(xiàn)負值，當電感足夠大時，中正負面積根本相等，平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的角的移相范圍為。圖1-4帶阻感負α=90o時的波形2觸發(fā)電路的設(shè)計2.1觸發(fā)電路的脈沖類型對于三相橋式全控整流電路，在其合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路在正常工作，需保證同時導通的兩個晶閘管均有脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于〔一般取～〕，稱為寬脈沖觸發(fā)；另一種方法是，在觸發(fā)*個晶閘管的同時，給前一個晶閘管補發(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，脈寬一般為～，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飽和，需將鐵心體積做得較大，繞組匝數(shù)較多，導致漏感增大，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KJ004集成塊和一個KJ041集成塊組成的，脈沖產(chǎn)生后由六個晶體管進展放大。圖2-1KJ004電路原理圖KJ004電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比擬放大電路和功率放大電路四局部組成。電原理見圖5：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1，流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY，只有改變權(quán)電阻R1、R2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器RW1，可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導通角增大。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關(guān)控制封鎖功能。實用塊有電子開關(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。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，而是會在允許內(nèi)有一定的波動。觸發(fā)電路除了應(yīng)當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，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)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，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構(gòu)造、觸發(fā)電路構(gòu)造等。觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。對于晶閘管VT1，其陽極與交流側(cè)電壓相接，可簡單表示為VT1所接主電路電壓為+，VT1的觸發(fā)脈沖從至的范圍為～。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負半周的起點對應(yīng)于鋸齒波的起點，通常使鋸齒波的上升段為，上升段起始的和終了的線性度不好，舍去不用，使用中間的。鋸齒波的中點與同步信號位置對應(yīng)。三相橋整流器大量用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，且通常要求可實現(xiàn)再生制動，使的觸發(fā)角為。當時為整流工作，時為逆變工作。將確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前、向后各有的移相范圍。于是與同步電壓的對應(yīng)，也就是與同步電壓的對應(yīng)。對于其它五個晶閘管，也存在同樣的對應(yīng)關(guān)系，即同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓。對于共陽極組的VT4、VT6和VT2，它們的陰極分別與、和相連，可得簡單表示它們的主電路電壓分別為、和。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，即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。圖2-3給出了變壓器接法的一種情況及相應(yīng)的矢量圖，其中主電路整流變壓器為Dy11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為Dy5y11聯(lián)結(jié)。這時，同步電壓選取的結(jié)果如表2-1所示。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〕晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓同步電壓為防止電網(wǎng)電壓波形畸變對觸發(fā)電路產(chǎn)生干擾，可對同步電壓進展R-C濾波，當R-C濾波滯后角為時，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〕晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓同步電壓當變流形式不同，或整流變壓器、同步變壓器接法不同時，可參照上述例子確定同步電壓信號。3保護電路的設(shè)計3.1過電流保護電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(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采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。在選擇各種保護措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的局部區(qū)段的保護，直流民快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。圖3-1過電流保護措施及配置位置采用快速熔斷器〔簡稱快熔〕是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：電等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。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?？烊鄣闹祽?yīng)小于被保護器件的允許值。為保證熔體在正常過載的情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間-電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式可分為全保護和短路保護兩種。全保護是指不管過載還是短路均由快熔進展保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場合。短路保護方式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護作用，此方式下需與其他過電流保護措施相配合?？烊垭娏魅萘康木唧w選擇方法可參考有關(guān)的工程手冊。對一些重要的且易發(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的全控型器件，需要采用電子電路進展過電流保護。3.2過電壓保護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：操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起；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)的二極管在換相完畢后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會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，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。4各參數(shù)的分析4.1參數(shù)的理論計算在三相橋式全控整流電路中計算其平均值時，只需對一個脈波進展計算即可。因為所有電壓輸出波形是連續(xù)的，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，可得整流輸出電壓連續(xù)時的平均值為1將和代入式1計算得2，則輸出電流平均值為3計算變壓器二次側(cè)電流為4將電流波形分解為傅里葉級數(shù)，以a相為例，將電流正、負半波的中點作為時間零點，則有5由式5得電流基波和各次諧波有效值分別為67由式4和式6可得基波因數(shù)為8由于電流基波與電壓的相位差仍為а，故位移因數(shù)為9由此算出功率因數(shù)為10把代入計算得整流電路的輸出視在功率為有功功率為4.2參數(shù)的波形分析由圖4-1所示，首先在時刻共陰極組晶閘管承受到觸發(fā)信號導通，此時陰極輸出電壓為幅值最大的a相相電壓；到時刻下一個觸發(fā)脈沖到來，此時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；到時刻第三個脈沖到來，晶閘管關(guān)斷而晶閘管導通，輸出電壓為此時最高的c相相電壓。重復以上步驟，即共陰極組輸出電壓為在正半周的包絡(luò)線。共陽極組中輸出波形原理與共陰極組一樣，只是每個觸發(fā)脈沖和陰極組中脈沖相差。6個時段的導通次序如表1-1所示一樣，只是從零時刻往后推遲而已。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。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勢阻感負載時的波形5結(jié)論由前面的理論分析知道，當時，波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于由于負載不同，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流波形不同，電阻負載時波形與波形形狀一樣。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，當電感足夠大時，負載電流的波形可近似為水平線。當時，阻感負載時的工作情況與電阻負載不同，電阻負載時的波形不會出現(xiàn)負的局部，而阻感負載是由于電感L的作用，波形會出現(xiàn)負的局部。心得小結(jié)這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計，我們通過對知識的綜合利用，進展必要的分析，比擬，從而進一步驗證了所學的理論知識，檢驗了我們平時的學習效果。雖然此次課程設(shè)計與實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，為我們以后的學習打下了根底。通過電力電子技術(shù)課程設(shè)計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設(shè)計中，真正做到了自己查閱資料、自己解決問題，對觸發(fā)