电力电子技术课程设计--三相半波整流的负载分析.doc

电力电子技术课程设计报告三相半波整流电路的负载分析姓 名 学 号 年 级 2008 级 专 业 电气工程及其自动化 系（院） 信息学院 指导教师 2010年 12 月 15日三相半波整流的负载分析一、引言单相整流电路线路简单，价格便宜，制造、调整、维修都比较容易，但其输出的直流电压脉动大，脉动频率低。又因为它接在三相电网的一相上，当容量较大时易造成三相电网不平衡，因而只用在容量较小的地方。一般负载功率超过4kw要求直流电压脉动较小时，可以采用三相可控整流电路。半波整流电路是一种实用的整流电路。它由电源变压器b 、整流二极管d 和负载电阻rfz ，组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，d 再把交流电变换为脉动直流电。 变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图所示。在0k时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻rfz上，在2 时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。这时d承受反向电压，不导通，rfz，上无电压。在2时间内，重复0 时间的过程，而在34时间内，又重复2时间的过程这样反复下去，交流电的负半周就被削掉了，只有正半周通过rfz，在rfz上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图所示，达到了整流的目的，但是，负载电压usc。以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。 这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以牺牲一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压usc =0.45e2 ）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。二、设计任务设计指标：输入电压：三相交流380伏、50赫兹。输出功率：2kw；输出电压：dc100v用集成电路芯片或分立元件组成触发电路。负载性质：电阻(10)、电阻(10)电感(10mh)。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，1三相半波可控整流电路带电阻负载为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网。三个晶闸管分别接入a,b,c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有共端连接方便假设将电路中的晶闸管换作二极管并用vd表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值较大，则该相对应的二级管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相的相电压。在一个周期中，器件工作情况如下：在wt1wt2期间，a相电压最高，vd1导通;在wt2wt3期间，b相电压最高，vd2导通，在wt3w t4期间，c相电压最高，vd3导通。此后，在下一周期相当于wt1的位置即 wt4的时刻，vd1又导通，如此重复前一周期的工作情况 。因此，一周中 vd1，vd2，vd3轮流导通。每管各导通120。在相电压的交点wt1，wt2，wt3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。对三相半波可控整流电路而言，自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即=0，要改变触发角只能在此基础上增大，即沿时间坐标轴右移。若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。当=0时，变压器二次侧a相绕组和晶闸管vt1的电流波形如图所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120，可见变压器二次绕组电流有直流分量。增大的值，将脉冲后移，整流电路的工作情况发生相应的变化。对于=30的波形，从输出电压电流的波形可以看出，这时负载电流处于连接和断续的临界状态，各相仍导电120。如果30，例如=60时，整流电压的波形如图所示，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90小于120。若角继续增大，整流电压将越来越小，=150时，整流输出电压为零。固电阻负载时角的移相范围为 150。2阻感负载如果负载为阻感负载，且l值很大，则整流电路id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。30时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。30时，例如=60时的波形如图，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而vt1继续导通，直到下一相晶闸管vt2的触发脉冲到来，才发生换流，由vt2导通向负载供电，同时向vt1施加反压使其关断。这种情况下ud波形中出现负的部分，若增大，ud波形中负的部分将增多，至=90。3反电动势负载三、设计方案选择及论证 1电阻性负载如图1(a)三只整流二极管换成三只晶闸管，如果在wtl、wt3、wt5时刻，分别向这三只晶闸管vt1、vt3、vt5施加触发脉冲，ug1,ug3，ug5,则整流电路输出电压波形与整流二极管时完全一样，如图l(c)所示，为三相相电压波形正向包络线。从图中可以看出，三相触发脉冲的相位间隔应与三相电源的相位差一致，即均为 120。每个晶闸管导通120，在每个周期中，管子依次轮流导通，此时整流电路的输出平均电压为最大。如果在wtl、wt3、wt5时刻之前送上触发脉冲，晶闸管因承受反向电压而不能触发导通，因此把它作为计算控制角的起点，即该处的a=0。若分析不同控制角的波形，则触发脉冲的位置距对应相电压的原点为30+a图2是三相半波可控整流电路电阻性负载口a =30。时的波形。设电路图l(a)己在工作，w相的vt5已导通，当经过自然换相点l点时，虽然u相所接的vtl己承受正向电压，但还没有触发脉冲送上来，它不能导通，因此vt5继续导通，直到过1点即a=30。时，触发电路送上触发脉冲ug1,vtl被触发导通，才使vt5承受反向电压而关断，输出电压ud波形由uw波形换成uu波形。同理在触发电路送上触发脉冲ug3时，vt3被触发导通，使vt1承受反向电压而关断，输出电压ud波形由uu波形换成uv波形，各相就这样依次轮流导通，便得到如图2所示输出电ud的波形。整流电路的输出端由于负载为电阻性，负载流过的电流波形站与电压波形相似，而流过vtl管的电流波形itl仅是id波形的13区间，如图2所示。u相所接的vtl阳极承受的电压波形ut1可以分成三个部分：(1)vtl本身导通，忽略管压降，utl=0：(2)vt3导通，vtl承受的电压是u相和v相的电位差，ut1=uuv：(3)vt5导通，vtl承受的电压是u相和w相的电位差，uti=uuw。从图2可以看出每相所接的晶闸管各导通120，负载电流处于连续状态，一旦控制角a大于30，则负载电流断续。如图3所示，a=60，设电路己工作，w相的vt5己导通，输出电压ud波形为uw波形。当w相相电压过零变负时，ut5立即关断，此时u相的vtl虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还没有来，因此不能导通，三个晶闸管都不导通，输出电压ud为零。直到u相的触发脉冲出现，vtl导通，输出电压ud波形为uu波形。其他两相亦如此，便得到如图3输出电压ud波形。vtl阳极承受的电压波形utl除上述三部分与前相同外，还有一段是三只晶闸管都都不导通，此时ut1波形承受本相相电压uu波形，如图3所示。述分析可得出如下结论：(1)当控制角a为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到a=150。时，输出电压为零。所以此电路的移相范围是0150。(2)当a30时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120； 当a30时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150一a由此整流电路输出的平均电压ud的计算分两段：(1) 当0a30时 (2) 当30rd，则整流电路的输出电流id连续且基本平直。以a=60为例，在分析电路工作情况时，认为电路已经进入稳态运行。在wt=0时，w相所接晶闸管vt5已经导通，直到wtl时，其阳极电源电压hw等于零并开始变负，这时流过电感性负载的电流开始减小，因在电感上产生的感应电动势是阻止电流减小的，从而使电感上产生的感应电动势对晶闸管来说仍然为正，vt5继续导通。直到wt2时刻，即a=60时，触发电路送上触发脉冲ugl，vtl被触发导通，才使vt5承受反向电压而关断，输出电压ud波形由uw波形换成uu波形。如此下去，得到输出电压ud，如图4所示，ud波形电压出现负值，但只要ud波形电压的平均值不等于零，电路可正常工作，电流id连续平直，波形如图4所示。三只晶闸管依次轮流导通，各导通120，流过晶闸管的电流波形为矩形波，如图4所示。uti波形仍由三段曲线组成，和电阻负载电流连续时相同。当a30。时，电压波形间断，到a=150时，平均电压ud为零，所以三相半波电感性负载接续流管的有效移相范围是0-150。各相晶闸管导通角为150一a，续流管导通角为3(a-30)。a30时，电路各物理量的计算公式如下3反电动势负载在直流电力拖动系统中，多数为串电感的电动机负载。为了使电枢电流五波形连续平直，在电枢回路中串入电感量足够大的平波电抗器ld，这就是含反电动势的大电感负载。电路的分析方法与波形及平均电压ud的计算同大电感负载时一样，只是输出平均电流id的计算应该为 id=(ud-e)/ra 式中，e为电枢反动势，ra为电枢电阻。 如图6(a)所示，为了提高输出平均电压ud的值，也可在输出端加续流二极管。在续流期间，负载电流通过二极管，相应减轻了晶闸管负担。但加了续流管后，不能用在可逆拖动系统中，只能做整流输出电路。当串入的平波电抗器ld电感量不足时，电感中储存的磁场能量不足以维持电流连续，此时，输出电压ud波形出现由反电动势e形成的台阶，平均电压ud值的计算不能再利用大电感时的公式。图6(b)为不接续流管电流连续和断续、a=60时的波形，图6(c)为接了续流管电流连续和断续、a=60时的波形。其工作原理可参照单相电路反电动势负载分析。四、总体电路设计主电路：五、各功能模块电路设计1 电阻性负载(1)当控制角a为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到a=150。时，输出电压为零。所以此电路的移相范围是0150。(2)当a30时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120； 当a30时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150一a由此整流电路输出的平均电压ud的计算分两段：(3) 当0a30时 (4) 当30a150 时负载平均电流: id=ud/rd晶闸管是轮流导通的，所以流,z-t每个晶闸管的平均电流:idt = 1/3 id晶闸管承受的最大电压:utm=6u22 电感性负载当a30时，电路各物理量的计算公式如下3反电动势负载电路的分析方法与波形及平均电压ud的计算同大电感负载时一样，只是输出平均电流id的计算应该为 id=(ud-e)/ra 式中，e为电枢反动势，ra为电枢电阻。六、总体电路1如图三只整流二极管换成三只晶闸管，如果在wtl、wt3、wt5时刻，分别向这三只晶闸管vt1、vt3、vt5施加触发脉冲，ug1,ug3，ug5,则整流电路输出电压波形与整流二极管时完全一样。三相触发脉冲的相位间隔应与三相电源的相位差一致，即均为 120。每个晶闸管导通120，在每个周期中，管子依次轮流导通，此时整流电路的输出平均电压为最大。如果在wtl、wt3、wt5时刻之前送上触发脉冲，晶闸管因承受反向电压而不能触发导通，因此把它作为计算控制角的起点。设电路图己在工作，w相的vt5已导通，当经过自然换相点l点时，虽然u相所接的vtl己承受正向电压，但还没有触发脉冲送上来，它不能导通，因此vt5继续导通，直到过1点即a=30。时，触发电路送上触发脉冲ug1,vtl被触发导通，才使vt5承受反向电压而关断，输出电压ud波形由uw波形换成uu波形。同理在触发电路送上触发脉冲ug3时，vt3被触发导通，使vt1承受反向电压而关断，输出电压ud波形由uu波形换成uv波形，各相就这样依次轮流导通，便得到输出电ud的波形。整流电路的输出端由于负载为电阻性，负载流过的电流波形站与电压波形相似，流过vtl管的电流波形itl仅是id波形的13区间，u相所接的vtl阳极承受的电压波形ut1可以分成三个部分。2设电感ld的值足够大，满足ldrd，则整流电路的输出电流id连续且基本平直。在分析电路工作情况时，认为电路已经进入稳态运行。在wt=0时，w相所接晶闸管vt5已经导通，直到wtl时，其阳极电源电压hw等于零并开始变负，这时流过电感性负载的电流开始减小，因在电感上产生的感应电动势是阻止电流减小的，从而使电感上产生的感应电动势对晶闸管来说仍然为正，vt5继续导通。直到wt2时刻，即a=60时，触发电路送上触发脉冲ugl，vtl被触发导通，才使vt5承受反向电压而关断，输出电压ud波形由uw波形换成uu波形。如此下去，得到输出电压ud，如图4所示，ud波形电压出现负值，但只要ud波形电压的平均值不等于零，电路可正常工作，电流id连续平直，三只晶闸管依次轮流导通，各导通120，流过晶闸管的电流波形为矩形波， uti波形仍由三段曲线组成，和电阻负载电流连续时相同。为了避免波形出现负值，可在大电感负载两端并接续流二极管vd，以提高输出平均电压值，改善负载电流的平稳性，同时扩大移相范围。3在直流电力拖动系统中，多数为串电感的电动机负载。为了使电枢电流五波形连续平直，在电枢回路中串入电感量足够大的平波电抗器ld，这就是含反电动势的大电感负载。为了提高输出平均电压ud的值，也可在输出端加续流二极管。在续流期间，负载电流通过二极管，相应减轻了晶闸管负担。但加了续流管后，不能用在可逆拖动系统中，只能做整流输出电路。当串入的平波电抗器ld电感量不足时，电感中储存的磁场能量不足以维持电流连续，此时，输出电压ud波形出现由反电动势e形成的台阶。七、总结三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4kw时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1.按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2.按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3.按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。我在这次的设计里的收获和体会是比较多的，大致总结如下：1.要学会搜集和查阅资料。对于我们接触的许多东西，我们可能是没有学过的，甚至没有见过的，我们要学会从各种渠道去搜集关于这个方面的知识，去学习它，知道可以应用它。2.如何完成一个任务。对于我们接触到一个任务时，我们要学会将这个任务进行转化，也就是尽量转化到我们熟悉的知识上来。当我们完成任务的转化后，还要学会分解任务，也就是要清楚，我们要完成这个任务要分为那几个部分，就象这次的设计要分解为标准秒振荡器、计数器、译码驱动器和显示器四个小任务，然后再各个任务击破。3.对于我们在做事过程中发现的问