三相全控桥式整流电路

1 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 自动化 0602 班 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 自动化学院 题目 题目 三相桥式全控整流电路的设计 带反电动势负载 初始条件 初始条件 1 反电动势负载 E 60V 电阻 R 10 电感 L 无穷大使负载电流连续 2 U2 220V 晶闸管触发角 30 3 其他器件如晶闸管自己选取 要求完成的主要任务 要求完成的主要任务 包括课程设计工作得及其技术要求 以及说明书撰写待 具体要求 1 主电路的设计及原理说明 2 触发电路设计 每个开关器件触发次序及相位分析 3 保护电路的设计 过流保护 过电压保护原理分析 4 各参数的计算 输出平均电压 输出平均电流 输出有功功率计算 输出波形分析 5 应用举例 6 心得小结 时间安排 时间安排 7 月 6 日查阅资料 7 月 7 日方案设计 7 月 8 日 9 日馔写电力电子课程设计报告 7 月 10 日提交报告 答辩 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 2 摘摘要要 整流电路就是 把交流电能转换为直流电能的电路 大多数整流电路由变压器 整 流主电路和滤波器等组成 它在直流电动机的调速 发电机的励磁调节 电解 电镀 等领域得到广泛应用 整流电路通常由主电路 滤波器和变压器组成 20 世纪 70 年代以后 主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成 滤波器接在主电路与负载之间 用于滤除脉动直流电压中的交流成分 变压器设置与否视具体情况而定 变压器的作 用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔 离 可减小电网与电路间的电干扰和故障影响 整流电路的种类有很多 有半波整 流电路 单相桥式半控整流电路 单相桥式全控整流电路 三相桥式半控整流电路 三相桥式全控整流电路 等 关键词 整流 变压 触发 过电压 保护电路 3 目 录 1 主电路设计及原理 1 1 1 主电路设计 1 1 2 主电路原理说明 1 2 触发电路的设计 5 2 1 电路图的选择 5 2 2 触发电路原理说明 6 3 保护电路的设计 8 3 1 过电压保护 8 3 2 过电流保护 10 4 各参数的计算 12 4 1 输出值的计算 12 4 2 输出波形的分析 14 5 应用举例 15 6 心得体会 16 参考文献 17 1 三相桥式全控整流电路的设计 1 主电路设计及原理 1 1 主电路设计 其原理图如图 1 所示 图 1 三相桥式全控整理电路原理图 习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管 VT1 VT3 VT5 称为共阴极组 阳极 连接在一起的 3 个晶闸管 VT4 VT6 VT2 称为共阳极组 此外 习惯上希望晶闸管按 从 1 至 6 的顺序导通 为此将晶闸管按图示的顺序编号 即共阴极组中与 a b c 三相 电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1 VT3 VT5 共阳极组中与 a b c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4 VT6 VT2 从后面的分析可知 按此编号 晶闸管的导通顺序为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 1 2 主电路原理说明 整流电路的负载为带反电动势的阻感负载 假设将电路中的晶闸管换作二极管 这 种情况也就相当于晶闸管触发角 0o时的情况 此时 对于共阴极组的 3 个晶闸管 阳 极所接交流电压值最高的一个导通 而对于共阳极组的 3 个晶闸管 则是阴极所接交流 电压值最低 或者说负得最多 的一个导通 这样 任意时刻共阳极组和共阴极组中各 有 1 个晶闸管处于导通状态 施加于负载上的电压为某一线电压 此时电路工作波形如 2 图 2 所示 图 2 反电动势 0o时波形 0o时 各晶闸管均在自然换相点处换相 由图中变压器二绕组相电压与线电压波 形的对应关系看出 各自然换相点既是相电压的交点 同时也是线电压的交点 在分析 ud 的波形时 既可从相电压波形分析 也可以从线电压波形分析 从相电压波形看 以 变压器二次侧的中点 n 为参考点 共阴极组晶闸管导通时 整流输出电压 ud1 为相电压 在正半周的包络线 共阳极组导通时 整流输出电压 ud2 为相电压在负半周的包络线 总的整流输出电压 ud ud1 ud2 是两条包络线间的差值 将其对应到线电压波形上 即为线电压在正半周的包络线 直接从线电压波形看 由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大 正得最多 的相电压 而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小 负得最多 的相电压 输出 整流电压 ud 为这两个相电压相减 是线电压中最大的一个 因此输出整流电压 ud 波形 为线电压在正半周的包络线 由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大 电感对电流变化有抗拒作用 流 过电感器件的电流变化时 在其两端产生感应电动势 Li 它的极性事阻止电流变化的 当电流增加时 它的极性阻止电流增加 当电流减小时 它的极性反过来阻止电流减小 电感的这种作用使得电流波形变得平直 电感无穷大时趋于一条平直的直线 3 为了说明各晶闸管的工作的情况 将波形中的一个周期等分为 6 段 每段为 60o 如 图 2 所示 每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示 由该表可见 6 个晶 闸管的导通顺序为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 表 1 三相桥式全控整流电路电阻负载 0o时晶闸管工作情况 图 3 给出了 30o时的波形 从 t1 角开始把一个周期等分为 6 段 每段为 60o 与 0o时的情况相比 一周期中 ud 波形仍由 6 段线电压构成 每一段导通晶闸管的编 号等仍符合表 1 的规律 区别在于 晶闸管起始导通时刻推迟了 30o 组成 ud 的每一段 线电压因此推迟 30o ud 平均值降低 晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示 图中同 时给出了变压器二次侧 a 相电流 ia 的波形 该波形的特点是 在 VT1 处于通态的 120o 期间 ia 为正 由于大电感的作用 ia 波形的形状近似为一条直线 在 VT4 处于通态的 120o期间 ia 波形的形状也近似为一条直线 但为负值 时 段 共阴极组中 导通的晶闸管 VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组中 导通的晶闸管 VT6VT2VT2VT4VT4VT6 整流输出电压 ud ua ub uab ua uc uac ub uc ubc ub ua uba uc ua uca uc ub ucb 4 图 3 30o时的波形 由以上分析可见 当 60o时 ud波形均连续 对于带大电感的反电动势 id波 形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续 当 60o时 如 90o时电阻负载 情况下的工作波形如图 4 所示 ud 平均值继续降低 由于电感的存在延迟了 VT 的关断时 刻 使得 ud 的值出现负值 当电感足够大时 ud 中正负面积基本相等 ud 平均值近似 为零 这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的 角的移相范围为 90 度 图 4 90o时的波形 5 2 触发电路的设计 2 1 电路图的选择 晶闸管具有硅整流器件的特性 能在高电压 大电流条件下工作 且其工作过程 可以控制 被广泛应用于可控整流 交流调压 无触点电子开关 逆变及变频等电子 电路中 晶闸管具有下面的特性 1 当晶闸管承受反向电压时 无论门极是否有触发电流 晶闸管都不会导通 2 晶闸管承受正向阳极电压时 仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通 3 晶闸管在导通情况下 只要有一定的正向阳极电压 不论门极电压如何变化 晶闸管都保持导通 即晶闸管导通后 门极失去作用 4 晶闸管在导通情况下 当主回路电压 或电流 减小到接近于零时 晶闸管关 断 6 图 5 双脉冲触发电路 根据晶闸管的这种特性 通过控制晶闸管的导通和关断时刻 就能控制整流电路 的触发角的大小 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时 为确保电路的正常工作 需保证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲 在触发某个晶闸管的同时 给序号紧前的 一个晶闸管补发脉冲 即用两个窄脉冲代替宽脉冲 两个窄脉冲的前沿相差 60o 脉宽一 般为 20o 30o 称为双脉冲触发 双脉冲电路较复杂 但要求的触发电路输出功率小 触 发电路如图 5 所示 2 2 触发电路原理说明 如图 5 所示 触发电压的形成用 KJ004 芯片完成 KJ004 电路由同步检测电路 锯齿 波形成电路 偏形电压 移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部 分组成 电原理见下图 锯齿波的斜率决定于外接电阻 R6 RW1 流出的充电电流和积分 电容 C1 的数值 对不同的移相控制电压 VY 只有改变权电阻 R1 R2 的比例 调节相应的 偏移电压 VP 同时调整锯齿波斜率电位器 RW1 可以使不同的移相控制电压获得整个移相 范围 触发电路为正极性型 即移相电压增加 导通角增大 R7 和 C2 形成微分电路 改变 R7 和 C2 的值可以获得不同的脉冲输出 KJ004 芯片内部结构如图 6 所示 7 双脉冲信号的形成与控制用 KJ041 六路双脉冲形成器完成 KJ041 是三相全控桥式触 发线路中必备的电路 具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能 实用块有电子开关控 制的 KJ041 电路组成逻辑控制 适用于正反组可逆系统 如图 5 所示 KJ041 的 1 6 脚管为单脉冲信号输入 把单脉冲信号由 10 15 脚管两两 同时输出形成双脉冲信号 10 15 脚管两两同时输出对应输送给 VT6 VT1 晶闸管 1 假设在 t1 时刻 15 脚管开始给 VT1 晶闸管输送脉冲信号 则经过 60 度后 14 脚 管开始给 VT2 晶闸管双脉冲信号 即只有 15 脚管和 14 脚管有信号输出 其他脚管没信 号输出 则此时 VT1 和 VT2 同时导通 2 再过 60 度后 15 脚管停止输出信号 而 13 脚管开始给 VT3 输出信号 即只有 14 脚管和 13 脚管有信号输出 其他脚管没信号输出 此时 VT2 和 VT3 同时导通 3 再过 60 度后 14 脚管停止输出信号 而 12 脚管开始给 VT4 输出信号 即只有 13 脚管和 12 脚管有信号输出 其他脚管没有输出信号 此时 VT3 和 VT4 同时导通 4 再过 60 度后 13 脚管停止输出信号 而 11 脚管开始给 VT5 输出信号 即只有 12 脚管和 11 脚管有信号输出 其他脚管没有信号输出 此时 VT4 和 VT5 同时导通 5 再过 60 度后 12 脚管停止输出信号 而 10 脚管开始给 VT6 输出信号 即只有 11 脚管和 10 脚管有信号输出 其他脚管没有信号输出 此时 VT5 和 VT6 同时导通 6 再过 60 度后 11 脚管停止输出信号 而 15 脚管开始给 VT1 输出信号 即只有 10 脚管和 15 脚管有信号输出 其他脚管没有信号输出 此时 VT6 和 VT1 同时导通 重复以上步骤即得到三相桥式全控整流电路要求的触发信号 8 3 保护电路的设计 较之电工产品 电力电子器件承受过电压 过电流的能力要弱得多 极短时间的过 电压和过电流就会导致器件永久性的损坏 因此电力电子电路中过电压和过电流的保护 装置是必不可少的 有时还要采取多重的保护措施 3 1 过电压保护 电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接 电源变压器的绕组与 绕组 绕组与地中间都存在着分布电容 如图 7 所示 图 7 交流则过电压 变压器一般为降压型 即电源电压 u 高于变压器次级电压 电源开关断开时 初 次级绕组均无电压 绕组间分布电容电压也为 0 当电源合闸时 由于电容两端电压不能 突变 电源电压通过电容加在变压器次级 使得变压器次级电压超出正常值 它所连接 的电力电子设备将受到过电压的冲击 在进行电源拉闸断电是也会造成过电压 在通电的状态将电源开关断开使激磁电流 从一定得数值迅速下降到 0 由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压 因为电压为 Ldi dt 在电感一定得情况下 电流的变换越大 产生的过电压也越大 这 个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关 在正弦电流的最大值时断开电源 产生的 di dt 最大 过电压也就越大 可见 合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生 的机理是完全不同的 在电力电子设备的负载电路一般都为电感性 如果在电流较大时突然切除负载 电 路中会出现过电压 熔断器的熔断也会产生过电压 另外电力电子器件的换相也会使电 流迅速变化 从而产生过电压 上述过电压都发生在电路正常工作地状态 一般叫做操 作过电压 雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压 这类过电压发生地时间 和幅度的大小都是没有规律的 是难以预测的 9 对于上面的这些过电压 我们可以采用下面的措施进行保护 1 阻容保护 过电压幅度一般都很大 但是其作用时间一般却都是很短暂的 即点电压的能量并 不是很大的 利用电容两端的电压不能突变这一特点 将电容器并联在保护对象的两端 可以达到过电压保护的目的 这种保护方式叫做阻容保护 起保护作用的电容一般都与 电阻串联 这样可以在过电压给电容充电的过程中 让电阻消耗过电压的能量 还可以 限制形成的寄生的震荡 图 8 为电源侧阻容保护原理图 图 a 为单相阻容保护电路 图 b 和图 c 为三相阻容保护电路 RC 网络连接成星型 如图 b 也可以连接成 三角型 如图 c 电容越大对过电压的吸收作用越明显 图 8 阻容保护 在途图 9 中 图 a 为单相阻容保护 阻容网络直接接在电源端 吸收电源过电压 图 b 为接线形式为星型的三相阻容保护电路 平时电容承受电源相电压 图 c 为 接线三角型的三相阻容保护电路 平时电容承受电源相电压 显然 三角型接线方式电 容的耐压要为星型接线的倍 但是无论哪种接线 对于同一电路 过电压的能量是一3 样的 电容的储能也应该相同 所以星型接线的电容容量应为三角型倍 也就是说两3 种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的 2 整流式阻容保护 阻容保护电路的 RC 直接接于线路之间 平时支路中就有电流流动 电流流过电阻必 然要造成能量的损耗并使电阻发热 为克服这些缺点可采用整流式阻容 RC 保护电路 阻 容式 RC 保护电路如图 9 所示 10 图 9 整流式保护电路 三相交流点经过二极管整流桥变为脉动直流电 经过 R1 给 C 充电 电路正常工作无 过电压时电容两端保持交流电的峰值电压 而后整流桥给电容回路提供微弱的电流 以 补充电容放电所损失的电荷 由于与 C 并联的 R2 阻值很大 电容的放电非常慢 因此整 流桥输出的电流也非常小 一旦出现过电压 过电压的能量被电容吸收 电容的容量足 够大 可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内 从而也使电流电压不超过额定值 过电压消失后 电容经 R2 放电使两端电压恢复到交流电正常的峰值 由此可以看出 R2 越大整个电路的功耗越小 但过电压过后电容电压恢复到正常的时间也越长 因此大小 收到两次过电压时间最小间隔的限制 3 2 过电流保护 电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值 即为过电流 过电流有过载 荷短路两种情况 常用的过电路保护措施如图 10 所示 一台电力电子设备可选用其中的 几种保护措施 针对某种电力器件 可能有些保护措施是有效的而另外一些是无效的或 不合适的 在选用时应特别注意 图 10 过流保护电路图 11 交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值 然后来控制交流电流继 电器 当交流电流超过整定值时 过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断 开 切除故障电流 应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最 大电流瞬时值 否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作 由于器件耐受 过电流的时间极短 在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏 来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路 当电流超过整定值时 将所有驱动信 号的输出封锁 全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断 过电流随之消失 半控 型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后 未导通的晶闸管不再导通 而已导通的晶闸管由于 电感的储能器件不会立即关断 但经一定的时间后 电流衰减到 0 器件关断 这种保 护方式由电子电路来实现 又叫做电子保护 与断路器保护类似 电子保护的电流整定 值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值 快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施 与其它保护措施配合使用 根据电路 的不同要求 快速熔断器可以接在交流电源侧 三相电源的每一相串接一个快速熔断器 也可以接在负载侧 还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联 接法 不同 保护效果也有差异 熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行 全保护 和仅 对短路电流起作用的短路保护两种类型 撬杠保护多应用于大型的电力电子设备 电路中电流检测 电子保护都是必需的 同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管 其保护原理如下 当检测到的电流信号 超过整定值时 触发保护用的晶闸管 用以旁路短路电流 晶闸管支路中可接一个小电 感用以限制 di dt 驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件 以分散短路能量 让 所有器件分担短路电流 使交流断路器断开 切断短路能量的来源 经一段时间的衰减 短路能量消失 起到保护作用 12 4 各参数的计算 4 1 输出值的计算 三相桥式全控整流电路中 整流输出电压的波形在一个周期内脉动 6 次 且每次 d u 脉动的波形相同 因此在计算其平均值时 只需对一个脉波 即 1 6 周期 进行计算即 可 此外 因为所以电压输出波形是连续的 以线电压的过零点为时间坐标的零 0 30 点 可得整流输出电压连续时的平均值为 2 3 2 3 1 6sin 3 d uUtdt 4 1 2 2 34cosU 把和 U2 220V 代入式 4 1 计算有 0 30 2 2 34cos d uU 0 2 34 220 cos30 3 2 34 220 2 445 8V 输出电流平均值为 4 2 d d UE I R 把 E 60V R 10 代入式 4 2 计算有 445 8 d uV d d UE I R 445 860 10 38 5A 变压器二次侧电流 Ia 为 4 3 2 3 ad II 代入数值计算得 2 3 ad II 13 2 38 5 3 94 3 将电流波形分解为傅里叶级数 以 a 相为例 将电流正 负半波的中点作为时间零 点 则有 2 31111 sinsin5sin7sin11sin13 571113 ad iIttttt 61 1 2 3 2 32 31 sin 1 sin k dd nk k ItIn t n 4 4 1 61 1 2 3 2sin2sin n nk k ItIn t 由式 4 4 得电流基波和各次谐波有效值分别为 4 5 1 6 6 61 1 2 3 d nd II IInkk n 由式 4 3 和式 4 5 可得基波因数为 4 6 1 3 0 955 I I 同样从图 3 可明显看出电流基波与电压的相位差仍为 故位移因数仍为 4 7 11 coscos 功率因数即为 4 8 1 11 3 0 955 I COSCOSCOS I 把代入计算得 0 30 0 955COS 3 0 955 2 0 8 整流电路的输出视在功率为445 8 38 517163 3 dd SU IW 有功功率为 17163 3 0 813730 64PSW 14 4 2 输出波形的分析 时的输出波形如图 11 所示 0 30 图 11 整流电路的输出波形 如图 11 所示 从 t1 时刻开始把一个周期等分为 6 份 在 Wt1 时刻共阴极组 VT1 晶闸管接受到触发信号导通 此时阴极输出电压 Ud1 为幅值最大的 a 相相电压 到 Wt2 时刻下一个触发脉冲到来 此时 a 相输出电压降低 b 相输出电压升高 于是阴极输出电 压变为 b 相相电压 到 Wt3 时刻第三个脉冲到来 晶闸管 VT1 关断而晶闸管 VT2 导通 输出电压为此时最高的 c 相相电压 重复以上步骤 即共阴极组输出电压 Ud1 为在正半 周的包络线 共阳极组中输出波形原理与共阴极组一样 只是每个触发脉冲比阴极组中脉冲相差 180 度 6 个时段的导通次序如表 1 所示一样 只是 Wt1 从零时刻往后推迟 30 度而已 这样就得出最后输出整流电压为共阴极组输出电压与共阳极组输出电压的差即 Ud Ud1 Ud2 4 9 而由于电路中大电感 L 的作用 输出的电流为近似平滑的一条直线 图中同时给出 了变压器二次侧 a 相电流 ia 的波形 该波形的特点是 在 VT1 处于通态的 120o期间 ia 为正 由于大电感的作用 ia 波形的形状近似为一条直线 在 VT4 处于通态的 120o期 间 ia 波形的形状也近似为一条直线 但为负值 15 5 应用举例 可以设计成能进行电动状态 发电状态转换的电动机应用在汽车的发点装置里面 其 设计图如图 12 所示 图 12 汽车发电装置图 如图 12 所示 当汽车在平路或上坡路段行驶时 调节整流电路的触发角 使 90 使输出直流电压 Ud 平均值为负值 且 Em Ud 这时候整流电路工作在逆变状态 位能装换为电能 M 向三相交流电存储 装置输送电流 三相交流电存储装置接受并存储电能 这样就能使汽车的电源维持较长的供电时间 而且能够节约电能 16 6 心得体会 设计 给人以创作的冲动 在画家眼里 设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵 在建筑师眼中 设计是昔日鎏金般的圆明园或是今日一塑自由女神像 在电子工程师心 中 设计是贝尔实验室的电话机