三相桥式全控整流电路的设计

1 电力电子技术课程设计报告 不可逆直流电力拖动系统中三相桥式全控整流电路的设计不可逆直流电力拖动系统中三相桥式全控整流电路的设计 姓 名 陈营 学 号 200909140317 年 级 03 班 专 业 电气工程及其自动化 系 院 汽车学院 指导教师 齐延兴 2011 年 12 月 24 日 2 一 引言一 引言 整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要也是应用得最为 广泛的电路 不仅用于一般工业 也广泛应用于交通运输 电力系统 通信系统 能源系 统及其他领域 因此对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行 对比分析与研究具有很强的现实意义 这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环 而且 对工程实践的实际应用具有预测和指导作用 因此调试三相桥式可控整流电路的相关参数 并对不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义 二 设计任务二 设计任务 2 1 1 课程设计目的 1 培养文献检索的能力 特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料 2 培养综合分析问题 发现问题和解决问题的能力 3 通过对不可逆直流电力拖动系统中三相桥式全控整流电路的设计 掌握三相桥式全控 整流电路的工作原理 综合运用所学知识 三相桥式全控整流电路和系统设计的能力 4 培养运用知识的能力和工程设计的能力 5 提高课程设计报告撰写水平 2 1 2 课程设计指标内容及要求 三相桥式全控整流电路设计要求 1 电网 380V 50HZ 2 直流电机额定功率 17KW 额定电压 220V 额定电流 90A 额定转速 1500r min 3 变压器漏感 0 5Mh 2 1 3 设计的步骤 根据给出的技术要求 确定总体设计方案 选择具体的元件 进行硬件系统的设计 进行相应的电路设计 完成相应的功能 进行调试与修改 撰写课程设计说明书 三 三 设计方案选择及论证设计方案选择及论证 3 1 三相半波可控整流电路 特点 阻感负载 L 值很大 id 波形基本平直 a 30 时 整流电压波形与电阻负载时相同 3 a 30 时 如 a 60 时的波形如图 2 16 所示 u2过零时 VT1不关断 直到 VT2的脉 冲到来 才换流 由 VT2导通向负载供电 同时向 VT1施加反压使其关断 ud波形中出 现负的部分阻感负载时的移相范围为 90 数量关系 Ud U2与 a 成余弦关系 如图 3 1 1 中的曲线 2 所 示 如果负载中的电感量 不是很大 则当 a 30 后 ud中负的部分减少 Ud略为增加 Ud U2与 a 的关系将介于曲线 1 和 2 之间 变压器二次电流即 晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正反向电压峰 值均为变压器二次线电压 峰值 图 2 16 中 id波形有一定 的脉动 但为简化分析及 定量计算 可将 id近似为 一条水平线 三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量 为此其应用较少 3 2 三相桥式全控整流电路 应用最为广泛 共阴极组 阴极连接在一起的 3 个晶闸管 VT1 VT3 VT5 共阳 极组 阳极连接在一起的 3 个晶闸管 VT4 VT6 VT2 编号 1 3 5 4 6 2 阻感负载时的工作情况 图 3 1 1 三相半波可控整流电路 阻感负载时的电路及 a 60 时的波形 3 1 3 2 3 3 4 a 60 时 ud波形连续 工作情况与带电阻负载时十分相似 各晶闸管的通断情况 输出整流电压 ud波形 晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于 由于负载不同 同样 的整流输出电压加到负载上 得到的负载电流 id波形不同 阻感负载时 由于电感的作用 使得负载电流波形变得平直 当电感足够大的时候 负载电流的波形可近似为一条水平线 a 60 时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同 电阻负载时 ud波形不会出现负的部 分 而阻感负载时 由于电感 L 的作用 ud波形会出现负的部分带阻感负载时 三相桥式 全控整流电路的 a 角移相范围为 90 定量分析 当整流输出电压连续时 即带阻感负载时 或带电阻负载 a 60 时 的平均值为 带电阻负载且 a 60 时 整流电压平均值为 输出电流平均值为 Id Ud R 当整流变压 器为图2 17 中所 示采用星形接法 带阻感负载时 变压器二次侧电 流波形 如图 2 23 中所示 为正负半周各宽 120 前沿相差 180 的矩形波 其有效值为 图 3 2 1 三相桥式整流电路带阻感负载 a 30 时的波形 5 晶闸管电压 电流等的定量分析与三相半波时一致 三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时 在负载电感足够大足以使负载电流连续 的情况下 电路工作情况与电感性负载时相似 电路中各处电压 电流波形均相同 仅在 计算 Id时有所不同 接反电势阻感负载时的 Id为 式中 R 和 E 分别为负载中的电阻值和反电动势的值 不考虑电动机的电 枢电感时 只有晶闸管导通相的变压器二次侧电压瞬时值大于反电动势时才 有电流输出 此时负载电流断续 对整流电路和电动机的工作都不利 要尽 量避免 故在电枢回路串联一平波电抗器 以保证整流电流在较大范围内连续 如图 图 3 2 2 三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形 6 电动机稳态时 虽然 Ud波形脉动较大 但由于电动机有较大的机械惯量 故其转速 和反电动势都基本无脉动 此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均 电流 Id所引起的各种电压降所平衡 整流电压的交流分量则全部降落在电抗器上 由 Id引 起的压降有下列四部分 变压器的电阻压降 其中为变压器的等效电阻 它包括变压器二 次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻 晶闸管本身的管压降 它基本上是一恒值 电枢电阻压降 以及由重叠角引起的电压降 此时 整流电路直流电压 的平衡方程为 a 电流连续时电动机的机械特性 在电机学中 已知直流电动机的反电动势为 3 4 式中 Ce 为由电动机结构决定的电动势常数 为电动机磁场每对磁极下的磁通量 单位 为 Wb n 为电动机的转速 单位为 r min 其机械特性与由直流发电机供电时的 机械特性是相似的 是一组平行的直线 其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异 调节角 即可调节电动机的转速 同理 可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为 b 电流断续时电动机的机械特性 由于整流电压是一个脉动的直流电压 当电 动机的负载减小时 平波电抗器中的电感储能减小 致使电流不再连续 此时电动机 的机械特性也就呈现出非线性 电流连续时的理想空载反电动势 如图 2 39 所示 实际上当 Id减小至某一定值 Idmin以 后 电流变为断续 这个是不存在的 真正的理想空载点远大于此值 电流断续时电动机机械特性的特点 电动机的理想空载转速抬高 图 3 2 3 三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性 7 机械特性变软 即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化 随着 a 的增加 进入断续区的电流值加大 由于 a 愈大 变压器加给晶闸管阳极上 的负电压时间愈长 电流要维持导通 必须要求平波电抗器储存较大的磁能 而电抗器的 L 为一定值的情况下 要有较大的电流 Id才行电流断续时电动机机械特性可由下面三个式 子准确地得出 式中 L 为回路总电感 一般只要主电路电感足够大 可以只考虑电流连续段 完全按线性处理 当低速轻载 时 断续作用显著 可改用另一段较陡的特性来近似处理 其等效电阻比实际的电阻 R 要 大一个数量级 整流电路为三相半波时 在最小负载电流为 Id min时 为保证电流连续所需的主回路电感 量为 mH 对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统 有 mH L 中包括整流变压器的漏电感 电枢电感和平波电抗器的电感 前者数值都较小 有时可 忽略 Idmin一般取电动机额定电流的 5 10 因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍 因而所需平波电抗器的 电感量也可相应减小约一半 这也是三相桥式整流电路的一大优点 本次设计采用的是三 相桥式全控整流电路的方法 开关选用晶闸管 四 总体电路设计四 总体电路设计 8 根据三相桥式全控整流电路设计任务要求设计主电路 控制电路 驱动及保护电路 设计出桥式全控整流电路的结构框图如图 1 所示 图 4 1 三相桥式全控整流电路结构框图 五 各功能模块电路设计五 各功能模块电路设计 5 1 控制电路设计 相控电路指晶闸管可控整流 电路 通过控制触发角 a 的大小 即控制触发脉冲起始相位来控制 输出电压大小 为保证相控电路的正常工作 很重要的一点是应保证按触发角 a 的大小在正确的时刻向电路中 的晶闸管施加有效的触发脉冲 对于相控电路这样使用晶闸管的 场合 也习惯称为触发控制 相 应的电路习惯称为触发电路 大 中功率的变流器对触发 电路的精度要求较高 对输出的 触发功率要求较大 故广泛应用的是晶体管触发电路 其中以同步信号为锯齿波的触发电 路应用最多 1 同步信号为锯齿波的触发电路 图 4 2 同步信号为锯齿 波的触发电路 9 如图 5 1 为同步信号为锯齿波的触发电路 其输出可为双窄脉冲 适用于有两个晶闸 管同时导通的电路 也可为单窄脉冲 电路结包括三个基本环节 脉冲的形成与放大 锯齿波的形成和脉冲移相 同步环节 此外 还有强触发和双窄脉冲形成环节 a 脉冲形成环节 V4 V5 脉冲形成 V7 V8 脉冲放大 控制电压 uco加在 V4基极上 uco 0 时 V4截止 V5饱和导通 V7 V8处于截止状态 无 脉冲输出 电容 C3充电 充满后电容两端电压接近 2E1 30V 时 V4导通 A 点电位由 E1 15V 下降到 1 0V 左右 V5基极电位下降约 2E1 30V V5立即截止 V5集电极电 压由 E1 15V 上升为 2 1V V7 V8导通 输出触发脉冲 电容 C3放电和反向充电 使 V5基极电位上升 直到 ub5 E1 15V V5又重新导通 使 V7 V8截止 输出脉冲终止 脉冲前沿由 V4 导通时刻确定 脉冲宽度与反向充电回路时间常数 R11C3有关 电路的触 发脉冲由脉冲变压器 TP 二次侧输出 其一次绕组接在 V8集电极电路中 b 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多 如采用自举式电路 恒流源电路等 锯齿波电路由 V1 V2 V3和 C2等元件组成 V1 VS RP2和 R3为一恒流源电路 锯齿波是由开关 V2 管来控制的 V2截止时 恒流源电流 I1c对电容 C2充电 调节 RP2 即改变 C2的恒定充电电流 I1c 可见 RP2是用来调节锯齿波斜率的 V2导 通时 因 R4很小故 C2迅速放电 ub3电位迅速 降到零伏附近 V2周期性地通断 ub3便形成一 锯齿波 同样 ue3也是一个锯齿波 射极跟随器 V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压 ub3 的影响 V4基极电位由锯齿波电压 控制电压 uco 直流偏移电压 up三者作用的叠加所定 如 果 uco 0 up为负值时 b4点的波形由 uh up确 定 当 uco为正值时 b4点的波形由 uh up uco 确定 M 点是 V4由截止到导通的转折点 也就是 脉冲的前沿 加 up的目的是为了确定控制电压 uco 0 时脉冲的初始相位 在三相全控桥电路中 接感性负载电流连续 时 脉冲初始相位应定在 a 90 如果是可逆系 统 需要在整流和逆变状态下工作 要求脉冲的 移相范围理论上为 180 由于考虑 amin和 min 图 5 1 同步信号为锯齿波的触 发电路的工作波形 10 实际一般为 120 由于锯齿波波形两端的非线性 因而要求锯齿波的宽度大于 180 例如 240 此时 令 uco 0 调节 up的大小使产生脉冲的 M 点移至锯齿波 240 的中央 120 处 相应于 a 90 的位置 如 uco为正值 M 点就向前移 控制角 a90 晶闸管电路处于逆变状态 c 同步环节 同步指要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 V2开关的频率就是锯齿波的频率 由同步变压器所接的交流电压决定 V2由导通变 截止期间产生锯齿波 锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点 V2截止状态持 续的时间就是锯齿波的宽度 其大小取决于充电时间常数 R1C1 d 双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路由 V5 V6构成 或 门 当 V5 V6都导通时 V7 V8都截止 没有脉 冲输出 只要 V5 V6有一个截止 都会使 V7 V8导通 有脉冲输出 第一个脉冲由本相 触发单元的 uco对应的控制角 a 产生 隔 60 的第二个脉冲是由滞后 60 相位的后一相触发 单元产生 通过 V6 2 集成触发器 集成触发器具有可靠性高 技术性能好 体积小 功耗低 调试方便等特点 晶闸管 触发电路的集成化已逐渐普及 已逐步取代分立式电路 目前国内常用的有 KJ 系列和 KC 系列 下面以 KJ 系列为例 KJ004 集成触发器与分立元件的锯齿波移相触发电路相似 分为同步 锯齿波形成 移相 脉冲形成 脉冲分选及脉冲放大几个环节 如图 2 45 为 KJ004 电路原理 图 5 2 KJ004 电路原理图 11 图 5 2 为三相全控桥整流电路的集成触发电路 由 3 个 KJ004 集成块和 1 个 KJ041 集 成块构成 可形成六路双脉冲 再由六个晶体管进行脉冲放大即可 KJ041 内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门 也有厂家生产了将图 5 2 全部电路集成的集成块 但目前应用 还不多 如果触发电路为模拟的称为模拟触发电路 其优点是结构简单 可靠 但易受电 网电压影响 触发脉冲不对称度较高 可达 3 4 精度低 如果触发电路为数字称为数 字触发电路 其脉冲对称度很好 如基于 8 位单片机的数字触发器精度可达 0 7 1 5 3 触发电路的定相 触发电路的定相是 指触发电路应保证每个晶 闸管触发脉冲与施加于晶 闸管的交流电压保持固定 正确的相位关系 将同步 变压器原边接入为主电路 供电的电网 保证频率一 致 触发电路定相的关 键是确定同步信号与晶闸 管阳极电压的关系 三相桥整流器 在采用锯齿波同步触发电路时 同步信号负半周的起点对应于锯齿波 的起点 通常使锯齿波的上升段为 240 上升段起始的 30 和终了的 30 线性度不好 舍 去不用 使用中间的 180 锯齿波的中点与同步信号的 300 位置对应 使 Ud 0 的触发角 a 为 90 当 a90 时为逆变工作 将 a 90 确定为锯齿波的中点 锯齿波向前向后各有 90 的移相范围 于是 a 90 与同 步电压的 300 对应 也就是 a 0 与同步电压的 210 对应 由图 2 47 及 2 2 节关于三相桥 的介绍可知 a 0 对应于 ua的 30 的位置 则同步信号的 180 与 ua的 0 对应 说明 VT1 的同步电压应滞后于 ua 180 5 2 保护电路的设计 5 2 1 主电路的过电压保护 抑制过电压的方法 用非线性元件限制过电压的副度 用电阻消耗生产过电压的 能量 用储能元件吸收生产过电压的能量 对于非线性元件 不是额定电压小 使用麻烦 就是不宜用于抑制频繁出现过电 压的场合 所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护 使用 RC 吸收电 路 这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起 图 5 3 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图 12 来 由于电容两端电压不能突变 所以能有效抑制过电压 串联电阻消耗部分产生过 电压的能量 并抑制 LC 回路的震动 电路图如图 5 4 图 5 4 5 2 2 晶闸管的过电压保护 晶闸管的过电压能力较差 当它承受超过反向击穿电压时 会被反向击穿而损坏 如果正向电压超过管子的正向转折电压 会造成晶闸管硬开通 不仅使电路工作失常 且多次硬开关也会损坏管子 因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压 常采用简单有 效的过电压保护措施 对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护 我们使用阻容保护 电路 图如图 5 5 图 5 5 晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有 快速熔断器保护 过电流继电器保护 直流快速开关过电 流保护 快速熔断器保护是最有效的保护措施 过电流继电器保护中过电流继电器开关时 间长 只有在短路电流不大时才有用 直流快速开关过电流保护功能很好 但造价高 体积大 不宜采用 因此 最佳方案是用快速熔断器保护 如图 5 6 13 图 5 6 5 3 主电路的设计 因为是三相桥式全控整流电路 所有的计算公式都按三相桥式全控整流电路的进行 计算 从而得到电路的各个参数 1 电压计算 由于是三相桥式全控整流电路 所以晶闸管承受的最大平均电流是变压 器二次侧电压倍 因为电动机的额定电压是 220V 根据 2 34cos 所以6 d U 2 U 2 34 cos 94 0V 2 U d U 所以 269 44V 6 2 U 2 电流计算 因为流过电动机的额定电流就是平均电流 二次回路中负载的最大平均 电流为 2 2 80 180 A 所以流过晶闸管的最大平均电流为 maxd I N I 最大有效值 所以流过晶闸管的额定电 maxmax 1 60 3 dTd IIA maxmax 1 103 93 3 Td IIA 流 max 2132 30 1 57 T T AV I IA 所以晶闸管最大反压为 269 44 V 最大额定电流为 132 30 A 考虑电压要用 2 倍 的余量 因此晶闸管的选型为额定电压 500V 额定电流 140A T AV I 2 计算电源变压器的二次侧流过的最大有效电压 计算变压器的变比 计算变压器的 额定容量 1 根据 2 34cos 所以 2 34 cos 94 0V 考虑到余量的问题 变压器二 d U 2 U 2 U d U 次侧的额定电压选为 110V 2 二次侧最大有效电流的计算 根据 2 2 0 81673 44 3 dd IIIA 3 容量的计算 根据算的其容量 考虑到变压 22 33 110 73 4448470 4 SU IVA 器的实际情况所以选择容量为 50KVA 的变压器 4 变比的计算 根据 可以得到变比为 n 4 1 1 2 3803 45 1101 U n U 3 根据电路参数计算平波电抗器的电感值 从而保证电流的连续 14 为了保证电流的连续 平稳负载电流的脉动 一般在电路中要增加平波电抗器 保证整 流电流在较大范围内连续 平波电抗器要选择合适的电感值从而保证电流的连续 至于三 相全控桥式整流电动机负载的系统 在电流断续去的最高理想转速为 当负载 2 2 L e U C 电流为最小临界值时 为保证电流的连续 电枢回路中应有的电感量 L mH 的表达式 为 最小电流一般取得电动机额定值的 这里取得为 即 2 min 0 693 d U L I 00 510 00 0 5 0 代入公式中可以的到 L 17 mH min 0 54 5 0 dN IIA 4 根据设计条件 计算最小逆变角 从而估算出最小控制角 取得控制角的移相范围 为了防止逆变失败 不仅逆变角不能等于零 而且不能太小 必须限制在某一允许 的最小角度内 逆变时允许采用的最小角应等于式中 为晶闸管的关 min 断时间折合的电角度 为安全欲量角 p t 晶闸管的关断时间 大的可达 200 300m 折算到电角度约 至于重叠角 p t 45 它随直流平均电流和换相电抗的增加而增大 重叠角与和有关 当电路参数确定后 重叠角就有定值 逆变时要求 故存 d I B X min 在如下关系 因为是三相桥式全控整流电路 所以每个周期内 max min 2 cos1 2sin db IX U m 有 6 个波头 m 6 将 的值代入到公式中可得 从而得到 maxd I B X 2 U min cos0 855 min 32 21 还需指出的是 在应用晶闸管交流器的可逆直流拖动系统中 由于限制逆变角不得小 于 为此整流控制角也必须不得小于 所以 从而保证电路从整流到逆变 min min min min 时 保证调节总能使交流器输出的最大逆变电压和电枢电动势的最大值相平衡 满足 的条件 避免产生过电压 Md EU 5 控制角的移相范围 因为是在晶闸管是在整流状态 所以控制角的移相范围 保证在一定范围090 能恒导通 6 主电路图 15 六 六 总体电路总体电路 触发电路 主 电 路 主电路的过电 压保护 晶闸管的 过电流 保护 晶闸管的过电压 保护 七 总结七 总结 通过这次课程设计使我掌握了做科学研究的基本方法和思路 为今后的工作打下了 基础 现将感受总结如下 首先 我学会了对相关科技文献的检索 一切科学研究都是建立在前人研究的基 础之上的 因此 对于相关文献资料的检索显得尤为重要 在现代社会中 随着计算机的 1