三相桥式全控整流电路设计(DOC)

1、辽宁工程技术大学课程设计1主电路的设计与原理说明1.1 主电路图图1T中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）为共阴极组；阳极连 接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）为共阳极组。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VTK 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、VT2O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- VT6O此主电路要求带反电动势负载，此反电动势E=60V,电阻R=10Q,电 感L无穷大使

2、负载电流连续。其原理如图1所示。图1-1三相桥式全控整理电路原理图1.2 主电路原理为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况就也就相当于晶闸管触 发角。二0时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一 个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，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。a=0。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。在分析比 的波形时

3、，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 皿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UdUdlUd2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。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的相电压，而共阳极 组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，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 载端所接的电感值无限大，会对变化

4、的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几乎为一条直 线。其电路工作波形如图1-2所示。图1-2带阻感负a =0。时的波形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60,如 图1-2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-VT6O压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1T的规律。区别在于，晶闸管起始导通 时刻 推迟了 30,组成Ud的每一段线电压因此推迟30, Ud平均值降低。图1-3中给出了 变压器二次侧a相电流L的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120。期间，ia 为正

5、，由于大电感的作用，id波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120。期 间，L波形的形状也近似为一条直线，但为负值。当60时，电路工作情况仍可对照表1分析。Ud波形中每段线电压的波形继续向 后移，Ud平均值继续降低，60时Ud出现了为零的点。由以上分析可见，当60时， Ud波形连续。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60时，如90时电阻负载情况下的工作波形如图1-4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

6、 全控整 流电路的角的移相范围为90 o92触发电路的设计2.1触发电路的脉冲类型对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常 工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽 度大于60 （一般取80100）,称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的 同时，给前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 60 ,脉宽一般为2030 ,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。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心 体积做得 较大，绕组匝数较多，导致漏感

7、增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲 触发。2. 2常用的集成触发电路常用的三相全控桥整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个KJ041集成 块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。RJV5DV V5VRPi9 111213 14+15Va24_+15V02628Ub U图2-1 KJ004电路原理图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。电原理见图5：锯齿波的斜率决定于外接电 阻R6、RW, 1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RI、R2的比例，调节

8、相应的偏移电压VPO同时调整锯齿波斜率电位 器RW, 1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，可获得不 同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。双脉冲信号的形成与控制用KT041六路双脉冲形成器完成，KT041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。集成电路可靠性高，技 术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电路制作技 术的提高，晶闸 管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。-15

9、V乜9coRPK 13RPia165JO4K3usb910121314PPR400 K+15V图2-2三相全控桥整流电路的集成触发电路2. 3触发电路的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不 变的，而 是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路 交流电源的频率一致外，还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。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将一次侧接入为主电 路供 电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉 冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来就是触发

10、电路的定相，即 选择同步电压信号的相 位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面 的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。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。对于晶闸管VT1,其阳极与交流侧电压网相接，可简单表示为VT1所接 主电路电压为+1 , VT1的触发脉冲从0至180的范围为tit2 o采用锯齿波同步 的触发电路时，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 o锯齿波的中点与同步 信号300位置对应。三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且

11、通常要求可实现再生制动，使u d 0的触发角为90。当90时为整流工作，90时为逆变工作。将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90与同步电压的300对应， 也就是0与同步电压的210对应。对于其它五个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压 180 o对于共阳极组的VT4、VT6和VT2,它们的阴极分别与国、Ub和5相连，可 得简单表示它 们的主电路电压分别为Ua、Ub和Uco以为分析了同步电压与主电路电压的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的 接 法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。图2-3给出了变压器接法的一种情况 及相应 的矢量图，

12、其中主电路整流变压器为Dyll联结，同步变压器为Dy5yll联 结。这时，同步电压选取的结果如表2-1所示。,AB图2-3同步变压器和整流变压器的接法及矢量图表2-1三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图2-3变压器接法时）晶闸管VT 1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压Uau cUbu aUcJb同步电压sauscsbu sa-scsb为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波滞后角为60时，同步电压选取结果如表2-2所示。表2-2三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波波滞后60 ）晶闸管VT 1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压U au c

13、ubuauc,Jb同步电压sbusaJscu sasc当变流形式不同，或整流变压器、同步变压器接法不同时，可参照上述例子确定 同步电压信号辽宁工程技术大学课程设计3保护电路的设计3.1过电流保护电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和 短路 两种情况。图3-1给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断 器、直流快速 断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采 用几种过电流保护 措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注 意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区 段的保护，直流民快速断路

14、器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定 在过载时动作。变压器电流互速熔断器变流器直流快速断路器交流断路器卜/_负载电流检测过甩流短路器继电器I动作电油整定值I开关电路触发电路电子保护电路图3-1过电流图保切”措施及配置位置采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流 保护 措施。在选择快熔时应考虑：1）电等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与 电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流 母线中。快熔的12t值应小于被保护器件的允许值。3）为保证熔体在正常过载的

15、情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护是指不论过载还是 短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。 短路保护方 式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式下需与其他 过电流保护措施相 配合。快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工程手册。对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断 器保 护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。3. 2过电压保护电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因过电压。外因过电压主要来自 雷击和系统中的操作过程等，包括：1）操作过电压：由分

16、闸、合闸等开关操作引起；2）雷击过电压：由雷击引起。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开 关过程，包括：1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻 恢复 阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流 急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；2）关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两 端感应出的过电压。电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过 电压的措施，属于缓冲电路范畴。外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为 常见。RC过 电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称

17、网侧，电力电子 电路一侧称阀侧）或电力电子电路的直流侧。大容量电力电子装置可采用反向阻断 式RC电路。1辽宁工程技术大学课程设计4各参数的分析4. 1参数的理论计算在三相桥式全控整流电路中计算其平均值时，只需对一13以线电压的过零点为时间坐个脉波进行计算即可。因为所 有电压输出波形是连续的, 标的零点，可得整流输出电压连续时的平均值为2U d3 6U 2 sin td( t) 2. 34U 2 cos3将30和U2 220V代入式1计算得必 2. 34U 2 cos 2. 34 220 V 445. 8V已知E 60V, R 10 ,Ud 445.8V ,则输出电流平均值为xd Ud E 44

18、5. 8 60 A 38. 5A10计算变压器二次侧电流I a为% Vd = 38. 5A 94. 3A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ia 23 I dsint xsin5 t sin7 t 1 sinll t 1 sinl3 t :ad 5 7 11 132Ii sin t 2L sinn tn 6k 1k 1、 2、 3由式5得电流基波和各次谐波有效值分别为In6 Id, n 6k 1, k 1. 2. 3 n由式4和式6可得基波因数为1 0. 955 8 I由于电流基波与电压的相位差仍为a ,故位移因数为辽宁工程技术大学课程设计1 CO

19、S 1 cos由此算出功率因数为I31 cos 1 cos 0. 955cos I10把 30 代入计算得0. 955cos ，955 30. 82整流电路的输出视在功率为S Ud Id 445. 8 38. 5W 17163. 3W有功功率为P S17163. 3 0. 8W 13730. 6W4. 2参数的波形分析由图4-1所示，首先在t1时刻共阴极组VTi晶闸管接受到触发信号导通，此时 阴极输出电压Udi为幅值最大的a相相电压；到t2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；至lj t3 时刻第三个脉冲到来，晶闸管V。关断而晶闸管

20、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Udi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，只是每个触发脉冲和阴极组中脉冲相 差180。6个时段的导通次序如表所示一样，只是t】从零时刻往后推迟30而 已。这样 就得出最后输出整流电压为共阳极组输出电压与共阴极组输出电压的差心 udl Ud2 o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4-1三相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载30时的波形5结论由前面的理论分析知道，当a 60时，Ud波形连续，电路的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、

21、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，电阻负载时id波形与Ud波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载 电流波 形变得平直，当电感足够大时，负载电流的波形可近似为水平线。当a 60 时，阻感负载时的工作情况与电阻负载不同，电阻负载时的Ud波形不会出现负的部 分，而阻感负载是由于电感L的作用，Ud波形会出现负的部分。心得小结这次电力电子技术课程设计，我们通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较， 从而进一步验证了所学的理论知识，检验了我们平时的学习效果。虽然此次课程设计与 实 际操作分析还有很大的差距，但是它提高了我们综合解决问题的能力，为我们以后 的学习打下了基础。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论