三相桥式全控整流电路的设计.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流三相桥式全控整流电路的设计【精品文档】第 15 页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

2、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

3、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：0.5Mh2.1.3 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、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： a30时：整流电压波形与电阻负载时相同； 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

4、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。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a30后，ud中负的部分减少， （3-1）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（3-2）晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值（3-3）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

5、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a60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

6、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a60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

7、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

8、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。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

9、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

10、动机的理想空载转速抬高 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

11、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图4.2 同步信号

12、为锯齿波的触发电路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

13、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

14、(-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

15、近。V2周期性地通断，ub3便形成一锯图5.1 同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形齿波，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，

16、要求脉冲的移相范围理论上为180（由于考虑amin和min，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

17、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、

18、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34，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0.71.5。图5.3 三相全控桥中同步电

19、压与主电路电压关系示意图（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=

20、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来。由于

21、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5.45.2.2 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

22、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图5.65.3 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=/2.34 cos=94.0V.所以=269.44V。（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

23、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最大有效值，所以流过晶闸管的额定电流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。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（3）容量的计算：根据算的其容量，考虑到变压器的实际情况所以选择容量为50KVA的变压器

24、。（4）变比的计算：根据，可以得到变比为n=4:1.3. 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。 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，代入公式中可以的到L=17（mH）。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

25、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，为晶闸管的关断时间折合的电角度；为安全欲量角。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，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，所以每个周期内有6个波头，m=6，将，的值代入到公式中可得，从而得到。 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时，保证调节总能使

26、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。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（），保证在一定范围能恒导通。6. 主电路图六、总体电路七、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，随着计算机的普及以及网络技术的发展，对于文献的检索已经从图书馆的纸质资料转移到网络平台下的电子文档。通过课程设计，我详细的学习并掌握了中国知网、万方数据

27、库等数据库的检索与使用。 其次，对于外文资料的翻译与理解。由于我国科技水平的限制以及英语在世界范围内的普及，前沿的科技文献都是用英语给出的，给我们非英语国家造成了一定的不便。这就要求我们在科研工作中必须能够快速准确的阅读理解并翻译英文文献资料。在这次毕业设计中，我所接触的文献资料主要是由英文给出的，这在很大程度上锻炼了我对外文资料的阅读理解水平，从一定程度上提高了我对外文资料的翻译能力。 最后，通过这次课程设计还使我了解了科技论文的写作规范，熟悉了系列软件在文字处理与排版等方面的使用。 总之，这次课程设计不是简简单单的完成了一个课题，而是使我初步的掌握了科学研究的步骤与方法，巩固了我的专业知识

28、，练习了我的实际操作能力，锻炼了我分析解决问题的能力，为今后的科研工作打下了坚实的基础。通过本次设计让我对三相晶闸管有了更深刻的了解并且知道要想成为一名出色的工程设计师是很不容易的，需要充分的知识基础和一定的耐力。在此基础上，我也学到了很多，开阔了眼界。在设计中，我也感到平时积累不够，书到用时方恨少。在以后的学习工作中我要更加的努力学习自己的专业课，丰富自己的业余生活。同时，我觉得，一次课程设计是我如此疲惫，所以应该珍惜别人劳动成果。还要感谢教我的老师，没有他们，我这次课程设计无法完成。总之以后要好好学习，更加努力的汲取知识。参考文献：1.王兆安，黄俊主编电力电子技木第四版北京：机械工业出版社，2008年1月2.郑忠杰，吴作海编.电力电子变流技术.第二版.北京：机械工业出版社，1988年7月3.刘志刚主编.电力电子学.第一版.北京：清华大学出版社，2004年6月4.李玉超，高沁翔.三相桥式全控整流实验装置的设计与研制。现代电子技术2006（19）；5.黄发忠，于孝廷.三相桥式全控整流电路的谐波分析.山东科学2005,18（02）：6. CIGRE_PAVCCigre Working Group 34.08, Protection Against Voltage Collapse, CIGRE, 1998.