三相橋式全控整流電路的設(shè)計

1、 三相橋式全控整流電路的設(shè)計序言： 在電力電子技術(shù)的整流電路中,三相橋式全控整流電路是最為重要的一種,牢固掌握該電路的組成、工作原理以及該電路交直流兩側(cè)電量的數(shù)量關(guān)系,是學(xué)好后續(xù)課程自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),對于設(shè)計性能良好的電力拖動系統(tǒng)至關(guān)重要。1主電路設(shè)計及原理 1.1 主電路設(shè)計其原理圖如圖1所示。圖1 三相橋式全控整理電路原理圖習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（vt1、vt3、 vt5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（vt4、vt6、vt2）稱為共陽極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分

2、別為vt1、vt3、vt5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為vt4、vt6、vt2。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?vt1vt2vt3vt4vt5vt6。1.2 主電路原理說明整流電路的負(fù)載為帶反電動勢的阻感負(fù)載。假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個導(dǎo)通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。導(dǎo)通原理此時電路工作波形如

3、圖2所示。圖2 反電動勢=0o時波形=0o時，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時也是線電壓的交點(diǎn)。在分析ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的最大（正得

4、最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的是最?。ㄘ?fù)得最多）的相電壓，輸出整流電壓 ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。由于負(fù)載端接得有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感對電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時，在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢li，它的極性是阻止電流變化的。當(dāng)電流增加時，它的極性阻止電流增加，當(dāng)電流減小時，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無窮大時趨于一條平直的直線。說明為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為60o，如圖2所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出

5、整流電壓的情況如表所示。由該表可見，6個晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)関t1vt2vt3vt4vt5vt6。表1 三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載=0o時晶閘管工作情況時 段共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管vt1vt1vt3vt3vt5vt5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管vt6vt2vt2vt4vt4vt6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb圖3給出了=30o時的波形。從t1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通

6、時刻推遲了30o,組成ud的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示波形分析。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流ia的波形，該波形的特點(diǎn)是，在vt1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在vt4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。 圖3 =30o時的波形由以上分析可見，當(dāng)60o時，ud波形均連續(xù)，對于帶大電感的反電動勢，id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當(dāng)60o時，如90o時電阻負(fù)載情況下的工作波形如圖4所示，ud平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了vt的關(guān)斷時刻，

7、使得ud的值出現(xiàn)負(fù)值，當(dāng)電感足夠大時，ud中正負(fù)面積基本相等，ud平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的角的移相范圍為90度。圖4 90o時的波形根據(jù)晶閘管的這種特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時刻，就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o 30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。2保護(hù)電路的設(shè)計較之電工產(chǎn)品，電力電子器件承受

8、過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時間的過電壓和過電流就會導(dǎo)致器件永久性的損壞。因此電力電子電路中過電壓和過電流的保護(hù)裝置是必不可少的，有時還要采取多重的保護(hù)措施。2.1 過電壓保護(hù)電源側(cè)過電壓電力電子設(shè)備一般都經(jīng)變壓器與交流電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地中間都存在著分布電容，如圖5所示。圖5 交流則過電壓變壓器一般為降壓型，即電源電壓u高于變壓器次級電壓。電源開關(guān)斷開時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當(dāng)電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超出正常值，它所連接的電力電子設(shè)備將受到過電壓的沖擊。在進(jìn)行電源拉閘斷電是

9、也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關(guān)斷開使激磁電流從一定得數(shù)值迅速下降到0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，因?yàn)殡妷簽閘di/dt，在電感一定得情況下，電流的變換越大，產(chǎn)生的過電壓也越大。這個電壓的大小與拉閘瞬間電流的參數(shù)值有關(guān)，在正弦電流的最大值時斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過電壓也就越大?？梢?，合閘時出現(xiàn)的過電壓和拉閘時出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生的機(jī)理是完全不同的。在電力電子設(shè)備的負(fù)載電路一般都為電感性，如果在電流較大時突然切除負(fù)載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產(chǎn)生過電壓。另外電力電子器件的換相也會使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓都發(fā)生在電路正常工作地

10、狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。雷擊和其他電磁感應(yīng)也會在電力電子設(shè)備中感應(yīng)出過電壓，這類過電壓發(fā)生地時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預(yù)測的。對于上面的這些過電壓，我們可以采用下面的措施進(jìn)行保護(hù)：（1）阻容保護(hù)待添加的隱藏文字內(nèi)容1 過電壓幅度一般都很大，但是其作用時間一般卻都是很短暫的，即點(diǎn)電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點(diǎn)，將電容器并聯(lián)在保護(hù)對象的兩端，可以達(dá)到過電壓保護(hù)的目的，這種保護(hù)方式叫做阻容保護(hù)。起保護(hù)作用的電容一般都與電阻串聯(lián)，這樣可以在過電壓給電容充電的過程中，讓電阻消耗過電壓的能量，還可以限制形成的寄生的震蕩。圖6為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖。圖（a）為單相阻

11、容保護(hù)電路，圖（b）和圖（c）為三相阻容保護(hù)電路，rc網(wǎng)絡(luò)連接成星型，如圖（b），也可以連接成三角型，如圖(c)。電容越大對過電壓的吸收作用越明顯。圖6 阻容保護(hù)在圖6中，圖（a）為單相阻容保護(hù)，阻容網(wǎng)絡(luò)直接接在電源端，吸收電源過電壓。圖（b）為接線形式為星型的三相阻容保護(hù)電路，平時電容承受電源相電壓。圖（c）為接線三角型的三相阻容保護(hù)電路，平時電容承受電源相電壓。顯然，三角型接線方式電容的耐壓要為星型接線的倍。但是無論哪種接線，對于同一電路，過電壓的能量是一樣的，電容的儲能也應(yīng)該相同，所以星型接線的電容容量應(yīng)為三角型倍。也就是說兩種接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。（2）整流式阻容保護(hù)阻

12、容保護(hù)電路的rc直接接于線路之間，平時支路中就有電流流動，電流流過電阻必然要造成能量的損耗并使電阻發(fā)熱。為克服這些缺點(diǎn)可采用整流式阻容rc保護(hù)電路，阻容式rc保護(hù)電路如圖7所示。圖7 整流式保護(hù)電路三相交流點(diǎn)經(jīng)過二極管整流橋變?yōu)槊}動直流電，經(jīng)過r1給c充電，電路正常工作無過電壓時電容兩端保持交流電的峰值電壓，而后整流橋給電容回路提供微弱的電流，以補(bǔ)充電容放電所損失的電荷。由于與c并聯(lián)的r2阻值很大，電容的放電非常慢，因此整流橋輸出的電流也非常小。一旦出現(xiàn)過電壓，過電壓的能量被電容吸收，電容的容量足夠大，可以保證此時電容電壓的數(shù)值在允許范圍之內(nèi)，從而也使電流電壓不超過額定值。過電壓消失后，電容經(jīng)

13、r2放電使兩端電壓恢復(fù)到交流電正常的峰值。由此可以看出，r2越大整個電路的功耗越小，但過電壓過后電容電壓恢復(fù)到正常的時間也越長，因此大小收到兩次過電壓時間最小間隔的限制。3.2 過電流保護(hù) 電力電子電路中的電流瞬時值超過設(shè)計的最大允許值，即為過電流。過電流有過載荷短路兩種情況。常用的過電路保護(hù)措施如圖8所示。一臺電力電子設(shè)備可選用其中的幾種保護(hù)措施。針對某種電力器件，可能有些保護(hù)措施是有效的而另外一些是無效的或不合適的，在選用時應(yīng)特別注意。圖8 過流保護(hù)電路圖交流斷路器保護(hù)是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，當(dāng)交流電流超過整定值時，過流繼電器動作使得與交流電源連接的

14、交流斷路器斷開，切除故障電流。應(yīng)當(dāng)注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時值，否則如果電流達(dá)到了器件的最大電流過流繼電器才動作，由于器件耐受過電流的時間極短，在繼電器和斷路器動作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。 來自電流互感器的信號還可作用于驅(qū)動電路，當(dāng)電流超過整定值時，將所有驅(qū)動信號的輸出封鎖，全控型器件會由于得不到驅(qū)動信號而立即阻斷，過電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導(dǎo)通的晶閘管不再導(dǎo)通，而已導(dǎo)通的晶閘管由于電感的儲能器件不會立即關(guān)斷，但經(jīng)一定的時間后，電流衰減到 0，器件關(guān)斷。這種保護(hù)方式由電子電路來實(shí)現(xiàn)，又叫做電子保護(hù)。與斷路器保護(hù)類似，電子

15、保護(hù)的電流整定值也一般應(yīng)該小于器件所能承受的電流最大值。 快速熔斷器保護(hù)一般作為最后一級保護(hù)措施，與其它保護(hù)措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)（三相電源的每一相串接一個快速熔斷器） ，也可以接在負(fù)載側(cè)，還可電路中每一個電力電子器件都與一個快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護(hù)效果也有差異。熔斷器保護(hù)有可以對過載和短路過電流進(jìn)行“全保護(hù)”和僅對短路電流起作用的短路保護(hù)兩種類型。 撬杠保護(hù)多應(yīng)用于大型的電力電子設(shè)備，電路中電流檢測、電子保護(hù)都是必需的，同時還要在交流電源側(cè)加一個大容量的晶閘管。其保護(hù)原理如下：當(dāng)檢測到的電流信號超過整定值時，觸發(fā)保護(hù)用的晶閘管，用以旁路短路電流，

16、晶閘管支路中可接一個小電感用以限制 di/dt；驅(qū)動電路開通主電路中的所有電力電子器件，以分散短路能量，讓所有器件分擔(dān)短路電流；使交流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經(jīng)一段時間的衰減短路能量消失，起到保護(hù)作用。3 各參數(shù)的計算與波形分析3.1 輸出值的計算 三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓的波形在一個周期內(nèi)脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/6周期）進(jìn)行計算即可。此外，因?yàn)樗噪妷狠敵霾ㄐ问沁B續(xù)的，以線電壓的過零點(diǎn)為時間坐標(biāo)的零點(diǎn)，可得整流輸出電壓連續(xù)時的平均值。3.2 輸出波形的分析 時的輸出波形如圖9所示。圖9 整流電路的輸出波形 如圖9所示，從

17、t1時刻開始把一個周期等分為6份，在wt1時刻共陰極組vt1晶閘管接受到觸發(fā)信號導(dǎo)通，此時陰極輸出電壓ud1為幅值最大的a相相電壓；到wt2時刻下一個觸發(fā)脈沖到來，此時a相輸出電壓降低，b相輸出電壓升高，于是陰極輸出電壓變?yōu)閎相相電壓；到wt3時刻第三個脈沖到來，晶閘管vt1關(guān)斷而晶閘管vt2導(dǎo)通，輸出電壓為此時最高的c相相電壓；觸發(fā)-導(dǎo)通與關(guān)斷重復(fù)以上步驟，即共陰極組輸出電壓ud1為在正半周的包絡(luò)線。共陽極組中輸出波形原理與共陰極組一樣，只是每個觸發(fā)脈沖比陰極組中脈沖相差180度。6個時段的導(dǎo)通次序如表1所示一樣，只是wt1從零時刻往后推遲30度而已。這樣就得出最后輸出整流電壓為共陰極組輸出

18、電壓與共陽極組輸出電壓的差即ud=ud1-ud2 而由于電路中大電感l(wèi)的作用，輸出的電流為近似平滑的一條直線。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流ia的波形，該波形的特點(diǎn)是，在vt1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在vt4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負(fù)值。4 應(yīng)用舉例 可以設(shè)計成能進(jìn)行電動狀態(tài)-發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電動機(jī)應(yīng)用在汽車的發(fā)點(diǎn)裝置里面，其設(shè)計圖如圖10所示。圖10 汽車發(fā)電裝置圖 如圖10所示，當(dāng)汽車在平路或上坡路段行駛時，調(diào)節(jié)整流電路的觸發(fā)角使90，使輸出直流電壓ud平均值為負(fù)值，且|em|ud|，這時候整流電路工作在逆變狀態(tài)，位能裝換為電能，m向三相交流電存儲裝置輸送電流，三相交流電存儲裝置接受并存儲電能。這樣就能使汽車的電源維持較長的供電時間，而且能夠節(jié)約電能。5 心得體會 在電路的