三相橋式全控整流電路電力電子課程設(shè)計(jì)

1、 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：三相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)學(xué) 院：電氣與控制工程學(xué)院學(xué)生 姓名：劉嘉翔專 業(yè)：自動(dòng)化班 級：自動(dòng)化13-3學(xué) 號：指導(dǎo) 教師：張繼華完成 時(shí)間：2015.12.28 目 錄第1章 概述2第2章 主電路設(shè)計(jì)與分析32.1整流電路32.2 三相橋式全控整流電路定量分析42.3 參數(shù)設(shè)置52.4 保護(hù)電路6 2.4.1 晶閘管的保護(hù)電路.7 2.4.2 交流測保護(hù)電路.8 2.4.3直流側(cè)阻容保護(hù)電路.9第3章 控制電路設(shè)計(jì)與分析113.1 觸發(fā)電路11 3.2 KJ004 的工作原理.12 3.3 集成觸發(fā)器原理圖.15第4章 仿真實(shí)驗(yàn)164.1 仿真

2、電路圖164.2 仿真參數(shù)及結(jié)果17總結(jié)與心得19附錄20參考文獻(xiàn)21 第1章 概述整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流

3、電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。把交流電變換成大小可調(diào)的單一方向直流電的過程稱為可控整流。整流器的輸入端一般接在交流電網(wǎng)上。為了適應(yīng)負(fù)載對電源電壓大小的要求，或者為了提高可控整流裝置的功率因數(shù)，一般可在輸入端加接整流變壓器，把一次電壓U1，變成二次電壓U2。由晶閘管等組成的全控整流主電路，其輸出端的負(fù)載，我們研究是電阻性負(fù)載、電阻電感負(fù)載。以上負(fù)載往往要求整流能輸出在一定范圍內(nèi)變化的直流電壓。為此，只要改變觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)脈沖送出的早晚，就能改變晶閘管在交流電壓U2一周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間，這樣負(fù)載上直流平均值就可以得到控制。 第二

4、章 主電路設(shè)計(jì)與分析2.1整流電路三相橋式全控整流電路圖如下：圖2.1三相橋式全控整流電路圖(1)三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)：一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共陽極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為共陽極。2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。對觸發(fā)脈沖的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。2)共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。UD

5、一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)。晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。(2)帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況：1)當(dāng)a60時(shí)，UD波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與UD波形狀一樣，也連續(xù)。 2)當(dāng)a60時(shí)，UD波形每60中有一段為零，UD波形不能出現(xiàn)負(fù)值3)帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120(3)晶閘管及輸出整流電壓的情況如表1所示 ：表1 晶閘管及輸出整流電壓時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰級組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3

6、VT3VT5VT5共陰級組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb2.2 三相橋式全控整流電路定量分析(1)當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a60時(shí)）的平均值為： (2)帶電阻負(fù)載且a 60時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=UD/R (3)晶閘管承受最大正向電壓為，為變壓器二次線電壓峰值，即 URM=110=269.4V輸出平均電壓202.6，負(fù)載R為5歐姆，則輸出電流Id及觸發(fā)角a，即Id=UDR=40.52 A 電阻負(fù)載，電感觸發(fā)

7、角,則輸出平均電壓，即=128.7V2.3 參數(shù)設(shè)置晶閘管參數(shù)橋臂數(shù)量：3緩沖電阻：1000歐姆緩沖電容：1e-6F晶閘管的內(nèi)電阻:0.1歐姆晶閘管的內(nèi)電感：1e-5H晶閘管正向管壓降：1V負(fù)載參數(shù)電阻負(fù)載 電感L=0電阻負(fù)載，電感2.4 保護(hù)電路 電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓，外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因。分別介紹如下：操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器

8、件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。 為了保護(hù)設(shè)備安全，必須設(shè)置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過電流與過電流保護(hù)，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。本例中設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護(hù)方案，分別對晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計(jì)。2.4.1 晶閘管的保護(hù)電路晶閘管的過電流保護(hù)：過電流可分為過載和

9、短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對于晶閘管初開通時(shí)引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù)。如圖所示串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路晶閘管的過電壓保護(hù)：晶閘管的過電壓保護(hù)主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如圖所示：并聯(lián)RC電路阻容吸收回路2.4.2 交流側(cè)保護(hù)電路 晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中會受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的

10、侵襲，同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過電壓保護(hù)，可采用如圖4-3所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護(hù)電路。整流電路正常工作時(shí)，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng) 、 放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。反向阻斷式過電壓抑制RC電路2.4.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖4-4中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲能

11、也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過電壓，仍會通過導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過電壓保護(hù)，用于抑制過電壓。直流側(cè)阻容保護(hù) 第3章 控制電路設(shè)計(jì)與分析3.1 觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證精華雜關(guān)可靠導(dǎo)通（門極電流應(yīng)大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控

12、制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性：1） 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。2） 晶

13、閘管承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。3） 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。此處就是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓

14、要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。KJ004組成分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。KJ004觸發(fā)電路為模擬的觸發(fā)電路,其組成如下圖：圖3.1 KJ004觸發(fā)電路原理圖3.2KJ004的工作原理如圖3-1 KJ004的電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓US經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在US的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在US負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負(fù)半周期間。

15、V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|US|0.7V時(shí)，V1V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導(dǎo)通。 電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15VR6C1R22RP1(15V)對C1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。 V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓UB、移相控制電12 壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V

16、6基極上疊加。當(dāng)ube6+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、UB為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。 V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過 V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15VR25V6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)R25和C2決定。 V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位差為180的脈沖。

17、脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說明： 1) KJ004中穩(wěn)壓管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6VD8為隔離二極管。 2) 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1VD12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管V1V6進(jìn)行脈沖功率放大。 3) 由于 V8、V

18、12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個(gè)與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓USA、USB、USC分別與同步變壓器的USA、USB、USC相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4RP6為同步相位3.3 集成觸發(fā)器電路圖 三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，V

19、T5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖3-2所示圖3-2集成觸發(fā)電路圖第4章 仿真實(shí)驗(yàn)4.1 仿真模型圖圖4.1 仿真模型圖4.2 仿真參數(shù)及結(jié)果(1)整流變壓器輸出為110V相電壓，電阻負(fù)載，整流器輸出電壓平均為202.6V。輸出電壓波形、輸出電流波形，整流器交流側(cè)電流波形，觸發(fā)脈沖波形，整流交流測電壓波形，輸出平均電壓的測量。圖4.2 阻性負(fù)載 (2)三相橋式全控整流電路，電源相電壓為220V，整流變壓器輸出為110V相電壓，電阻負(fù)載，電感，觸發(fā)角。則輸出電壓波形、輸出電流波形，整流器交流側(cè)電流波形，觸發(fā)脈沖波形，整流交流測電壓波形，輸出平均電壓的測量如下圖：圖4.3 阻感性

20、負(fù)載 總結(jié)與心得在大學(xué)有這種機(jī)會很好，課程設(shè)計(jì)給我一個(gè)自學(xué)的好機(jī)會。這是繼數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)和單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)之后的第三個(gè)學(xué)科課程設(shè)計(jì)，這次我的課程設(shè)計(jì)題目是三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)。通過對三相橋式全控整流電路的研究，更了解了整流電路的線路、原理，我知道了許多觸發(fā)電路，加深了對觸發(fā)電路的功能了解。還有保護(hù)電路，認(rèn)識了保護(hù)電路的重要，并對其深入了研究。在這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我們通過對知識的綜合利用，進(jìn)行必要的分析，比較，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識，檢驗(yàn)了我們平時(shí)的學(xué)習(xí)效果。雖然此次課程設(shè)計(jì)與實(shí)際操作分析還有很大的差距，但是它提高了我們綜合解決問題的能力，為我們以后的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。通過電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論