三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì).

1、7 三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)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(jì)性能良好的電力拖動系統(tǒng)至關(guān)重1主電路設(shè)計(jì)及原理1.1主電路設(shè)計(jì)其原理圖如圖1所示。VT1VT3VT5COReQud匚r_匚lxVT4VT6VT2圖1二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(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)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，

2、即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)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)閂T1-VT2-VT3VT4VT5-VT6。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ra時(shí)的情況。此時(shí)，對于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通而對于共陽極組的3個(gè)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(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的

3、電壓為某一線電壓。此時(shí)電路工作波形如圖2所示。d1UaUbUgTOC o 1-5 h z甬心八八/八i)tii?I十1、I/II/II_9IxII|IzII/xI/1:i:ii:in：iv：vV：:I11Uab1Uac1Ubc1Uba1UcaiUcbiUab1Uac1XIXIX.y)jA-A-/-A/N：八譏八/II-/i/iVZ|Xf/iX11X1a1X11f1f1/I/If十V/XI小V!斷時(shí)刻，f就能控制整流斷續(xù)時(shí)?為確保k0=90Ua14UbNUgAm碎耳IN07ML)t1MUMXJ乂10乂11丘電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號緊前

4、的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè)窄脈沖的前沿相差60o,脈寬一般為20o30b,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(jì)較之電工產(chǎn)品，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時(shí)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(shí)還要采取多重的保護(hù)措施2.1過電壓保護(hù)1I.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(shí)，初、

5、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(shí),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)殡妷簽長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(gè)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(shí)斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過電壓也就越大。可見,合閘時(shí)出現(xiàn)的過電壓和拉閘時(shí)出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生的機(jī)理是完全不同的。在

6、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(shí)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(shí)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)IF過電壓幅度一般都很大，但是其作用時(shí)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

7、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。力子備電電設(shè)nrt(b)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(shí)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(shí)電容承受電源相電壓。顯然，三角型接線方式電容的

8、耐壓要為星型接線的V3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3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)阻容保護(hù)電路的RC直接接于線路之間，平時(shí)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。三相交流電匝旺圖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(shí)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

9、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)過電氐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(shí)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)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(gè)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(shí)間也越長，因此大小收到兩次過電壓時(shí)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(shí)值超過設(shè)計(jì)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)

10、措施是有效的而另外一些是無效的或不合適的，在選用時(shí)應(yīng)特別注意。斷路器屯流互感器熔斷器圖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(shí)，過流繼電器動作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，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(shí)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(shí)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(shí)，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，

11、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(shí)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?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo(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)（三相電源的每相串接一個(gè)快速熔斷器），也可以接在負(fù)載側(cè)，還可電路中每一個(gè)電力電子器件都與一個(gè)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

12、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(shí)還要在交流電源側(cè)加一個(gè)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(shí)，觸發(fā)保護(hù)用的晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接一個(gè)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(shí)間的衰減短路能量消失，起到保護(hù)作用。3各參數(shù)的計(jì)算與波形分析If3.1輸出值的計(jì)算三相橋式全控整流電路中,整流輸出電壓u的波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動6次，d且每次脈動的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對一個(gè)

13、脈波（即1/6周期）進(jìn)行計(jì)算即可。此外，因?yàn)?00所以電壓輸出波形是連續(xù)的，以線電壓的過零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，可得整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值。3.2輸出波形的分析300時(shí)的輸出波形如圖9所示。U出JllaUbUgQ1譏3s、r1pALjJLiA/AAAA0I1y邀1:i11%111%h|79/I1IIIII,III:UabUaG.Ubc；UbaUcaiUcbiUab；Uac. 如圖9所示，從成1時(shí)刻開始把一個(gè)周期寺分為6份，在Wtl時(shí)刻共陰極組VT1晶閘管接受到觸發(fā)信號導(dǎo)通，此時(shí)陰極輸出電壓Udi為幅值最大的a相相電壓；到Wt2時(shí)刻下一個(gè)觸發(fā)脈沖到來，此時(shí)a相輸出電壓降低，b相輸出電壓升高，于

14、是陰極輸出電壓變?yōu)閎相相電壓；到Wt3時(shí)刻第三個(gè)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(shí)最高的c相相電壓；重復(fù)以上步驟，即共陰極組輸出電壓Udi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(gè)觸發(fā)脈沖比陰極組中IY脈沖相差180度。6個(gè)時(shí)段的導(dǎo)通次序如表1所示一樣，只是Wt1從零時(shí)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電壓與共陽極組輸出電壓的差即Ud=Udi-Ud2而由于電路中大電感L的作用，輸出的電流為近似平滑的一條直線。圖中同時(shí)給出了變壓器二次側(cè)a相電流i的波形，該波形的特點(diǎn)是，在VT1處于通態(tài)的120。期間，ia為正，由于大電

15、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120。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(jì)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(jì)圖如圖10所示。1三相交流電存儲裝置VT1VT5iVT5大idVT4VT6VT2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(shí)，調(diào)節(jié)整流電路的觸發(fā)角a使00,這時(shí)候整流電路工作在整流狀態(tài)，三相交流點(diǎn)存儲裝置向M供電使M工作在電動狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)換為動能帶動汽車行駛。當(dāng)汽車行駛在下坡路段時(shí)，調(diào)節(jié)a角使00,使輸出直流電壓Ud平均值為負(fù)值，且|Em|Ud|，這時(shí)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(shí)間，而且能夠節(jié)約電能。5心得體會在電路的分析中我們要學(xué)會大膽的應(yīng)用各種假設(shè)，來推演各種可能出現(xiàn)的狀況，再結(jié)合波形圖、電路圖等直觀