電力電子課程設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——電力電子課程設(shè)計(jì)三相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載設(shè)計(jì)電力電子變流技術(shù)課程設(shè)計(jì)

三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)

一、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。

圖1三相橋式全控整理電路原理圖

目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其帶電阻性負(fù)載原理圖如圖1所示。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(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號(hào)，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(yáng)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，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

1.2主電路原理說(shuō)明

假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，這種狀況也就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角α=0o時(shí)的狀況。此時(shí)，對(duì)于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共

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陽(yáng)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(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有1個(gè)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。此時(shí)電路工作波形如圖2所示。

α=0o時(shí)，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(duì)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(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。在分析ud的波形時(shí)，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(shí)，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)，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=ud1－ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)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(duì)應(yīng)的最大（正得最多）的相電壓，而共陽(yáng)極組中處于通態(tài)的晶閘管對(duì)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(gè)相電壓相減，是線電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線。

為了說(shuō)明各晶閘管的工作的狀況，將波形中的一個(gè)周期等分為6段，每段為60o，如圖2所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的狀況如表所示。由該表可見(jiàn)，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。α=0o時(shí)晶閘管工作狀況如表1所示。

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時(shí)段共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管整流輸出電壓udⅠVT1ⅡVT1ⅢVT3ⅣVT3ⅤVT5ⅥVT5VT6VT2VT2VT4VT4VT6ua-ubua-ucub-ucub-uauc-uauc-ub=uab=uac=ubc=uba=uca=ucb表1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載α=0o時(shí)晶閘管工作狀況

從觸發(fā)角α=0o時(shí)的狀況可以總結(jié)出三相橋式全控整流電路的一些特點(diǎn)如下：（1）每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中1個(gè)晶閘管是共陰極組的，1個(gè)是共陽(yáng)極組的，且不能為1相的晶閘管。

（2）對(duì)觸發(fā)脈沖要求：6個(gè)晶閘管的脈沖按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120o，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120o；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180o。

（3）整流輸出電壓ud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。

（4）在整流電路合閘啟動(dòng)過(guò)程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o（一般取80o~100o），稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)緊前的一個(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，

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脈寬一般為20~30，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較繁雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大，繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對(duì)于晶閘管串聯(lián)使用不利。雖可用去磁繞組改善這種狀況，但又使觸發(fā)電路繁雜化。因此，常用的是雙脈沖觸發(fā)。（5）α＝0o時(shí)晶閘管承受的電壓波形如圖2所示。圖中僅給出VT1的電壓波形。將此波形與三相半波中的VT1電壓波形比較可見(jiàn)，兩者是一致的，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也與三相半波時(shí)一樣。圖2中還給出了晶閘管VT1流過(guò)電流iVT的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120處于通態(tài)，240處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的ud波形一致。

當(dāng)觸發(fā)角α改變時(shí)，電路的工作狀況將發(fā)生變化。圖3給出了α=30時(shí)的波形。從ωt1角開始把一個(gè)周期等分為6段，每段為60o與α＝0o時(shí)的狀況相比，一周期中ud波形

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仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)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)生變化如下圖。圖中同時(shí)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，ia波形的形狀與同時(shí)段的ud波形一致，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也與同時(shí)段的ud波形一致，但為負(fù)值。

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圖4給出了α=60o時(shí)的波形，電路工作狀況仍可對(duì)照表1分析。ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。α＝60o時(shí)ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)。

由以上分析可見(jiàn)，當(dāng)α≤60o時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。

當(dāng)α＞60o時(shí)，如α＝90o時(shí)電阻負(fù)載狀況下的工作波形如圖5所示，此時(shí)ud波形每60o中有30o為零，這是由于電阻負(fù)載時(shí)id波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過(guò)晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。圖5中還給出了晶閘管電流和變壓器二次電流的波形。

假使繼續(xù)增大至120，整流輸出電壓ud波形將全為零，其平均值也為零，可見(jiàn)帶電阻

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負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路α角的移相范圍是120。

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二、各元件參數(shù)的計(jì)算

三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓ud的波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)6次，且每次脈

動(dòng)的波形一致，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對(duì)一個(gè)脈波（即1/6周期）進(jìn)行計(jì)算即可。以線電壓uuv的零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)的線電壓波形如圖6所示，其自然換相點(diǎn)在?t?600處，他是線電壓uwv與uuv的交點(diǎn)?？梢钥闯觯?dāng)??600時(shí)，電流連續(xù)。當(dāng)??600時(shí)，電流斷續(xù)。因此，整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值Ud亦要分兩種狀況：

（1）當(dāng)00???600時(shí)，

Ud?12??3??33????6U2sin?td(?t)

?2.34U2cos??1.35U2Lcos?

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(2)當(dāng)600???1200時(shí)，整流只能在正半周進(jìn)行，故

Ud?1?3?????6U2sin?td(?t)3

?2.34U2[1?cos(?3??)]?1.35U2L[1?cos(?3??)]

當(dāng)??00時(shí)，Ud取得最大值為1.35U2L；當(dāng)??600時(shí)，Ud?0.675U2L；當(dāng)??1200時(shí)，Ud?0。

其中，U2L為變壓器二次繞組的線電壓有效值?？梢钥闯?，最大移相范圍是1200。

圖6??600時(shí)計(jì)算整流電壓的波形

由以上分析可知，負(fù)載兩端承受的始終為線電壓，且電阻性負(fù)載的電流波形與電壓波形一致。為滿足負(fù)載電壓在50V~300V內(nèi)可調(diào)，則可做如下計(jì)算:

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①當(dāng)??00時(shí)，Ud取得最大值為1.35U2L，留取50V的裕量，令Ud?1.35U2L?350V，解得U2L?260V

則變壓器變比為：N?380260?1.46

考慮到所留裕量足夠大，故取變壓器變比為N?1.5

②為取得負(fù)載電壓為50V，考慮留取適當(dāng)裕量，則令Ud?1.35U2L[1?cos(其中1.35U2L?350V

則可解得，??940。

則至此可知，?的調(diào)理范圍為00~940，即控制角移相范圍為940。

輸出電流平均值為：Id?UdR?3??)]?35，

則電阻負(fù)載上的電流有效值的計(jì)算如下：①當(dāng)00???600時(shí)，負(fù)載電流有效值為：

Id?12????33??3??(6U2sin?tR)d(?t)?2U2LR6?3(?cos2?)?64易知當(dāng)cos2??1，即??00時(shí)，有效值Id取得最大值為11.82A。②當(dāng)600???940時(shí)，負(fù)載電流的有效值為

Id?1??????(6U2sin?tR)d(?t)233

?U2LR6??31(??cos2??sin2?)?3288求Id關(guān)于?的導(dǎo)數(shù)，可解得當(dāng)600???940時(shí)，Id關(guān)于?單調(diào)遞減，故當(dāng)??600時(shí)，有效值Id取得最大值為9.96A

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綜上所述，考慮安全裕量，故取負(fù)載電流Id最大有效值取為11.82A。

由于晶閘管是交替工作的，故流過(guò)晶閘管的電流最大有效值，亦即變壓器二次側(cè)的

線電流為：IT?I2L?Id3?11.823?6.82A

則變壓器的容量為：S?3U2LI2L?3?260?6.82?3071.18V?A考慮安全裕量，故取變壓器容量為3100V?A。則晶閘管通態(tài)平均電流為：IT(AV)?IT1.57?6.821.57?4.34A，取整為5A

考慮1.5~2.0倍的安全裕量，這里取2倍的裕量，則晶閘管額定電流為10A。由上述各圖所示電壓波形可知，晶閘管所承受的最大正反向電壓都是線電壓的峰

值6U2，亦即2U2L，為367.64V，取整為370V。考慮2.0~3.0倍的安全裕量，這里取3倍裕量，則晶閘管的額定電壓為1110V。

至此，各元件參數(shù)計(jì)算完畢。

綜上所述，各元件參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

元器件整流變壓器晶閘管參數(shù)額定電壓（V）額定電流(A)額定容量(V?A)變比阻值控制角?的調(diào)理范圍表2各元件參數(shù)

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電阻2606.8231001110101.520?00???940三相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載設(shè)計(jì)電力電子變流技術(shù)課程設(shè)計(jì)

三、設(shè)計(jì)心得

經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的努力，終究完成了電力電子課程設(shè)計(jì)