三相橋式整流電路電力電子

/摘要電子技術的應用已深入到工農業(yè)經濟建設、交通運輸、空間技術、國防現(xiàn)代化、醫(yī)療、環(huán)保和億萬人們日常生活的各個領域，進入21世紀后電力電子技術的應用更加廣泛，因此對電力電子技術的研究更為重要。近幾年越來越多電力電子應用在國民工業(yè)中，一些技術先進的國家,經過電力電子技術處理的電能已得到總電能的一半以上。整流電路尤其是三相橋式可控整流電路是電力電子技術中最為重要的，也是應用得最為廣泛的電路，不僅應用于一般工業(yè)領域，也廣泛應用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領域。三相可控整流電路中應用最多的是三相橋式全控整流電路.這次設計主要是對三相橋式整理電路進行研究，研究其工作原理及其產生的波形。目錄TOC\o"1-3"\h\u194341選題背景 1269711。1課題意義 186681。2要求 1223452三相橋式全控整流電路工作原理 297012.1原理 2218392。2工作特點 240632。3工作過程分析 3165363參數(shù)計算及確定、晶閘管介紹 6136023。1參數(shù)定量計算 6213603.2晶閘管介紹 7213603.3電源參數(shù)確定 991984仿真結果及其分析 12238744.1仿真結果分析 124。2波形分析。。。。。.。..。。。.。.。。。..。..。..。。。.。。.。。。...。。。..。..。。。.。.。。。...。。.。..。.。。..。。。..。.。...。.。。.。。.。..。.。。.。.。。1620655設計心得.。。。.。.。。..。.。。..。。。.。...。..。...。.。。。。.。..。。.。。...。。.。..。。。。..。。。。。。..。..。..。...。.。...。。。.。。。..。.。..。。。。.。。。。..。。。...。。。..。。..17157926參考文獻1選題背景1.1課題意義電力電子學，又稱功率電子學（PowerElectronics).它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流）或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。隨著科學技術的日益發(fā)展,人們對電路的要求也越來越高，由于在生產實際中需要大小可調的直流電源,而相控整流電路結構簡單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能，是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應用.由于電力電子技術是將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能和變換和控制，而構成的一門完整的學科。故其學習方法與電子技術和控制技術有很多相似之處，因此要學好這門課就必須做好實驗和課程設計,因而我們進行了此次課程設計。又因為整流電路應用非常廣泛，而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又有利于夯實基礎，故我們選擇三相橋式整流電路帶阻感負載作為本次課程設計的課題。1.2要求（a)設計出合理的整流電路圖。（b）選擇不同觸發(fā)角度，仿真出波形并做計算.(c）給出詳細仿真過程描述和詳細的計算步驟和要求。2三相橋式全控整流電路工作原理2。1原理三相橋式全控整流電路圖是應用最為廣泛的整流電路,其電路圖如下：圖2—1三項全控整流電路主電路原理圖如圖2-1所示，為三相橋式全控帶阻感負載.習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管稱為共陽極組.共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側接成星形得到零線,而一次側接成三角形避免3次諧波流入電網。在三相橋式全控整流電路中,對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控制角都是α.由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓,可比三相半波線路中的晶閘管低一半。2.2工作特點三相橋式全控整流電路帶阻感負載主要是在不同階段通過控制共陰極與共陽極的晶閘管導通與關斷來實現(xiàn)整流作用的?，F(xiàn)具體介紹不同階段各晶閘管的工作情況,如表格2—2所示表2-1三相橋式全控整流電路阻感負載（觸發(fā)角α=0°）時晶閘管工作情況⑴2個晶閘管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個，且不能為同一相器件。⑵對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1—VT2-VT3—VT4—VT5—VT6的順序,相位依次差60°共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°共陽極組VT4、VT6、VT2的脈沖也依次差120°同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。⑶一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路.⑷晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同,晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。2.3工作過程分析當α≤60度時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同，電阻負載時ud波形與id的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖2-2和圖2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載α=00和α=300的波形。圖2—2中除給出ud波形和id波形外,還給出了晶閘管VT1電流iVT1的波形，可與帶電阻負載時的情況進行比較.由波形圖可見，在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流id波形決定，和ud波形不同。圖2-2觸發(fā)角為α=0o時的波形圖圖2-3觸發(fā)角為α=30o時的波形圖圖2-4觸發(fā)角為α=60°時的波形圖當α＞60度時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分,而阻感負載時,由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分.圖2-5給出了α=90度時的波形。若電感L值足夠大,ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90度。圖2—5觸發(fā)角為α=90°時的波形圖3參數(shù)計算、元器件選擇3.1定量計算當α≤時，波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，整流輸出電壓連續(xù)時的平均值為：當α＞時，帶電阻負載，整流電壓平均值為:輸出電流平均值為當整流變壓器為星型接法，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖2—3所示，為正負半周各寬120°，前沿相差180°的矩形波，其有效值為:三相橋式全控整流電路接，反電動勢阻感負載時,在負載阻感足夠大足以使負載電流連續(xù)的情況下電路工作情況與電感性負載相似，電路中各處電壓電流波形均相同，僅在計算時有所不同，接反電動勢阻感負載的為：晶閘管的參數(shù)：（1）電壓額定：晶閘管在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時所承受峰值電壓的2～3倍。即(2)電流額定:通態(tài)平均電流，考慮安全裕量，應選用的通態(tài)平均電流為計算的（1.5～2)倍，即(3)整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網電壓往往不能一致，同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾,可配置整流變壓器。變壓器的一、二次容量為當α＞60°時,阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時,由于電感L的作用,波形會出現(xiàn)負的部分。圖2—4給出了α=90°時的波形。若電感L值足夠大，中正負面積將基本相等,平均值近似為零。這說明,帶阻感負載時,三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90°。3.2元器件介紹晶閘管的介紹晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier-—SCR）,開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代;20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型—-普通晶閘管.廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。晶閘管的結構晶閘管是大功率器件，工作時產生大量的熱，因此必須安裝散熱器。晶閘管有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極(或稱柵極）G三個聯(lián)接端。對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。內部結構:四層三個結。如圖1。1圖3-1晶閘管的外形、內部結構、電氣圖形符號和模塊外形晶閘管外形b）內部結構c)電氣圖形符號d)模塊外形晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個結J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個電極,如圖1。2（左）所示。由于具有擴散工藝，具有三結四層結構的普通晶閘管可以等效成如圖1。2(右）所示的兩個晶閘管T1（P1—N1—P2）和（N1—P2-N2）組成的等效電路.圖3-2晶閘管的內部結構和等效電路晶閘管的驅動過程更多的是稱為觸發(fā)，產生注入門極的觸發(fā)電流ＩＧ的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通,不能控制其關斷，晶閘管才被稱為半控型器件。其他幾種可能導通的情況:=1\＊GB3①陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應=2\*GB3②陽極電壓上升率du/dt過高=3\*GB3③結溫較高=4\＊GB3④光直接照射硅片，即光觸發(fā)：光控晶閘管只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段.可關斷晶閘管可關斷晶閘管簡稱GTO?？申P斷晶閘管的結構：GTO的內部結構與普通晶閘管相同，都是PNPN四層結構，外部引出陽極Ａ、陰極Ｋ和門極Ｇ如圖1.3。和普通晶閘管不同,GTO是一種多元胞的功率集成器件，內部包含十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元胞,這些GTO元胞的陰極和門極在器件內部并聯(lián)在一起，使器件的功率可以到達相當大的數(shù)值.圖3-3GTO的結構、等效電路和圖形符號可關斷晶閘管的工作原理：GTO的導通機理與SCR是完全一樣的。GTO一旦導通之后，門極信號是可以撤除的,在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和,而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷。GTO在關斷機理上與SCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流（即抽出飽和導通時儲存的大量載流子），強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。元器件清單元器件名稱提取元器件路徑交流電源Electricalsource/ACvoltagesource三相電壓-電流測量單元Measurements/Three-phaseV-Imeasurement三相晶閘管整流器Extralibrary/three—phaselibrary/6—pulsethyristorbridgeRLC負載Elements/seriesRLCbridge6脈沖發(fā)生器Extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegenerator觸發(fā)角設定Simulink/sources/constans表3—1三相整流電路模型主要元器件3。3電源參數(shù)設定設置電源的參數(shù)為：三相交流電作為電源，每相相電壓為220V,頻率為50HZ,相角依次相差120°。如圖3-4，3—5，3-6，3-7：圖3-4圖3-5圖3-6圖3—7仿真圖中電源波形4仿真結果及其分析4。1仿真及結果晶閘管VT1的導通角從60°開始，按照觸發(fā)脈沖的要求，頻率為50Hz，晶閘管VT1的導通角為60°～120°,晶閘管VT2的導通角為120°～180°，晶閘管VT3的導通角為180°～240°,晶閘管VT4的導通角為240°～300°，晶閘管VT5的導通角為300°～360°，晶閘管VT6的導通角為360°~420°。L=0.1H如圖4-1,4-2所示，L=0.01H如圖4—3，4—4所示。圖4-1三相橋式全控整流電路觸發(fā)角為60°時仿真圖圖4—2α=60°時各個參數(shù)的波形圖4-3三相橋式全控整流電路觸發(fā)角為60°時仿真圖圖4—4α=60°時各個參數(shù)的波形晶閘管VT1的導通角從90°開始,按照觸發(fā)脈沖的要求，頻率為50Hz，晶閘管VT1的導通角為90°～150°,晶閘管VT2的導通角為150°～210°，晶閘管VT3的導通角為210°～270°，晶閘管VT4的導通角為270°～330°,晶閘管VT5的導通角為330°～390°,晶閘管VT6的導通角為390°~450°。圖4—3三相橋式全控整流電路觸發(fā)角為90°時仿真圖圖4-4α=90°時各個參數(shù)的波形4.2波形分析對于感性的負載，當觸發(fā)角小于60°時，整流輸出電壓波形與純阻性負載時基本相同，所不同的是,阻感性負載直流側電流由于有電感的濾波作用而不會發(fā)生急劇的變化，輸出波形較為平穩(wěn).而當觸發(fā)角大于等于60°小于90°時，由于電感的作用，延長了管子的導通時間，使Ud波形出現(xiàn)負值，而不會出現(xiàn)斷續(xù)，所以直流側輸出電壓會減小,但是由于正面積仍然大于負面積，這時直流平均電壓仍為正值。當觸發(fā)角大于90°時，由于id太小,晶閘管無法再導通,輸出幾乎為0。工作在整流狀態(tài)，晶閘管所承受的電壓主要為反向阻斷電壓。移相范圍為0~90.電感能夠使電流輸出平穩(wěn)；在沒有續(xù)流二極管的情況下,晶閘管的導通時間得到延長，而當加入續(xù)流二極管后,電流通過二極管續(xù)流，二極管續(xù)流功率損耗較小，這時輸出電流相對來說就較不加續(xù)