电力电子课设-三相桥式半控整流.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录前言电力电子课程设计是在学生完成基础课程学习与实验之后进行的综合性实践过程，其意义在于巩固、提高、综合先修的电力电子课程的内容，使学生对书本知识有更深一步的了解,让学生在实践过程中，真正理解、领会所学的知识，并加以融会贯通，培养学生查阅相关文献的能力、独立分析和解决实际问题的能力、以及创新能力，为后续的毕业设计打下良好的基础。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足，直流电是一种能够储备的能源，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。本次课程设计的任务就是整流电

2、路，整流电路就是把交流电能转换为直流电能供给直流用电设备的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。三相桥式电路整流器的设计1 题目分析及设计思路与方案1.1初始条件1、 阻感负载，电阻R=50欧，电感L极大；2 、负载电压0300V，负载电流1A；3 、变压器的二次侧电压U2=220V。1.2设计思路与方案三相桥式整流电路分为三相全控桥和三相半控桥，按照设计要求，进行如下计算来选择设计方案：假设选择三相全控桥，则在阻感负载的条件下，输出的负载电压的平均值为：求得 由已学过的电力电子知识可知，当，三相全控桥阻感

3、负载时，由于电感的作用，的波形会出现负的部分，不满足题目所要求的的范围为。故在本次课程设计中我选择三相半控桥式整流电路。在对于三相桥式半控整流电路的设计中，主要分为五个部分：供电方案：采用三相交流电源通过变压器向整流电路供电，变压器的二次侧电压。主电路的设计：使用三相半控桥的整流电路，设置相关电流电压相位角等参数来达到设计的要求指标。相控触发电路的设计：采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相半控桥将交流整流成直流。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。应用举例说明：本次设计中

4、以直流电动机的调速为例来说明三相桥式整流电路的应用。整个设计的结构框图如图1所示。当接通电源时，三相桥式半控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电供给负载使用。电源三相桥式半控整流电路R+L负载同步电路集成触发器器触发信号触发模块图12选定供电方案三相桥式半控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。电网流入电压经过变

5、压器后能得到变压器二次侧相电压为即可。3主电路的设计与原理说明3.1主电路图的确定图1 三相桥式全控整理电路原理图将三相桥式全控整流电路中的一组晶闸管用三只二极管代替，就构成了三相桥式半控整流电路。只要控制三相桥中一组晶闸管，就可以控制三相桥式半控整流电路的输出电压，它较全控桥更简单、经济。习惯上希望各管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VD4、VD6、VD2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VD2VT3VD4VT5VD6。

6、此主电路要求带阻感负载，电阻R=50，电感L无穷大，使负载电流连续。其原理如图2所示。图23.2主电路原理说明三相桥式半控整流电路是由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极揭发的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控整流电路两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换相点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相中去，而共阴极组的三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一相中去。输出整流电压的波形是三组整流电压波形之和，改变共阳极组晶闸管的控制角可获得的直流可调电压。图中VT1、VT3和VT5为触发脉冲相位互差120的晶闸管，VD2、VD4和VD6为整流二极管，有这六个管

7、子组成三相桥式半控整流电路。它们的导通顺序依次为：VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6，各管一个周期内工作情况如表1。假定负载电感L足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值，因此不论控制角为何值，负载电流如总是单向流动，而且变化很小。表1 当时即触发脉冲在自然换相点出现时，整流电路输出电压最大，其数值为，波形与三相全控桥式整流电路在时输出的电压波形一样。图3当时，如图3所示的为时的波形。时,触发VT1管导通，此时共阳极组二极管VD6阴极电位最低，所以VT1和VD6导通，负载电压。时，共阳极组二极管自然换流，VD2导通，VD6关断，负载电压。时，虽然到了共阴极组自然换相点，

8、但VT3的触发脉冲未到，所以VT1继续导通，直到时刻为止。时，触发VT3管导通后使VT1管承受反向电压而关断，负载电压。以次类推，负载上得到的波形在一个周期内得到的是三个缺角波头连接三个完整波头的脉动波形。 当时，波形刚好只剩下三个波头，波形刚好维持连续。 当时, 波形如图4，波形不连续，但由于有续流二极管的存在，波形与电阻负载时一样不会出现负的部分。VT1管在电压的作用下, 时刻开始导通,到时刻A相相电压为零VT1管仍不会关断,因为使VT1管正向导通的不是相电压而是线电压,到时刻,VT1才关断，再由续流二极管续流。在期间,VT3虽受正向电压，但门极无触发脉冲，故VT3不导通，波形出现断续。到

9、时刻，VT3才触发导通，一直到线电压为零时关断。角的移相范围为0180。 图43.3对续流二极管的说明类似于单相半控桥，三相半控桥式整流电路在带大电感负载时，如负载端不加接续流二极管则会出现失控的现象，在整流电路工作过程中，如突然切断触发信号或把控制角突然增大到180时，电路中会发生某个导通着的晶闸管不关断，而共阳极组的三个整流管轮流导通的现象。假定在VT3管导通时，触发脉冲突然消失，则VT1，VT5不可能再导通，整流输出电压。当时，VD2自然换流至VD4、VD2关断，VD4导通，.当时，又从VD4换至VD6，电流通过VT3、VD6续流，VT3没办法继续导通，整个电路的工作也就停止。为解决失控

10、问题，在负载两端必须并接续流二极管，这样电路在线电压过零后，由续流二极管导通续流，晶闸管上电流为零关断，输出电压波形与带电阻性负载时一样，不会出现负电压。接有续流二极管的三相半控桥电路，只有在60以后续流管才有电流流过。3.4主电路相关参数的计算（1）输出电压平均值的计算三相桥式半控整流电路阻感负载平均电压的计算要分别考虑电压波形连续和断续的情况。当电压波形连续时(，)：当电压波形断续时（）：由此可见， （2）的范围的计算将，代入可得：当时，=180，当时，=80.47所以：80.47180 （3）当时的的计算： 此时，由公式可得=143.68 （4）流过二极管、晶闸管的电流参数计算：流过整流

11、二极管和晶闸管的平均电流： 电流有效值为：流过续流二极管电流的平均值和有效值分别为：（5）晶闸管的额定参数的计算晶闸管和二极管承受的最大电压为： 故晶闸管的额定电压为： 流过每个晶闸管的电流的有效值为：故晶闸管的额定电流为： （6）变压器参数计算变压器二次电流有效值：变压器容量： 4整流器的相控触发电路的设计4.1触发电路方案选择同步信号为锯齿波的触发电路由脉冲形成环节，锯齿波形成，脉冲移相，同步环节和双窄脉冲形成环节。在本学期课程中我们学到的是三相全控桥的触发电路。举一反三的来说，三相半控桥的触发和全控桥不同的是：全控桥在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两

12、个晶闸管均有脉冲，而半控桥中，只需触发一组晶闸管，另一组二极管是自然导通。但两者都是间隔120度触发，故本次设计中仍可沿用三相全控桥的触发电路，将多出的端口不接到二极管即可实现。下面分析全控桥触发方式，对三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉

13、冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大。因此，常用的是双脉冲触发。所以本三相半控桥式整流电路也采用锯齿波双窄脉冲同步触发电路。4.2 常用的集成触发电路常用的三相桥式整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个KJ041集成块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。图5 KJ004电路原理图KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见图5：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY，只有改变权电阻R1、R2的

14、比例，调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和 C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为任意值。双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制。集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。图6 三相全控桥整流电路的集成触发

15、电路4.3 触发电路的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。图7 三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，

16、主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。主电路电压与同步电压的关系如图7所示。对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电压相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为+，VT1的触发脉冲从 至的范围为。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为，上升段起始的和终了的线性度不好，舍去不用，使用中间的。锯齿波的中点与同步信号位置对应。对于其它两个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压。以上分析了同步电压与主电路电压的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管

17、的同步电压信号。接法如图8所示。图8 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图5保护电路的设计及相关参数的计算5.1 过电流保护当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。于是常用的是快速熔断器作过电流保

18、护， 其过流保护电路原理图如图9所示。图9过流保护原理图此外，在选择快速熔断器时应考虑以下四点：（1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。（3）快熔的值应小于被保护器件的允许值、（4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。因为本次设计中晶闸管的额定电流为0.31-0.41A,快速熔断器的熔断电流大于1.5倍的晶闸管额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为0.61A。5.2 过电压保护电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因

19、过电压。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等， 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起；雷击过电压：由雷击引起。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：（1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；（2）关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。见图10和图11。图10 阻容三角抑制过电压 图11 压敏电阻

20、过压 过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原图如图12所示：图12 过电压保护电路 在此我们采用储能元件保护即阻容保护。根据阻容保护电路， ，其中S为变压器每相平均计算容量值，U为相电压有效值， 为变压器短路电压百分值， 为短路电流百分值，取Ra=1K，Ca=0.1uF。6应用举例可以设计成一个给直流电动机供电的可调速装置，设计图如图13所示。图13当我们调节得大小由0到180度，我们可以得到不同输出电压，可以用于电动机的调速，由于负载电压不能为负，故无法实现逆变，但是，正向的调速还是很经济简单方便的。7心得体会电力电子一直是自己比较喜欢的一门学科，拿到课程设计的题目也

21、想着可以好好检验自己的学习成果，一直认为，期末考试是所谓的应试教育，而课程设计似乎更加地考验所学的知识，所谓实践与理论相结合就是这个道理吧。课程设计总能让我有一种我站在山面前的感觉，看上去比较陌生高大，但是攀登的技巧早已在平时的学习中习得，不断地去攀登，不断地在回味课堂上老师讲的东西，书本上的东西，这是一种奇妙的体验。这次的课设，题目看上去不难，三相桥式整流，是平时学习教学的重点，可是设计过程也是充满波折。首先是题目下发的时候电阻的数值有误，致我百思不得其解，后来在老师的帮助下，才得到解决，仔细看看题目之后又发现这并不是书本课堂上常规的三相全控桥式整流，由于负载电压的范围并不满足要求，而这种电

22、路，教材上并没有介绍，我一时没有头绪，不知该怎么办。但是我马上冷静下来，想到老师建议我们的做课设的步骤和方法。于是首先我在网上查询相关资料，发现相关的信息较少，再去图书馆中查阅书籍，终于知道这是一种典型的三相半控桥，然后我仔细研读，终于弄清楚电路的原理，为之后的设计扫清了障碍，然后经过与同学的讨论，对题目有了进一步的了解。从中我了解到遇到的电路或者课题并一定是你见过的，而面对新的东西，我们要冷静地去寻求解决之道，结合自己所学来吃透理解那些未知的东西，这样就会觉得学到了远远超过课堂的东西，但是却源于课堂。之后就根据题目的要求进行设计了且达到所有要求，这个课题在网上能找的有效资源特别少，所以写起来

23、过程有点辛苦，但是觉得收获很多，对知识理解加深。参考文献1 王兆安，刘进军.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20092 黄俊，秦祖荫.电力电子自关断器件及电路.北京：机械工业出版社，19913 樊立萍，王忠庆.电力电子技术. 北京：北京大学出版社，20064 王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 5 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19996 马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.北京：清华大学出版社,20047 马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004 8 王锁萍.电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社2002专心-专注-专业