电力电子课程设计三相桥式全控整流电路的设计与分析.docx

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1、电力电子课程设计一-三相桥式全控整流电路的设计与分析绪论电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流、逆变、斩波、变频、变相等）两个分支。它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电供给直流用电设备，应用十分广泛。例如直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极

2、管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。当整流负载容量较大或要求直流电压脉冲较小时应采用三相整流电路，其交流测由三相电源供电。本设计要求整流电路带直流电机负载，希望获得的直流电压脉冲较小，所以用三相全控整流比较合理。1晶闸管的工作原理晶闸管组成的实际电路如图11所示:图1-1

3、晶闸管组成的实际电路为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图1-2(a)所示,其工作过程如图1-2(b)所示。图1-2晶闸管的等效电路当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA,且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。若V2管的基极电流为IB2,则集电极电流k2为P2Ib2,V1管的基极电流IB1等于VZ管的集电极电流，因而V2的集电极电流Ie1为伊口2如，该电流又作为V2管的基极

4、电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通。当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此对管子压降很小，一般为0.612V,电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。综上所述，可得如下结论：晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发

5、电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。图1-3晶闸管的伏安特性2主电路设计及原理2.1三相桥式全控整流电路的原理一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（D2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：1）按VT1VT2VT3-VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60。2）共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120

6、。，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120%3）同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2,脉冲相差180。（3）U（I一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）一三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。6个晶闸管导通的顺序是按VT6-VT1VT1-VT2VT2-VT3VT3-VT4VT4-VT5VT5-VT6依

7、此循环，每隔60。有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60%三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。三相柒式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致,其值应稍大于变流器直流侧的平均电压;其次要求晶闸管的a90。,使Ud为负值。图2-1三相桥式全控整流电路2.2三相全控桥的工作特点（1）2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相黑件需触发脉冲的要求：按VT

8、1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2,脉冲相差180。IId一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2. 3阻感负载时的波形分析三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况。当W60。时，IId波形连续，电路的工作情况与带电阻负

9、载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压IId波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时Ud波形与id的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直,当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图22和图23分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0。和a=30。的波形。图2-2触发角为0时的波形图图2-3触发角为30时的波形图当60。时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时Ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感1的作用，Ud波形会出现负的部分。图2

10、4给出了=90。时的波形。若电感1值足够大，ud中正负面积将基本相等，Ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。图2-4触发角为90时的波形图3触发电路设计2.1 触发电路设计目的要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。3. 2设计的任务指标及要求1输入电压：直流+15V,15V.2交流同步电压：20V.3移相电压：0IOV4移相范围：大于等于170度.5对电路进行设计，计算元器件参数.3.3触发电路设计方案

11、的选择3.3.1可供选择的方案种类1单结晶体管触发电路2正弦波同步触发电路3锯齿波同步触发电路4集成触发电路3.3.2方案选择的论证1单结晶体管触发电路：脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差；移相范围一般小于180度，电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致，不付加放大环节。适用范围：可触发50A以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但在大电感负载中不易采用。2正弦波同步触发电路：由于同步信号为正弦波，故受电网电压的波动及干扰影响大，实际移相范围只有150度左右。适用范围：不适用于电网电压波动较大的晶闸管装置中。3锯齿波同步触发电路：它不受电网电压波动与波形崎变的直接影响，

12、抗干扰能力强，移相范围宽，具有强触发，双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管。适用范围:在大众中容量晶闸管装置中得到广泛的应用。4集成触发电路：移相范围小于180度，为保证触发脉冲的对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：应用于各种晶闸管。根据晶闸管触发电路设计的任务和要求决定采用锯齿波同步触发电路的设计方案进行设计。3.4锯齿波同步移相触发电路3.4.1锯齿波形成和同步移相控制环节锯齿波同步移相的原理是利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压匕与直流偏移电压匕组成并联控制，进行电流叠加，去控制晶体管匕的截止与饱和导通来实现的。图3-1所示为恒流源

13、电路方案，由匕、匕、匕和G等无件组成，其中匕、匕、HG和%为一恒流源电路。当匕截止时，恒流源电流儿对电容c?充电，所以C2两端电压”为按线性增长，即匕的基极电位匕公按线性增攻。调节电位器/?，即改变G的恒定充电流/可见Rg是用来调节锯齿波斜率的。当匕导通时，由于Rj阻值很小，所以。3迅速放电，使U3电位迅速降到零伏附近匕周期性的导通和关断时，便形成了一个锯齿波,同样“，3也是锯齿波电压，如图3-1所示。射极跟随器匕的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压U仆的影响。匕管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压Uco,直流偏移电压UP三个电压作用的叠加值所确定，它们分别通过电阻&，6和与基极相接。设S

14、为锯齿波电压U,.；单独作用在匕基极J时的电压，其值为U=UR&厂3+困一）可见以仍为一锯齿波,但斜率比63低。同理偏移电压U/,单独作用时2的电压Uj为:,0+(4&)可见U“仍为一条与4平行的直线，但绝对值比Up小。直流控制电压US单独作用时a的电压Uj为：UdR1MR6R)可见UCJ仍为与U”平行的一直线，但绝对值比4、。如果U,广O,Up为负值时,点的波形由力+u;确定。当为UB正值时，/点的波形由%+uj+SJ确定。由于的存在，上述电压波形与实际波形有出入，当几点电压等于0.7V后，匕导通。之后U.一直被钳位在0.7V。图中M点是匕由截止到导通的转折点。由前面分析可知匕经过M点时使电

15、路输出脉冲。因此当UP为固定值时,改变，“便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加Up的目的是为了确定控制电压U“二0时脉冲的初始相位。当接阻感负载电流连续时三项全控桥的脉冲初始相位应定在a=90度;如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲的移相范围理论上为180度，由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180度，例如240度，此时，令S=0,调节UP的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波240度地的中央(120度)，对应于a=90度的位置。这时，如“为正值，M点就向前移，控制角a90度，晶闸管电路处于逆变状态。在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图2-2可知，锯齿波是由开关匕管来控制的。匕由导通变截止期间产生锯齿波，匕截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，匕开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使开关的频率与主电路电源频率同步就可达到。如图2-2中的同步环节，是有同步变压器TS和作同步开关用的晶体管匕组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制