三相桥式全控整流电路的研究

电力电子技术课程设计报告三相桥式全控整流电路的研究姓名学号年级专业系（院）指导教师20xx年xx月xx日引言我国作为世界的能源大国，对能源的需求占世界首列。电能是人类生产最重要的二次图2-17三相桥式全控整流电路原理图能源之一，无论人们的日常生活，还是工农业的生产都离不开电，电网的稳定安全和电能高效合理的利用直接影响着国民经济的发展。近年来，电力电子装置产生的谐波污染，造成了电能的巨大浪费，已经阻碍了电力电子技术的发展，而三相桥式整流电路是电力电子的重要组成部分，这种三相桥式电路广泛的运用于社会生产的各个领域。因此，对三相桥式整流电路的研究已经成为电力电子的前沿问题，具有重大的科学意义。本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图，由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率，大电流，高电压，因此控制比较复杂，特别是触发电路部分必须一一对应，否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。研究背景和意义本课题来源下我单位的国产化技术改造项目，即三相晶闸管的整流及触发控制。晶闸管：是应用于电力领域的电子技术，指使用电力电了器件对电能进行变换和控制的技术。1．设计目的要求和任务1.1设计设计目的和要求合理运用所学知识，能够进行电力电子电路和系统的设计，理解和掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。1.2任务设计一个三相可控整流电路使其输入电压:三相交流380伏、频率为50赫兹、输出功率2KW、负载为阻感性负载。三相桥式整流系统的研究三相桥式整流系统的触发分析与设计2三相晶闸管全控整流电路原理说明2．1主电路原理说明应用最为广泛，共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：1、3、5，4、6、2三相桥式全控整流电路的特点：（1）2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：按VT1-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°。（3）ud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：一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。（5）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。a带电阻负载时的工作情况a=0°时的情况假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1-ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，如图2-18所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载a=0°时晶闸管工作情况时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb由图得：6个晶闸管的脉冲按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的顺序，相位依次差60o；共阴极组和阳极组依次差120o；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180o。整流输出电压ud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。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60o，称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的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60o，脉宽一般为20o～30o，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冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利，故采用双脉冲触发。α＝0o时晶闸管承受的电压波形如图1所示。图1三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0°的波形a=30°时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。图三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30°时的波形当α=60o时，电路工作情况仍可参考上图分析，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。α＝60o时ud出现了为零的点。图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60°时的波形小结当a≤60°时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当a60°时，ud波形每60°中有一段为零，ud波形不能出现负值。带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120°当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下，此时ud波形每60o中有30o为零，这是因为电阻负载时id波形与ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，因此ud波形不能出现负值。如果继续增大至120o，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120o。图三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90°时的波形b阻感负载时的工作情况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，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。当α≤60o时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud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id波形与ud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6为电路带阻感负载α=30o的波形。图中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流iVT1的波形，可与图2带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流id波形决定，和ud波形不同。当α＜60o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波形不会出现图2-22三相桥式整流电路带阻感负载，a=30°时的波形负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90o。3定量分析在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60o时）的平均值为电阻负载且α60o时，整流电压平均值为输出电流平均值为Id=Ud/R。当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。晶闸管的参数：（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压Utn=U2考虑安全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的2～3倍。即U额=(2～3)Utn。根据要求，输出功率为2kw，负载电阻为20欧姆，理想变压器二次侧电压U2=200∨，所以晶闸管的额定电压U额=(2～3)U2=(2～3)×200∨.（2）电流额定：通态平均电流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R,Ud=2.34U2.考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.5～2）倍。计算得IVT(AV)=7.36A.（3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管CTO。它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。她既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断的优点。（4）总上述，我们选用国产50AGTO。参数如下.选用电阻20欧姆。正向阻断电压:1000～1500Ⅴ,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.5～2.5正向触发电流：200～800MA，反向关断电流：6～10A，开通时间：6us,m关断时间:10us,工作频率：3KHz,允许du/dt500V/us,允许di/dt100A/us,正管压降2～4V关断增益：（5）整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3U2I2=3*85.5*0.816Id。4三相晶闸管全控整流电路的保护电路4.1电路的保护措施4.2.1主电路的过电压保护抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。电路图如图3图34.2.2晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图4图44.2.3晶闸管的过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。如图5图55触发电路与主电路的同步所谓的同步，就是要求触发脉冲和加于晶闸管的电源电压之间必须保持频率一致和相位固定。为实现这个，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，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