三相桥式整流电路设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名：龙建宁专业班级：自动化0602班指导教师：周颖工作单位：自动化学院题目：三相桥式全控整流电路的设计（带反电动势负载）初始条件：1．反电动势负载，E=60V，电阻R=10Ω，电感L无穷大使负载电流连续；2．U2=220V，晶闸管触发角α=30°；3．其他器件如晶闸管自己选取。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作得及其技术要求，以及说明书撰写待具体要求）1.主电路的设计及原理说明；2.触发电路设计，每个开关器件触发次序及相位分析；3.保护电路的设计，过流保护，过电压保护原理分析；4.各参数的计算（输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析）；5.应用举例；6.心得小结。时间安排：7月6日查阅资料7月7日方案设计7月8日-9日馔写电力电子课程设计报告7月10日提交报告，答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2摘要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。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。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。关键词：整流，变压，触发，过电压，保护电路。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3目录1主电路设计及原理................................................................................................................11.1主电路设计......................................................................................................................11.2主电路原理说明..............................................................................................................12触发电路的设计...................................................................................................................52.1电路图的选择..................................................................................................................52.2触发电路原理说明..........................................................................................................63保护电路的设计...................................................................................................................83.1过电压保护......................................................................................................................83.2过电流保护....................................................................................................................104各参数的计算......................................................................................................................124.1输出值的计算................................................................................................................124.2输出波形的分析............................................................................................................145应用举例...............................................................................................................................156心得体会...............................................................................................................................16参考文献....................................................................................................................................17武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1三相桥式全控整流电路的设计1主电路设计及原理1.1主电路设计其原理图如图1所示。图1三相桥式全控整理电路原理图习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从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VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。1.2主电路原理说明整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，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，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2所示。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2图2反电动势α=0o时波形α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况图3给出了α=30o时的波形。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中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1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。图3α=30o时的波形时段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武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。图4α＝90o时的波形武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书52触发电路的设计2.1电路图的选择晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。图5双脉冲触发电路武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。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。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