電力電子技術課程設計---三相橋式半控整流電路的設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1初始條件1</b></p><p><b>　　2主要任務1</b></p><p><b>　　3設計方案1</b></p><p>　　3.1主電路設計1</p&g

2、t;<p>　　3.2主電路原理說明2</p><p>　　3.3觸發(fā)電路的設計5</p><p>　　3.4觸發(fā)電路原理說明6</p><p>　　3.5保護電路的設計7</p><p>　　3.5.1 過電壓保護7</p><p>　　3.5.2 過電流保護9</p><

3、;p>　　3.6參數(shù)計算11</p><p>　　3.6.1 負載的參數(shù)計算11</p><p>　　3.6.2 晶閘管的選擇12</p><p>　　3.6.3 變壓器的選擇12</p><p><b>　　4心得體會13</b></p><p><b>　　參考文獻

4、14</b></p><p>　　三相橋式半控整流電路的設計</p><p><b>　　1初始條件</b></p><p>　　設計一個三相橋式半控整流電路，直流電動機負載，電機技術數(shù)據(jù)如下： ，，，，。</p><p><b>　　2主要任務</b></p><p

5、><b>　　(1) 設計方案</b></p><p>　　(2) 完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇</p><p>　　(3) 觸發(fā)電路、保護電路的設計</p><p>　　(4) 繪制主電路及觸發(fā)電路（采用集成元件）電氣原理圖</p><p>　　(5) 撰寫設計說明書</p><p

6、><b>　　3設計方案</b></p><p>　　首先，技術要求設計一個三相橋式整流電路，這個在課本中講過，可以通過三相變壓器、六個晶閘管、負載構成，而對于半控橋式電路，只需把其中的三個晶閘管換成二極管即可。對于直流電動機負載，在這里我們將其簡化，用電阻、電感和反電動勢代替之。</p><p><b>　　3.1主電路設計</b><

7、;/p><p>　　三相半控整流電路與三相全控整流電路類似，只是將全控橋中的共陽極組的三個晶閘管用二極管替換，從而簡化了整個電路。圖中的三個晶閘管為共陰極連接，一般習慣上按圖中VT1——VT3——VT5的順序導通晶閘管。</p><p>　　其原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 三相橋式半控整流電路</p><p>　　3.2主電路原理

8、說明</p><p>　　圖2 單相橋式半控整流電路</p><p>　　在晶閘管單相全控橋中，每個導電回路中有2個晶閘管實際上若為了對每個導電回路經(jīng)行控制，只需1個晶閘管就可以了，另1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化觸發(fā)電路，降低成本。如此即成為晶閘管單相橋式半控整流電路，如圖2所示。當負載為電阻性負載時，晶閘管單相半控橋與晶閘管單相全控橋工作過程和波形完全一致。</p>

9、<p>　　當負載為阻感性負載時，由于電感有阻止電流變化的作用，電流變化時電感L兩端產(chǎn)生的感應電動勢會阻止電流變化，假設負載電感很大，即wL>>R，并且電路已處于穩(wěn)態(tài)，則負載電流連續(xù)且波形近似為一水平線，幅值為。</p><p>　　在電壓正半周、觸發(fā)角為時，觸發(fā)VT1，VT1和VD4導通。當過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導通。但因a點電位低于b點電位，VD2正偏導通，VD4

10、反偏截止，電流從VD4轉移至VD2，此時電流不再經(jīng)變壓器二次繞組，而由VT1和VD2續(xù)流。整流橋輸出電壓為VT1和VD2的正向壓降，接近于零，整流輸出電壓沒有負半波，這種現(xiàn)象被稱為自然續(xù)流。</p><p>　　在電壓負半周，具有與正半周相似的特性，觸發(fā)角α時觸發(fā)VT3，VT3和VD3導通，過零變正時經(jīng)過VT3和VD4自然續(xù)流。</p><p>　　三相橋式整流電路同樣也可以采用半控方式，

11、電路如圖所示。與單相橋式半控整流電路相似。共陽極組的三個整流二極管自然換流點換流，使電流換到陽極電位更低的一相去，而共陰極組的三個晶閘管則受到觸發(fā)信號的控制進行換流。</p><p>　　整流電路的負載為直流電機負載，為簡化電路，用帶反電動勢的阻感負載代替直流電機。當晶閘管的導通角，時，相當于把圖中共陰極組的晶閘管都換為二極管。此時，共陽極組的三個晶閘管是所接交流電壓最高的一個導通，而對于共陰極組的三個二極管則是

12、所接交流電壓值最低的一個導通。這樣，任意時刻共陽極晶閘管和共陰極二極管都各有一個導通，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路波形如圖1所示：</p><p>　　當觸發(fā)角時，觸發(fā)脈沖在自然換向點出現(xiàn)，三相橋式半控整流電路的負載電壓的波形與三相橋式全控整流電路時的波形相同。</p><p>　　時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相

13、點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析 的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓 為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓 為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。</p><p>　　圖3 阻感反電動勢負載時的波形

14、圖</p><p>　　為了說明各晶閘管和二極管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為60o，如圖2所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示。由該表可見，晶閘管和二極管的導通順序為VT1－VD2－VT3－VD4－VT5－VD6。</p><p>　　表1 三相橋式全控整流電路電阻負載α=0o時晶閘管工作情況</p><p>　　3.3觸發(fā)電

15、路的設計</p><p>　　晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性：</p><p>　　當晶閘管承受反向電壓時，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。</p><p>　　晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下

16、晶閘管才導通。</p><p>　　晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。</p><p>　　晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。</p><p>　　根據(jù)設計要求的采用集成元件設計出發(fā)電路，則在此選擇同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。根據(jù)晶閘管的這種特性，

17、通過控制晶閘管的導通和關斷時刻，就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o ~30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。觸發(fā)電路如圖4所示：</p><p>　　圖4 觸發(fā)

18、電路（集成元件）原理圖</p><p>　　3.4觸發(fā)電路原理說明</p><p>　　如圖5所示，觸發(fā)電壓的形成用KJ004芯片完成。KJ004電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權電阻R1、R

19、2的比例,調節(jié)相應的偏移電壓VP。同時調整鋸齒波斜率電位器RW1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導通角增大，R7和C2形成微分電路,改變R7和C2的值可以獲得不同的脈沖輸出。KJ004芯片內部結構如圖5所示。</p><p>　　圖5 KJ004芯片內部結構圖</p><p>　　3.5保護電路的設計</p><p>

20、　　較之電工產(chǎn)品，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時間的過電壓和過電流就會導致器件永久性的損壞。因此電力電子電路中過電壓和過電流的保護裝置是必不可少的，有時還要采取多重的保護措施。</p><p>　　3.5.1 過電壓保護</p><p>　　電源側過電壓電力電子設備一般都經(jīng)變壓器與交流電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地中間都存在著分布電容，如圖7所示。<

21、/p><p><b>　　圖6 交流則過電壓</b></p><p>　　變壓器一般為降壓型，即電源電壓u高于變壓器次級電壓。電源開關斷開時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超出正常值，它所連接的電力電子設備將受到過電壓的沖擊。</p><p>

22、;　　在進行電源拉閘斷電是也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關斷開使激磁電流從一定得數(shù)值迅速下降到0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產(chǎn)生較大的感應電壓，因為電壓為Ldi/dt，在電感一定得情況下，電流的變換越大，產(chǎn)生的過電壓也越大。這個電壓的大小與拉閘瞬間電流的參數(shù)值有關，在正弦電流的最大值時斷開電源，產(chǎn)生的di/dt最大，過電壓也就越大?？梢?，合閘時出現(xiàn)的過電壓和拉閘時出現(xiàn)的過電壓其產(chǎn)生的機理是完全不同的。</p>

23、<p>　　在電力電子設備的負載電路一般都為電感性，如果在電流較大時突然切除負載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產(chǎn)生過電壓。另外電力電子器件的換相也會使電流迅速變化，從而產(chǎn)生過電壓。上述過電壓都發(fā)生在電路正常工作地狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。</p><p>　　雷擊和其他電磁感應也會在電力電子設備中感應出過電壓，這類過電壓發(fā)生地時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預測的。</p>

24、<p>　　對于上面的這些過電壓，我們可以采用下面的措施進行保護：</p><p>　　設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。</p><p>　　過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。見圖7和圖8</p><p>

25、　　圖7 阻容三角抑制過電壓 圖8 壓敏電阻過壓</p><p>　　過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如圖3.3.3所示：</p><p>　　圖9 過電壓保護電路</p><p>　　3.5.2 過電流保護</p><p>　　電力電子電路中的電流瞬時值超過設計的最大允許值

26、，即為過電流。過電流有過載荷短路兩種情況。常用的過電路保護措施如圖10所示。一臺電力電子設備可選用其中的幾種保護措施。針對某種電力器件，可能有些保護措施是有效的而另外一些是無效的或不合適的，在選用時應特別注意。</p><p>　　圖10 過流保護電路圖</p><p>　　交流斷路器保護是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，當交流電流超過整定值時，過流繼電器動作

27、使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，切除故障電流。應當注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時值，否則如果電流達到了器件的最大電流過流繼電器才動作，由于器件耐受過電流的時間極短，在繼電器和斷路器動作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。 </p><p>　　來自電流互感器的信號還可作用于驅動電路，當電流超過整定值時，將所有驅動信號的輸出封鎖，全控型器件會由于得不到驅動信號而立即阻斷，過電流隨之

28、消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導通的晶閘管不再導通，而已導通的晶閘管由于電感的儲能器件不會立即關斷，但經(jīng)一定的時間后，電流衰減到 0，器件關斷。這種保護方式由電子電路來實現(xiàn)，又叫做電子保護。與斷路器保護類似，電子保護的電流整定值也一般應該小于器件所能承受的電流最大值。 </p><p>　　快速熔斷器保護一般作為最后一級保護措施，與其它保護措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源

29、側（三相電源的每一相串接一個快速熔斷器） ，也可以接在負載側，還可電路中每一個電力電子器件都與一個快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護效果也有差異。熔斷器保護有可以對過載和短路過電流進行“全保護”和僅對短路電流起作用的短路保護兩種類型。 </p><p>　　撬杠保護多應用于大型的電力電子設備，電路中電流檢測、電子保護都是必需的，同時還要在交流電源側加一個大容量的晶閘管。其保護原理如下：當檢測到的電流信號超過整定值時，

30、觸發(fā)保護用的晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接一個小電感用以限制 di/dt；驅動電路開通主電路中的所有電力電子器件，以分散短路能量，讓所有器件分擔短路電流；使交流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經(jīng)一段時間的衰減短路能量消失，起到保護作用。</p><p><b>　　3.6參數(shù)計算</b></p><p>　　3.6.1 負載的參數(shù)計算</p>

31、<p>　?。?）電動機的等效電阻</p><p>　　等效電阻即為 </p><p>　?。?）電動機的等效電感</p><p><b>　　取觸發(fā)角為</b></p><p>　　變壓器二次側電壓有效值： </p><p><b>

32、　?。?.1）</b></p><p>　　負載電流平均值的最小值：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　　等效電感的值為：</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　?。?/p>

33、3）電動機的等效反電動勢</p><p>　　電動機的等效反電動勢值為：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　（4）整流電路的輸出值</p><p>　　整流輸出電壓平均值為：</p><p><b>　　（1.5）</b></p>

34、<p>　　整流輸出電流平均值為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　變壓器二次側電流有效值為：</p><p><b>　　（1.7）</b></p><p>　　3.6.2 晶閘管的選擇</p><p>　　本電路中晶閘管承

35、受的最大反向電壓為：</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　流過每個晶閘管的電流有效值為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　靠慮一定的安全裕量，則晶閘管的額定電壓為：</p><p><b>　　（2

36、.3）</b></p><p>　　晶閘管的額定電流為：</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　通過以上計算可知，我們應該選擇額定電壓為532~798V之間，額定電流在73.5~98A之間的晶閘管。</p><p>　　3.6.3 變壓器的選擇</p><p&

37、gt;　　通過前面的計算我們知道，變壓器二次側電壓有效值為108.6V，電流有效值為108.8Ａ。則變壓器二次側功率為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　對于三相橋式半控整流電路，變壓器一次側的功率和二次側的功率是相等的，所以我們應選擇功率略高于35KW的變壓器。</p><p><b>　　4心得

38、體會</b></p><p>　　通過三相半控橋式整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。</p><p>　　整流電路的設計方法多種多樣，且根據(jù)負載的不同，又可以設計出很多不同的電路。其中三相半控橋式整流電路其負載我們用的多的主要是電阻型、帶大電感型，接反電動勢型。它們各自有自己的優(yōu)點。</p><p>　　對

39、于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。</p><p>　　在這次課程設計過程中，碰到的難題就是保護電路的設計。因為保護電路的種類較多，因此要選擇一個適合本課題的保護電路就比較難。后來經(jīng)老師，還有同學的幫助，選擇了一個較好的保護電路。</p><

40、p>　　這次的課程設計是我收獲最大的一次，雖然中途遇到了不少困難，但還是被我逐步解決了。每次做課程設計我都感覺比較棘手，因為它不單是要求你單純地完成一個題目，而是要求你對所學的知識都要弄懂，并且能將其貫穿起來，是綜合性比較強的，盡管如此，我還是迎難而上了，首先把設計任務搞清，不能盲目地去做，你連任務都不清楚從何做起呢，接下來就是找相關資料，我每天除了上圖書館就是在網(wǎng)上找資料，然后對資料進行整理，找資料說起來好像很簡單，但真正做起來

41、是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以這個過程中要花費一些時間做看似無用功的事，其實不盡然，這其中也拓展了你的知識面。</p><p>　　通過這次課程設計我對于文檔的編排格式有了一定的掌握，這對于以后的畢業(yè)設計及工作需要都有很大的幫助，在完成課程設計的同時我也在復習一遍電力電子這門課程，把以前一些沒弄懂的問題這次弄明白了一部分，當然沒有全部。</p><p><b>　

42、　參考文獻</b></p><p>　　[1]王兆安、黃俊,電力電子技術.北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[2]王維平,現(xiàn)代電力電子技術及應用.南京：東南大學出版社，1999 </p><p>　　[3]葉斌,電力電子應用技術及裝置.北京：鐵道出版社，1999</p><p>　　[4]馬建國,孟憲元.電子設計