電力電子課程設(shè)計(jì)---三相橋式電路整流器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次三相橋式電路整流器的設(shè)計(jì)采用的是三相全控橋整流電路，電路設(shè)計(jì)在帶阻感負(fù)載下完成。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括，三相橋式整流器主電路設(shè)計(jì)，晶閘管相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)，過電流和過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)三個(gè)部分，因而整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就大體從這三個(gè)電路部分來設(shè)計(jì)完成。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了對整體硬件電路

2、的設(shè)計(jì)，主要是電路圖的確定，還要對系統(tǒng)電路特性參數(shù)計(jì)算分析以及所用器件型號(hào)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定，包括晶閘管承受的峰值電壓和額定電流、負(fù)載兩端平均電壓、保護(hù)電路電阻電容值等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電力電子 晶閘管 三相橋式 觸發(fā)電路 整流電路</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)目的與要求1&

3、lt;/p><p><b>　　2 主電路設(shè)計(jì)1</b></p><p>　　2.1帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況2</p><p>　　2.2帶阻感負(fù)載時(shí)的工作情況3</p><p>　　3.3主電路參數(shù)選擇4</p><p>　　3 相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)5</p><p>　

4、　3.1觸發(fā)電路集成塊介紹5</p><p>　　3.2觸發(fā)電路總述7</p><p>　　4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.1過電壓保護(hù)8</p><p>　　4.2過電流保護(hù)9</p><p><b>　　設(shè)計(jì)心得體會(huì)12</b></p><p>

5、<b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p>　　三相橋式電路整流器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)目的與要求</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的目的主要是通過數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的實(shí)際訓(xùn)練，加深學(xué)生對《電力電子技術(shù)》這門課程基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的理解和掌握，尤其是加深對整流電路這一知識(shí)的掌握，培養(yǎng)

6、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)三相橋式電路整流器，包括主電路、觸發(fā)電路以及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，并根據(jù)已知條件計(jì)算電路其他參數(shù)，包括觸發(fā)角的選擇，輸出平均電壓，輸出平均電流，輸出波形分析，器件額定參數(shù)確定等。</p><p><b>　　2 主電路設(shè)計(jì)</b></p><p&

7、gt;　　大功率的直流電流用戶在大多數(shù)情況下都是從交流電網(wǎng)獲得的能量，因此，如何從三相交流電得到大功率的直流電就成為人們不得不解決的一個(gè)問題，三相整流電路就是在這個(gè)大背景下出現(xiàn)的。三相橋式整流電路是目前各種三相整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種整流電路，本次設(shè)計(jì)任務(wù)就是設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足性能要求的三相橋式整流電路，設(shè)計(jì)主電路圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 三相橋式整流器主電路圖</p><p&

8、gt;　　三相橋式整流電路最主要的組成部分是6個(gè)雙向可控晶閘管，其三個(gè)一組共分為兩組，其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）稱為共陰極組；而陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）稱為共陽極組；其編號(hào)為1、3、5，4、6、2，如圖1所示?，F(xiàn)將三相橋式整流電路的工作原理和本次設(shè)計(jì)主電路參數(shù)的選擇介紹如下。</p><p>　　2.1帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況</p><

9、p>　　首先從晶閘管觸發(fā)角為時(shí)開始討論，此時(shí)相當(dāng)于將電路中的晶閘管換作二極管。對于共陰極阻的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個(gè)導(dǎo)通；對于共陽極組的3個(gè)晶閘管，陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓，其工作波形如圖2所示。</p><p>　　圖2 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的波形</p

10、><p>　　時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)， 為相電壓的正包絡(luò)線，共陽極組導(dǎo)通時(shí)， 為相電壓的負(fù)包絡(luò)線， 是兩者的差值，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看， 為線電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓波形為線電壓的包絡(luò)線?，F(xiàn)將波形中的一個(gè)周期等分為6段，每段為，如圖2所示，6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。</p>&

11、lt;p>　　從以上分析可以總結(jié)出三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)：</p><p>　　1）每個(gè)時(shí)刻2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1個(gè)，且不能為同1相的晶閘管。</p><p>　　2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的順序，相位依次差。</p><p>　　共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差，共

12、陽極組VT4、VT6、VT2也依次差，同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差。</p><p>　　3）整流輸出電壓一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。</p><p>　　4）為了確保電路正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖，為此，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，另一種方法是雙脈沖觸發(fā)。</p>

13、;<p>　　5）當(dāng)觸發(fā)角改變時(shí)，電路的工作情況將發(fā)生改變，輸出波形同時(shí)也將改變。當(dāng)時(shí)，晶閘管起始導(dǎo)通角推遲了，組成的每一段線電壓因此推遲，平均值降低了。當(dāng)時(shí)，波形均連續(xù)，只是組成的每一段線電壓推遲了，對于電阻負(fù)載，波形和波形的形狀一樣，均連續(xù)。當(dāng)時(shí)，波形開始出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，組成的每一段線電壓導(dǎo)通角為，波形不能出現(xiàn)負(fù)值。而帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路角的移相范圍是，當(dāng)時(shí)，整流輸出電壓為零。</p><

14、;p>　　2.2帶阻感負(fù)載時(shí)的工作情況</p><p>　　當(dāng)時(shí)，波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。唯一的區(qū)別就是負(fù)載電流波形不同，阻感負(fù)載時(shí)由于電感的儲(chǔ)能作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大時(shí)，負(fù)載波形近似為一條水平線。</p><p>　　當(dāng)時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載

15、時(shí)波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的續(xù)流作用，波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。當(dāng)時(shí)，若電感L值足夠大，中正負(fù)面積將基本相等，平均值近似為零，如圖3所示。這表明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為。</p><p>　　圖3 三相橋式整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)的波形</p><p>　　3.3主電路參數(shù)選擇</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求和初始條件知，本

16、次三相橋式整流器的設(shè)計(jì)采用阻感負(fù)載，其中電阻，電感L極大，并且要求負(fù)載電流為1A，而變壓器二次側(cè)電壓,由此，可以確定設(shè)計(jì)電路器件的所需參數(shù)。</p><p>　　由于電路帶阻感負(fù)載，那么負(fù)載電流輸出平均值為</p><p>　　式中為整流輸出電壓平均值，已知、，于是可求得</p><p>　　又三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，整流輸出電壓的平均值為</p&g

17、t;<p>　　式中為晶閘管觸發(fā)角，前面由式已經(jīng)求得，于是可根據(jù)式求得為</p><p>　　根據(jù)三相橋式全控整流電路的工作特性可知，晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次側(cè)線電壓峰值，即</p><p>　　而晶閘管承受的最大正向電壓與晶閘管觸發(fā)控制角有關(guān)，即</p><p>　　于是根據(jù)式與式可求得、。</p><p>　　由

18、于電路中晶閘管每兩個(gè)一組輪流導(dǎo)通，于是可求得晶閘管電流的有效值為</p><p>　　由此可求出晶閘管的額定電流為</p><p>　　3 相控觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　為保證相控電路的正常工作，應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖，這就需要一個(gè)可靠的相控電路的驅(qū)動(dòng)電路來完成，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。同步信號(hào)為

19、鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為單窄脈沖，也可以為雙窄脈沖，以適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路，例如本次設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路。觸發(fā)電路一般可分為三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成與脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.1觸發(fā)電路集成塊介紹</p><p>　　由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，且操作方便，本次三相橋式整流電路的相控觸發(fā)電路采用集成電路來設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)

20、常用的集成芯片有KJ系列和KC系列，本次設(shè)計(jì)采用的是KJ004芯片，其電路原理圖如圖4所示，現(xiàn)將其介紹如下。</p><p>　　圖4 KJ004電路原理圖</p><p>　　KJ004 可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004 器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004 電路具有輸出負(fù)載能力大、

21、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。</p><p>　　電路工作原理： 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，電路原理如圖4所示。鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1的充電電流和電容C1的大??；V6及外接元件組成了移相環(huán)節(jié)，改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)了脈沖的相位；

22、在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度取決于充電時(shí)間常數(shù)R25C2的大小。由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 180°的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，只需要三個(gè)與主電路同相的同步電壓就行了。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導(dǎo)通角增大。KJ004 的同步電壓為任意值。</p><p><b>　　3.2觸發(fā)電路總述</b>

23、;</p><p>　　本次相控觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)采用3個(gè)KJ004集成塊、一個(gè)KJ041集成塊以及若干電阻、電容和電位器來組成，其電路圖如圖5所示，其中由KJ004和KJ041電路即可形成6路雙</p><p>　　脈沖，再通過6個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即形成了完整的觸發(fā)脈沖信號(hào)。而KJ041集成塊內(nèi)部實(shí)際是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。本次三相橋

24、式整流電路的觸發(fā)角，這可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的可變電阻器來獲得。</p><p>　　圖5 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p><b>　　4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在電力電子電路中，由于電路大都從電網(wǎng)吸收電能，而電網(wǎng)相對電路是不穩(wěn)定的，這就需要加入保護(hù)裝置對電路產(chǎn)生保護(hù)作用。因而，本次三相橋式整流器的電路設(shè)計(jì)也

25、離不開保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，包括過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)。</p><p><b>　　4.1過電壓保護(hù)</b></p><p>　　在電力電子電路中，各種電力電子開關(guān)器件對電壓都是非常敏感的，一旦電壓超過其極限耐壓，必然引起器件的擊穿，因而在電路中加入過壓保護(hù)是十分必要的。過電壓產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個(gè)方面。</p><p>　　1）雷擊、系統(tǒng)主電

26、源分合閘和高壓斷路器動(dòng)作引起的沖擊電壓，也稱浪涌電壓，其持續(xù)時(shí)間一般在幾微妙到幾毫秒。</p><p>　　2）變流裝置輸出側(cè)切斷大的感性負(fù)載或在大電流下切斷，引起輸出側(cè)的過電壓。</p><p>　　3）電力電子器件換相時(shí)，突變的電流因線路電感和電容的共同作用引起器件兩端過電壓。</p><p>　　過壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附

27、加電路，當(dāng)達(dá)到一定過壓值時(shí)，自動(dòng)開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓不會(huì)加在電力電子開關(guān)器件上，而保護(hù)了電力電子開關(guān)器件。針對不同性質(zhì)的過壓，應(yīng)該采用不同的過壓保護(hù)電路。本次三相橋式整流器的過壓保護(hù)采用目前常用的阻容保護(hù)和穩(wěn)壓元件保護(hù)兩種保護(hù)方法，過壓保護(hù)電路圖如圖6所示。</p><p>　　阻容保護(hù)電路的原理工作的是將電容并聯(lián)在電路中使電壓不能突變，從而有效抑制過壓，其

28、關(guān)鍵是選擇合適的電阻和電容。其中電阻、電容選擇計(jì)算公式為</p><p>　　式中S為變壓器每相平均計(jì)算容量，單位為VA；U2為變壓器二次側(cè)相電壓有效值，單位</p><p>　　為V；為變壓器的短路電壓百分值，10~1000KVA的變壓器其值為5~10；為變壓器勵(lì)磁電流百分值，10~1000KVA的變壓器其值為4~10。根據(jù)式和計(jì)算并適當(dāng)留出余地，可以得到、。</p>&l

29、t;p>　　穩(wěn)壓元件保護(hù)主要是利用壓敏電阻并聯(lián)在變流裝置進(jìn)線和出現(xiàn)端，利用其擊穿后電流大的特點(diǎn)消耗沖擊能量，電壓降低后，穩(wěn)壓元件自動(dòng)恢復(fù)高阻狀態(tài)。其中壓敏電阻的額定電壓確定方法為</p><p>　　由此可以確定壓敏電阻的額定電壓選取為，而由被保護(hù)的器件的耐壓值決定，這里選取500V。</p><p>　　圖6 過壓保護(hù)部分電路圖</p><p><b&

30、gt;　　4.2過電流保護(hù)</b></p><p>　　電力電子開關(guān)器件使用中產(chǎn)生過電流的原因多種多樣，過電流可以分為過載和短路兩種情況。引起電流過載的主要原因是負(fù)載過載及交流電源電壓過高、過低或缺相。開關(guān)器件一般允許過載時(shí)間較長（毫秒級(jí)），而短路過流允許時(shí)間較短（微妙級(jí)），引起短路過流的主要原因有以下幾個(gè)方面。</p><p>　　1）變流裝置中開關(guān)器件損壞、輸出端線間短路和

31、輸出端對地短路。</p><p>　　2）驅(qū)動(dòng)電路和控制系統(tǒng)故障引起的驅(qū)動(dòng)信號(hào)混亂，使變流裝置主電路橋臂直通短路。</p><p>　　3）過電壓引起的開關(guān)器件擊穿造成的電路內(nèi)部短路。</p><p>　　無論何種原因引起的過電流，如果沒有合適的保護(hù)措施都將造成開關(guān)器件的損壞，更嚴(yán)重的甚至燒毀整個(gè)電路。因而，在電力電子電路中，安全可靠的過流保護(hù)裝置將是電路安全運(yùn)行的

32、保障。</p><p>　　由于電力電子開關(guān)器件體積小，熱容量小，過電流能力通常較差，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)，器件損耗增大使結(jié)溫迅速升高，因此過電流的保護(hù)應(yīng)從熱保護(hù)和電保護(hù)兩方面考慮。開關(guān)器件的過熱保護(hù)通?？梢岳脺囟葌鞲衅鳈z測器件外殼溫度，當(dāng)過溫時(shí)封鎖器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)或使主電路跳閘來實(shí)現(xiàn)。這種方法適用于過載水平較低的長期過流情況，對短路過流幾乎沒有作用。最快速直接的保護(hù)方法是電保護(hù)，通過檢測過流信號(hào)直接封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖或使主電

33、路跳閘，這種保護(hù)方法反應(yīng)時(shí)間最短，尤其適用于工作速度較高的開關(guān)器件。</p><p>　　圖7 過電流保護(hù)部分電路圖</p><p>　　根據(jù)本次三相橋式整流器設(shè)計(jì)的實(shí)際情況來考慮，本次電路設(shè)計(jì)過電流保護(hù)采用了常用的快速熔斷器保護(hù)法和繼電器保護(hù)法，如圖7所示。</p><p>　　電路中的繼電器保護(hù)實(shí)際上是一種過電流繼電器，其工作原理是通過檢測電路中的電流信號(hào)，當(dāng)電

34、流超過繼電器的動(dòng)作電流時(shí)動(dòng)作，從而切斷電路的一種保護(hù)裝置。本次電路中的KA即為過電流繼電器，如圖7所示，其中包括繼電器線圈和動(dòng)作開關(guān)。由于本次設(shè)計(jì)中負(fù)載電流為1A，根據(jù)過流保護(hù)原則并選取適當(dāng)裕度，選取繼電器動(dòng)作電流為1.2A。而繼電器動(dòng)作時(shí)間原則上越短越好，但太短動(dòng)作時(shí)間較難實(shí)現(xiàn)且成本較高，綜合多方面因素，在這里選取動(dòng)作時(shí)間為100ms~200ms的過電流繼電器。</p><p>　　由于過電流繼電器動(dòng)作有一定的

35、延遲性，為了提高電路的安全系數(shù)，這里設(shè)計(jì)需另加入一種更安全可靠的保護(hù)裝置，即快速熔斷器保護(hù)?？焖偃蹟嗥魇欠乐棺儞Q器過流損壞的最后一道防線，在晶閘管變換器中，其是應(yīng)用最為廣泛、安全系數(shù)較高的一種保護(hù)措施。而快速熔斷器熔斷電流的選取主要根據(jù)晶閘管的額定電流來選取，其值不能超過晶閘管的額定電流值。在前面主電路的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算中已經(jīng)得到晶閘管額定電流為,因而熔斷器的熔斷電流不得大于這個(gè)值，在這里選取快速熔斷器熔體額定電流。</p>

36、<p><b>　　設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　通過本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我更深入的掌握了在《電力電子技術(shù)》理論課上學(xué)習(xí)到的各種基本控制理論，同時(shí)學(xué)習(xí)了很多課堂上沒有涉及的知識(shí)，同時(shí)鍛煉了我多方面的能力，以下是我本次設(shè)計(jì)的具體體會(huì)。</p><p>　　（1）、通過理論聯(lián)系實(shí)際的真實(shí)設(shè)計(jì)，我更加深入的了解了各種整流電路的工作原理，尤其是三相

37、橋式整流電路，掌握了三相橋式整流電路帶不同性質(zhì)負(fù)載的基本工作特性。</p><p>　　（2）、通過本次電路的保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，我對電力電子器件的保護(hù)有了更深入的了解和學(xué)習(xí)，初步掌握了幾種基本的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)根據(jù)不同的電路來選擇合適的過電壓和過電流保護(hù)裝置，并根據(jù)電路實(shí)際情況選擇合適參數(shù)。</p><p>　?。?）、我還通過本次設(shè)計(jì)鍛煉了我獨(dú)立思考和動(dòng)手解決電力電子電路實(shí)際問題的能

38、力。面對一個(gè)新問題，該如何去思考，如何去分析，如何把思考分析的結(jié)果付諸于實(shí)際操作設(shè)計(jì)，這些都是我在本次電力電子技術(shù)課設(shè)設(shè)計(jì)中所收獲的。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張潤和編著電力電子技術(shù)及應(yīng)用.北京:北京大學(xué)出版社,2008</p><p>　　[2] 栗書賢編著,電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn).北京:機(jī)械工業(yè)出