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武漢理工大學電力電子技術(shù)課程設計說明書目錄 摘要11 設計任務及要求21.1設計任務21.2 設計要求指標22 三相橋式半控整流電路主電路設計32.1主電路設計42.2 觸發(fā)電路設計62.3整流變壓器的設計72.4 平波電抗器的參數(shù)及選擇102.5晶閘管電路參數(shù)分析122.5.1 晶閘管電壓定額的確定122.5.2 晶閘管電流定額的確定132.6晶閘管過電壓、過電流保護電路的設計132.6.1 晶閘管過電壓保護電路的設計132.6.2晶閘管過電流保護電路的設計15結(jié)束語16參考文獻17附錄18電路設計圖18摘要整流電路是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最為重要，也是應用得最為廣泛的電路，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。不僅應用于一般工業(yè)領域，也廣泛應用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領域。整流電路可從各種角度進行分類，主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控，半控，全控三種；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路等。實際上，為了對每個導電回路進行控制，只需一個晶閘管就可以了，另一個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。對三相橋式半控整流電路的相關(guān)參數(shù)和不同性質(zhì)負載的工作情況進行對比分析與研究具有一定的現(xiàn)實意義，這不僅是電力電子電路理論學習的重要一環(huán)。三相橋式整流電路里，在任何瞬間，只要控制晶閘管的導通，相串聯(lián)的另一個器件是一個不可控二極管，所以稱為半控整流電路。關(guān)鍵詞：整流電路 三相 橋式 半控三相橋式半控整流電路1 設計任務及要求1.1 設計任務設計一三相橋式半控整流電路，直流電動機負載，電機技術(shù)數(shù)據(jù)如下：允許過載倍數(shù)；電樞回路總電阻：1.2 設計要求指標1.方案設計2.完成主電路的原理分析，各主要元器件的選擇3.觸發(fā)電路、保護電路的設計4.繪制主電路及觸發(fā)電路（采用分立元件）電氣原理圖5.撰寫設計說明書2 三相橋式半控整流電路主電路設計根據(jù)設計要求可以畫出系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖晶閘管可控整流裝置帶電動機負載組成的系統(tǒng)，習慣上稱為晶閘管直流電動機系統(tǒng)，是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。這里用到的控制電路為三相橋式半控。整流電路直流電壓的平衡方程為： (式2.1)式中，為電路總的阻抗，它包括變壓器等效電阻、電樞電阻以及重疊角引起的阻抗。由于電流斷續(xù)對電動機負載是很不利的，因此需要串聯(lián)一平波電抗器來保證電流連續(xù)。當電流連續(xù)時，電動機轉(zhuǎn)速與電流的關(guān)系如下式所示。 (式2.2)由于三相半控橋式整流電路中， (式2.3)所以 (式2.4)式中，為晶閘管正向壓降，一般為1V左右； 為電動機在額定磁通下的電動機轉(zhuǎn)速比； 為電路總的阻抗；根據(jù)題目所給的數(shù)據(jù)我們可以求得： (式2.5)2.1主電路設計三相橋式半控整流電路由共陰極接法的三相半波可控整流電路與共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)而成，因此，這種電路兼有可控和不可控的特性。共陽極組3個整流二極管總是在自然換相點換流，使電流換到比陰極電位更低的一相；而共陰極組3個晶閘管則要在觸發(fā)后才能換到陽極電位高的一個。輸出整流電壓Ud的波形是三組整流電壓波形之和，改變共陰極組晶閘管的控制角理，可獲得02.34U2(變壓器二次側(cè)電壓)的直流電壓。圖2-2中VT1、VT3和VT5為觸發(fā)脈沖相位互差120o的晶閘管，VD2、VD4和VD6為整流二極管，由這6個管子組成三相橋式半控整流電路。它們的導通順序依次為：VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6。假定負載電感L足夠大，可以認為負載電流在整個穩(wěn)態(tài)工作過程中保持恒值，因此不論控制角為何值，負載電流如總是單向流動，而且變化很小。一個周期中參與導通的管子及輸出整流電壓的情況如下:表2-1導通的晶閘管及整流輸出電壓時段共陰極組導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組導通的晶閘管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流輸出電壓Udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb以下分析帶電阻負載的情況：晶閘管觸發(fā)角時，對于共陰極組所接的3個晶閘管，陽極所接交流電壓最高的1個導通；同理，對于共陽極組陰極所接交流電壓最低的1個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中總是各有1個管子處于導通狀態(tài)，負載電壓為某個線電壓。圖2-2中各個管子均在自然換相點處換相，從輸入電壓與負載線電壓的對照來看，自然換相點既是各線電壓的交點，又是各相電壓的交點。從線電壓波形可以看出由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最大的相電壓，而共陽極組中對應的是最小的相電壓，所以輸出電壓對應為2個相電壓相減，是線電壓中最大的1個，因此，輸出直流電壓波形為線電壓在正半周的包絡線。只要共陰極組中有晶閘管導通，共陽極組中就會有二極管續(xù)流。當時，波形均連續(xù)，對于電阻負載，波形與波形形狀一樣也是連續(xù)的，時，波形每中有一段為零，但波形不會出現(xiàn)負值。帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是。 圖2-2 三相半控整流電路原理圖根據(jù)上述分析，可求出輸出負載電壓平均值為：時 (式2.1.1)角的移相范圍為。輸出電流的平均值為 (式2.1.2)時， (式2.1.3)角的移相范圍為。輸出電流的平均值為 (式2.1.4)2.2 觸發(fā)電路設計觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管開關(guān)可靠導通（門極電流應大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度，不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。我們將實現(xiàn)對相控電路相位控制的電路總稱為觸發(fā)電路。大、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多?？煽啃愿?，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。這里設計的觸發(fā)電路采用鋸齒波同步觸發(fā)電路，這種電路輸出為雙窄脈沖（也可輸出單窄脈沖），它適用于對觸發(fā)電路要求較高的晶閘管整流電路，比如全控橋式整流電路。鋸齒波同步觸發(fā)電路如圖2-3所示。鋸齒波電路脈沖形成過程如下：脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管組成，起脈沖放大作用。控制電壓加在基極上，電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在集電極電路上。當控制電壓時，管截止。電源通過供給一個足夠大的基極電流，使飽和導通，所以的集電極電壓接近于。處于截止狀態(tài)，無脈沖輸出。另外，電源的經(jīng)、發(fā)射結(jié)到，對電容充電，充滿后電容兩端電壓接近，極性如圖2-3所示。當控制電壓時，管導通，A點電位由迅速降低至1.0V左右，由于電容兩端電壓不能突變，所以的基極電壓迅速降至約，由于發(fā)射結(jié)反偏置，立即截止。它的集電極電壓由迅速上升到+3.1V（三個PN結(jié)正向壓降之和），于是導通，輸出觸發(fā)脈沖。同時，電容經(jīng)電源放電和反向充電，使基極電位又逐漸上升，直到，又重新導通。這時又立即降到，使截止，輸出脈沖終止。可見，脈沖前沿由導通時刻確定，或截止持續(xù)時間即為脈沖寬度。所以脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)有關(guān)。圖2-3 晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路波形如圖2-4所示。圖2-4 晶閘管鋸齒波同步觸發(fā)電路波形2.3整流變壓器的設計由所學電力電子技術(shù)實驗所知，很多情況下晶閘管整流裝置所要求的交流電電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時，為了減小電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，限止高次攜波電流流入電網(wǎng)，還要使整流器主電路與電網(wǎng)隔離，所以需要配置合適的整流變壓器。整流變壓器額定參數(shù)的計算，主要根據(jù)主電路的形式，負載的大小，輸出直流電壓和負載電流，求出整流變壓器的二次繞組相電壓、二次繞組電流和容量，然后求出一次側(cè)電流和容量。理論中的整流電路中的整流器件均為假定的理想元件，如果要求高精度的整流裝置，則要比較精確地計算二次相電壓，此時必須考慮元件的管壓降、電網(wǎng)電壓的波動、變壓器的漏抗電壓以及最小控制角等方面的因素。考慮了以上因素后，變壓器二次計算公式為 （式2.3.1）式中： -整流電路輸出的最大電壓； -電流通過的整流元件數(shù)；-晶閘管的正向?qū)▔航担?理想情況下a=0時整流電壓與變壓器二次側(cè)電壓之比，見表2-2；-電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，一般取0.9；-最小控制角；-線路接線方式系數(shù)，見表2-2；-變壓器短路電壓之比（標么值），100KVA以下取0.05，100KVA以上取0.050.1，容量越大，也越大； -變壓器二次側(cè)實際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比表2-2 幾種常用形式整流電路的變壓器電壓計算系數(shù)整流電路的形式AC單相全波0.90.707單相橋式0.90.707三相半波1.170.866三相橋式2.340.5在本次設計參數(shù)計算中，為了便于計算方便，我們按理想變壓器來計算的值，即。根據(jù)整流電路的不同形式與負載性質(zhì)，可計算變壓器一次與二次電流的有效值。如不計變壓器勵磁電流，則根據(jù)磁勢平衡原理可知變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電流的關(guān)系為 （式2.3.2） （式2.3.3）式中：、-變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組的匝數(shù)；-變壓器的匝數(shù)比， 。 對于普通電力變壓器，一次、二次繞組流過的是有效值相等的正弦電流，但是對于整流變壓器，通常一次、二次繞組流過的是非正弦電流。下面一三相橋式整流電路為例進行分析。大電感負載時，變壓器二次側(cè)電流的波形圖如圖2-5所示，這種波形為正負對稱的矩形波，可分解成基波與各次諧波。由于沒有直流分量，因此它們都可以通過變壓器的磁耦合反映到一次繞組中去。所以，和電流波形相似，其有效值為： （式2.3.4）其中 （式2.3.5）二次側(cè)電壓以理想情況計算為 （式2.3.6）所以，變壓器二次側(cè)容量為 （式2.3.7）變壓器一次測電流為 （式2.3.8）變壓器一次側(cè)容量為 （式2.3.8）可見，當變壓器二次側(cè)電流無直流分量時，二次側(cè)容量等于一次側(cè)容量。對于三相半控橋式整流電路來說，圖2-5 三相半控整流橋的變壓器的一次繞組和二次繞組的電流波形圖2.4 平波電抗器的參數(shù)及選擇負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機的機械特性將很軟。導通角越小，則電流波形的底部就越窄。電流平均值是與電流波形的面積成比例的，因而為了增大電流平均值，必須增大電流峰值，這要求較多的降低反電動勢。因此，當電流斷續(xù)時，隨著的增大，轉(zhuǎn)速（與反電動勢成比例）降落較大，機械特性較軟，相當于整流電源的內(nèi)阻增大。一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導通的時間。有了電感，當小于時甚至值為負時，晶閘管仍可導通。因此，帶反電動機電動勢負載時，要在直流輸出側(cè)串聯(lián)一個大電感，平穩(wěn)負載電流的脈動，保證整流電流連續(xù)1.維持輸出電流連續(xù)時，電抗器電感值的計算 （式2.4.1）考慮不同電路時臨界電感的計算系數(shù)表2-3 平波電抗器計算系數(shù)電路名稱臨界電感計算系數(shù)最大脈動時值最大脈動輸出最低頻率整流變壓器漏感計算系數(shù)單相全控橋2.87901.21003.18三相半波1.46900.881506.75三相全控橋0.693900.463003.9帶平衡電抗器雙反星0.348900.46300112.限制輸出電流脈動時電抗器電感值的計算直流電機的電感值按下式計算 （式2.4.2）式中直流電機的額定電壓、額定轉(zhuǎn)速和額定電流電機磁極對數(shù)計算系數(shù)，一般無補償電機，快速無補償電機變壓器的漏感用下式計算 （式2.4.3）在本設計中我們只要求維持輸出電壓連續(xù)，所以 （式2.4.4）電抗器要選的值應比大，故選的電感作為平波電抗器。2.5晶閘管電路參數(shù)分析2.5.1 晶閘管電壓定額的確定通常取晶閘管的（斷態(tài)重復峰值電壓）和（反復重復峰值電壓）中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即： （式2.5.1） （式2.5.2）2.5.2 晶閘管電流定額的確定晶閘管允許通過的額定電流有效值大于實際流過晶閘管電流最大有效值，即： （式2.5.3）其中，為通態(tài)平均電流本設計采用晶閘管三相全控橋整流電路，根據(jù)設計要求可得： （式2.5.4）由此可以的出： （式2.5.5） （式2.5.6）2.6晶閘管過電壓、過電流保護電路的設計在電力電子電路中，電力電子器件由于承受電壓、電流過大，或變化過快，就會使電力電子器件燒壞，從而使整個電路不能正常工作，因此設計過電壓、過電流保護電路來保證電力電子器件的正常工作是非常有必要的。下面就過電壓保護電路、過電流保護電路的設計分別予以討論分析。2.6.1 晶閘管過電壓保護電路的設計晶閘管電路中可能發(fā)生的過電壓可分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。內(nèi)因過電壓主要來自晶閘管內(nèi)部的開關(guān)過程。包括換相過電壓和關(guān)斷過電壓。圖2-6中示出了各種過電壓保護措施及其配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。圖2-6 過電壓抑制措施及配置位置F避雷器 D變壓器靜電屏蔽層 C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器 RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè) RC抑制電路 RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路晶閘管電路過電壓保護主要防止內(nèi)因過電壓，一般情況下，外因過電壓出現(xiàn)的幾率比較小，這里主要分析內(nèi)因過電壓的電路設計。晶閘管內(nèi)因過電壓保護電路如圖2-7所示。圖2-7 晶閘管過電壓保護電路這種保護電路能有效的抑制內(nèi)因過電壓，從而保護晶閘管不受損壞。這種電路一般和di/dt抑制電路串聯(lián)使用，從而更好的保護晶閘管，如圖2-8所示。圖2-8 晶閘管過電壓、di/dt抑制保護電路如圖2-8所示，V開通時刻緩沖電容先通過向V放電，使電流先上一個臺階，以后因為有抑制電路的，的上升速度減慢。、是在V關(guān)斷時刻為中的磁場能量提供放電回路設置的。在V關(guān)斷時，負載電流通過向分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。 2.6.2晶閘管過電流保護電路的設計晶閘管電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。圖2-9給出了各種過電流保護措施及其配置位置。圖2-9 過電流保護措施及配置位置其中采用快速熔斷器、直流快速斷路器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。從圖2-10可以看出，晶閘管的過電流保護采用快速熔斷器進行保護，因為快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。如圖2-9 所示?？焖偃蹟嗥髋c晶閘管直接串聯(lián)。圖2-10 晶閘管過電流保護電路 結(jié)束語電力電子技術(shù)既是一門技術(shù)基礎課程，也是實用性很強的一門課程，且具有很強的實踐性，因此在教學中占據(jù)著十分重要的地位，所以這次的電力電子技術(shù)課程設計就顯得十分重要與需要。這是一次鍛煉自己設計電路的一次很好的機會，會使大家很好的鍛煉動手和動腦的能力。一開始看到題目的時候，以為很簡單，覺得無非是課本上的知識，按照課本上的電路圖來設計計算就可以了，可真正開始進行設計時便遇見了困難。翻遍了課本，也