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洛陽理工學院電力電子課程設(shè)計 洛陽理工學院 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 一、三相晶閘管全控整流電路原理說明 11主電路原理說明晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號如圖示，晶閘管的導通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。帶電阻負載時的工作情況晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況：此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖所示。=0o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(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。 從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。將波形中的一個周期等分為6段，每段為60度，如圖2-18所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示。由該表可見，6個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 時 段 1 2 3 4 5 6共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb由圖得：6個晶閘管的脈沖按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組和陽極組依次差120o；同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180o。 整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。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。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，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。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大， 繞組匝數(shù)較多，導致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯(lián)使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。0o時晶閘管承受的電壓波形如圖所示。 圖中還給出了晶閘管VT1流過電流 iVT 的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120o處于通態(tài)，240o處于斷態(tài)，由于負載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時的電流波形與相應(yīng)時段的ud波形相同。 當觸發(fā)角改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。當=30o時。從t1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30o,組成 ud 的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負值。 當=60o時，電路工作情況仍可參考上圖分析，ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。60o時ud出現(xiàn)了為零的點。 由以上分析可見，當60o時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。 當60o時，如90o時電阻負載情況下，此時ud波形每60o中有30o為零，這是因為電阻負載時 id 波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負值。 如果繼續(xù)增大至120o，整流輸出電壓ud波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120o。 阻感負載工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，對于帶反電動勢阻感負載的情況，只需在阻感負載的基礎(chǔ)上掌握其特點，即可把握其工作情況。 當60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流 id 波形不同，電阻負載時 id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖6為電路帶阻感負載=0o的波形。 圖6中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流 iVT1 的波形，可與圖2帶電阻負載時的情況進行比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 當60o時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90o。 定量分析在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出的波形在一周期內(nèi)脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載60o時）的平均值為 電阻負載且60o時，整流電壓平均值為 輸出電流平均值為Id = Ud/R。 當整流變壓器為圖1中所示采用星形聯(lián)結(jié)，帶阻感負載時，變壓器二次側(cè)電流波形如圖7中所示，為正負半周各寬120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值為 晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。 晶閘管的參數(shù)：（1）電壓額定：晶閘管在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓Utn=U2考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時所承受峰值電壓的23倍。即 U額=(23)Utn 。 根據(jù)要求，輸出功率為2kw，負載電阻為20歐姆，理想變壓器二次側(cè)電壓U2=200，所以晶閘管的額定電壓U額=(23)U2=(23)200.（2）電流額定：通態(tài)平均電流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考慮安全裕量，應(yīng)選用的通態(tài)平均電流為計算的（1.52）倍。計算得IVT(AV)=7.36A.（3）對于晶閘管我們選用可關(guān)斷晶閘管CTO。它是具有門極正信號觸發(fā)導通和門極負信號關(guān)斷的全控型電力電子器件。她既具有普通晶閘管耐壓高、電流大的特點，同時又具有GTR可關(guān)斷的優(yōu)點。（4）總上述，我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。正向阻斷電壓:10001500,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.52.5正向觸發(fā)電流：200800MA，反向關(guān)斷電流：610A，開通時間：6us,m關(guān)斷時間:10us,工作頻率：500V/us,允許di/dt100A/us,正管壓降24V關(guān)斷增益：5.整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。我們假設(shè)變壓器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。二三相晶閘管全控整流電路的保護電路2.1電路的保護措施主電路的過電壓保護抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。電路圖如下晶閘管的過電壓保護晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護，電路圖如圖晶閘管的過電流保護 常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關(guān)過電流保護。 快速熔斷器保護是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開關(guān)時間長（只有在短路電流不大時才有用；直流快速開關(guān)過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。 因此，最佳方案是用快速熔斷器保護。如圖 三觸發(fā)電路與主電路的同步所謂的同步，就是要求觸發(fā)脈沖和加于晶閘管的電源電壓之間必須保持頻率一致和相位固定。為實現(xiàn)這個，利用一個同步變壓器，將其一側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，其二次側(cè)提供同步電 壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終保持一致的。再是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)電路相位正確。四參數(shù)選擇我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。正向阻斷電壓:10001500,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.52.5正向觸發(fā)電流：200800MA，反向關(guān)斷電流：610A，開通時間：6us,m關(guān)斷時間:10us,工作頻率：500V/us,允許di/dt100A/us,正管壓降24V關(guān)斷增益：5.整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。我們假設(shè)變壓器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按下表所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.11.5倍。晶閘管額定電流IT(AV)/A1000 500 200 100 50 20 10電容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1電阻R/歐姆2510204080100由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。 對于主電路的保護，電容C=6I0%S/U2/U2,電阻R2.3 U2* U2 對于晶閘管的過電流保護，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮