三相半控橋式整流電路

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設 計 說 明 書 （論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學電力電子技術課程設計（論文）題目：220V100A三相半控橋式整流電路院（系）： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間：2014.06.09-2014.06.22本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計題目220V100A三相半控橋式整流電路課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能直流電動機具有良好的啟動性能和調速性能，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應用，本次設計的目的是為1臺額定電壓110V、功率為20kW的直流電動機提供直流可

2、調電源，以實現(xiàn)直流電動機的無級調速。設計任務與要求1、對設計方案進行經(jīng)濟技術論證。2、完成整流主電路設計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。5、確定平波電抗器的參數(shù)。6、觸發(fā)電路設計或選擇。7、繪制相關電路圖。8、在實驗室進行模擬驗證或matlab仿真。9、完成4000字左右的設計說明書。技術參數(shù)1、交流電源：三相380V。2、整流輸出電壓Ud在0220V連續(xù)可調。3、整流輸出電流最大值100A。4、最小控制角取20300左右。5、直流電動機額定電壓110V、功率為20kW。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電

3、路設計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設計；第9天：總結并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 院（系）： 教研室：電氣教研室 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要電力電子學在工程應用中稱為電力電子技術。電力電子學是應用于電力技術領域中的電子學，它以利用大功率電子器件對能量進行控制和變換為主要內容，是一門與電子、控制和電力緊密聯(lián)系的邊緣學科。隨著電力電子器件及應用技術的不斷發(fā)展，特別是大功率晶閘管元件的出現(xiàn)和成功應用，為交、直流電力

4、變換帶來了新的應用前景?，F(xiàn)在廣泛應用的大功率施動系統(tǒng)(如大型礦井提升機、大型軋機和直流輸電等)都是現(xiàn)代電力電子器件成功應用的范例。由于電力電子裝置便于控制。為其應用帶來了方便。 本文提出了三相半控橋整流電路基本設計思想，詳細論述了三相全控橋整流電路的工作原理，較精確地計算了整流變壓器的參數(shù)，確定晶閘管的定額，分別對晶閘管、直流側、交流側設計過電壓、過電流保護，采用集成觸發(fā)電路提供同步鋸齒波信號脈沖，實現(xiàn)了三相半控橋變流器帶電機負載運行，完成了整個設計。關鍵字：三相橋式半控整流 集成觸發(fā) 電路保護 參數(shù)計算 元件選擇III目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術的概況11.2本文設計內容1第2章

5、 三相橋式半控整流電路設計22.1 三相橋式半控整流電路總體設計方案22.2 主電路設計32.2.1 三相半控橋的工作原理32.2.2 工作原理及工作波形42.2.3 分析結果52.3 參數(shù)計算62.3.1 變壓器參數(shù)計算62.3.2 晶閘管的額定參數(shù)82.3.3 平波電抗器的電參數(shù)9第3章 觸發(fā)電路的設計93.1 集成觸發(fā)電路103.2 KJ004的工作原理103.3 集成觸發(fā)電路圖11第4章 保護電路的設計134.1 晶閘管的保護電路134.2 交流側阻容保護144.3 直流側阻容保護154.4 帶保護電路的主電路圖154.5 總電路圖16第5章 課程設計總結17參考文獻18第1章 緒論1

6、.1 電力電子技術的概況電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。通常所用的電力有交流和直流兩種。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。工業(yè)中大量應用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調速性能，為其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置。1.2本文設計內容220V100A三相半控橋式整流電路直流電動機具有良好的啟動性能和調

7、速性能，在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應用，本次設計的目的是為1臺額定電壓110V、功率為20kW的直流電動機提供直流可調電源，以實現(xiàn)直流電動機的無級調速。1、對設計方案進行經(jīng)濟技術論證。2、完成整流主電路設計。3、通過計算選擇整流器件的具體型號。4、若采用整流變壓器，確定變壓器變比及容量。5、確定平波電抗器的參數(shù)。6、觸發(fā)電路設計或選擇。7、繪制相關電路圖。8、在實驗室進行模擬驗證或matlab仿真。 第2章 三相橋式半控整流電路設計2.1 三相橋式半控整流電路總體設計方案三相橋式半控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行

8、。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分。保護電路采用RC過電壓抑制電路進行過電壓保護，利用快速熔斷器進行過電流保護。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個同步變壓器對觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相半控橋將交流整流成直流，帶動直流電動機運轉，工作在電動狀態(tài)。 設計框圖如圖2.1所示。整個設計主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護電路三個部分。其中，由于保護電路分幾個部分，在框圖中沒有表明。當接通電源時，三相橋式半控整流電路主電路通電，同時通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導通工作，經(jīng)過整流

9、后的直流電通給直流電動機，使之工作。同步電路三相橋式半控整流電路直流電動機電源集成觸發(fā)器觸發(fā)信號圖2.1 三相橋式半控整流電路2.2 主電路設計當整流負載容量較大（如直流電動機），或要求直流電壓脈動較小時，應采用三相整流電路，交流測由三相電源供電。這個設計中，采用三相橋式半控整流電路。主電路采用晶閘管構成的三相半控橋，將三相橋式全控整流電路中的一組晶閘管用三只二極管代替，就構成了三相橋式半控整流電路。只要控制三相橋中一組晶閘管，就可控制三相橋式半控整流電路的輸出電壓，所以它的控制較全控橋簡單、經(jīng)濟，在中等容量或不要求可逆運行的電力拖動裝置中經(jīng)常使用。同時要考慮晶閘管的過電壓與過電流保護。 2.

10、2.1 三相半控橋的工作原理 如圖2.2所示，為三相半控橋帶阻感負載，根據(jù)要求要考慮電動機的電樞電感與電樞電阻，故為阻感負載。其電路工作特點是共陰極組晶閘管必須觸發(fā)才能換流，而共陽極組二極管總是在自然換相點換流。所以，一周期中仍然換流六次，三次為自然換流，其余三次為觸發(fā)換流，。變壓器為型接法。變壓器二次側接成星形得到零線，而一次側接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。圖2.2 三相半控橋式整流電路帶阻感負載 2.2.2 工作原理及工作波形三相橋式半控整流電路在感性負載情況下，當晶閘管在承受正向電壓時觸發(fā)導通，整流二極管承受正向電壓自然導通；當線電壓過零變負時，由于電感的存在，使晶閘管承受正向電壓繼續(xù)

11、導通，與單相橋式半控整流電路相似，形成同相晶閘管與二極管同時導通自然換流，所以輸出電壓Ud形中不會出現(xiàn)負波形。當時，三相橋式半控整流電路的工作情況與三相橋式全控電路完全相同。當時，其工作波形如下圖2.3所示，時刻觸發(fā)晶閘管T1導通，此時共陽極組二極管D6陰極電位最低，所以T1、D6導通，負載電壓。 時刻共陽極組二極管自然換流，D2導通，D6關斷，負載電壓 。 時刻，雖然到了共陰極組自然換相點，但T3觸發(fā)脈沖未到，所以T1繼續(xù)導通，直到 時刻為止。 時刻觸發(fā)T3導通，T1關斷，負載電壓 ，以此類推。負載上得到的電壓波形Ud 一個周期內仍有6個波頭，但6 個波頭形狀不同。當時，波形總是連續(xù)的；當時

12、，Ud 的波形中就只剩下3個波頭，所以是整流電壓波形連續(xù)與斷續(xù)的臨界點。圖2.4 為時的工作波形，此時電壓波形已不再連續(xù)， 時刻觸發(fā)晶閘管T1導通時，共陽極組二極管D2陰極電位最低，所以T1、D2導通，負載電壓 。 時刻雖然 ，但 仍大于零，T1管繼續(xù)導通，直到 時刻時T1關斷。期間，雖然T3承受正向電壓但無觸發(fā)不導通。 時刻觸發(fā)T3 ，二極管D4陰極電位最低而導通，直到為止。重復以上過程圖2.3 三相半控橋式整流電路 圖2.4 三相半控橋式整流 時的波形 時的波形由圖2.4 波形可見，隨著觸發(fā)角增大，晶閘管導通角度減小，輸出整流電壓 減小。因為三相橋式整流電路是對線電壓的整流，工作電壓為線電

13、壓，不是相電壓，所以判斷一個晶閘管能否被觸發(fā)導通是根據(jù)其線電壓是否過零來判斷。例如時，T1 加觸發(fā)脈沖，雖然此時a相電壓，但因為，所以T1、D2仍然能夠導通，輸出電壓 。到時，T1的觸發(fā)脈沖發(fā)出時，則晶閘管T1不可能導通，。所以，三相橋式半控整流電路帶阻感性負載時移相范圍為180°。2.2.3 分析結果由以上分析可看出三相橋式半控整流電路的特點有如下幾點：(1) 任何時候共陰、共陽極組各有一只元件同時導通才能形成電流通路。(2) 共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5，按相序依次觸發(fā)導通，相位相差120º，共陽極組二極管VD2、VD4、VD6，相位相差120º，同一

14、相的晶閘管或二極管相位相差180º。每個晶閘管或二極管導通角120º；(3) 輸出電壓ud由六段線電壓組成，每周期脈動六次，脈動頻率為300HZ。(4) 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，它只與晶閘管導通情況有關，其波形由3段組成：一段為零(忽略導通時的壓降)，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。(5) 變壓器二次繞組流過正負兩個方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的利用率。(6) 對觸發(fā)脈沖寬度的要求：整流橋開始工作時以及電流中斷后，要使電路正常工作，需保證應同時導通的2個晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖

15、的寬度大于60º(一般為80º100º)，另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個晶閘管時，向小一個序號的晶閘管補發(fā)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以多采用雙窄脈沖觸發(fā)。阻感性負載60º時的ud波形連續(xù)，60º時ud波形斷續(xù)。=120º時，輸出電壓為零Ud=0，因此三相半控橋式整流電路阻感性負載移相范圍為0º120º?？梢钥闯觯чl管元件兩端承受的最大正反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值 （1）2.3 參數(shù)計算2.3.1 變壓器參數(shù)計算 (1) 變壓器次級相電壓的分析計算整流器主電路有多種接線形式，本例

16、中為型接法。在理想情況下，輸出直流電壓與變壓器次級相電壓有以下關系： (2)其中為與主電路接線形式有關的常數(shù)；為以控制角為變量的函數(shù)。在實際運行中，整流器輸出的平均電壓還受其它因素的影響，主要為：電網(wǎng)電壓的波動。一般的電力系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓的波動允許范圍在，令為電壓波動系數(shù)，則的變化范圍為。通常取電源電壓為最低值時恰好滿足負載要求，并作為選擇的依據(jù)，設計中常取。 整流元件（晶閘管）的正向壓降。在前面對整流電路的分析中，沒有考慮整流元件的正向壓降對輸出電壓的影響。實際上整流元件（晶閘管）為非線性元件，導通時兩端的門檻電壓（一般為）使輸出平均電壓下降。若整流回路中串聯(lián)整流元件數(shù)為，產(chǎn)生電壓降為。直流回

17、路的雜散電阻。滯留回路中，接線端子、引線、熔斷器、電抗器等都具有電阻，統(tǒng)稱雜散電阻。設備工作時會產(chǎn)生附加電壓降，記為。在額定工作條件下，一般取額定電壓的。交流電源系統(tǒng)電抗引起的換相過程電壓損失。在計算中，可用整流變壓器漏抗近似表示電源系統(tǒng)的電抗。對三相橋式電路而言， (3)考慮上述所有因素，整流電路的直流輸出電壓應為 (4)將有關各量代入并整理后可得次級相電壓有效值的計算公式為 (5) 當不需要精確計算時，可以簡化為 由波形圖3，圖4也可以得出：當電壓波形連續(xù)時( )有 （6） 當電壓波形斷續(xù)時（） （7）綜合（8）和（9）可以得 （8）由要求得，代入數(shù)據(jù)可得故可取 (2) 變壓器次級相電流有

18、效值的計算變壓器次級相電流有效值與其直流負載電流的關系為 (9)式中，為次級電流變換系數(shù)，這里。所以(3) 變壓器初級相電流有效值的計算整流變壓器的初、次級電流都是非正弦波，兩者的關系受變流器接線方式的影響。對于橋式電路初、次級相電流波形相同，其有效值之比等于變壓器的匝數(shù)比。一般取，則 (10)式中為時網(wǎng)側電流變換系數(shù)。即 (11)所以 (4) 變壓器容量的計算對于三相全控橋，變壓器次級容量為 (12)初級容量為 (13)變壓器容量為 (14) 即：整流變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法，；次級繞組星形接法，；等值容量。2.3.2 晶閘管的額定參數(shù) (1) 晶閘管的額定電壓由三相半控橋式整

19、流電路的結果分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值故橋臂的工作電壓幅值為 考慮裕量，則額定電壓為 (2) 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為 考慮裕量，故晶閘管的額定電流為2.3.3 平波電抗器的電參數(shù)為了限制輸出電流脈動和保證最小負載電流時電流連續(xù)，整流器轉庫電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相半控橋式整流電路帶電動機負載系統(tǒng)，有 (15)其中，（單位為mH）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感；一般取電動機額定電流的。本例中，取，即。第3章 觸發(fā)電路的設計控制晶閘管的導通時間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結晶體管觸發(fā)電路，設計利用KJ004構成的集成觸

20、發(fā)器實現(xiàn)產(chǎn)生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路3.1 集成觸發(fā)電路本例中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，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，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調制輸出端等功能與特點。原理圖如下圖3.1 KJ004的電路原理圖3.2 KJ004的工作原理如圖5 KJ004的電路原理圖所示，點劃框內為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路類似。V1V4等

21、組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在uS負半周，V2、V3導通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負半周期間。V4基本上處于截止狀態(tài)。只有在同步電壓|uS|0.7V時，V1V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導通時，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當V4截止時，電流經(jīng)(+15VR6C1R22RP1(15V)對C1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1

22、的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導通的情況可知，在同步電壓正、負半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5（即4#端電壓）、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當ube6>+0.7V時，V6導通。設uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導通的時刻，從而調節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結充電。當 V6由截止轉為導通時，C2所充電壓通過 V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) 

23、;（+15VR25V6地）放電并反向充電，當其充電電壓uc2+1.4V時，V7又恢復導通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時間常數(shù)R25C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個周期內，V7集電極輸出兩個相位差為180°的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負半周進行。如在us正半周V1導通，V8截止，V12導通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負半周，情況剛好相反，V8導通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負相脈沖。說明：1) KJ004中穩(wěn)壓管VS6VS9可

24、提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6VD8為隔離二極管。2) 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1VD12組成六個或門形成六路脈沖，并由三極管V1V6進行脈沖功率放大。3) 由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內有兩個相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，只需要三個與主電路同相的同步電壓就行了。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓uSa、uSb、uSc分別與同步變壓器的uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器

25、，RP4RP6為同步相位。3.3 集成觸發(fā)電路圖三相半控橋觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊（KJ041內部是由12個二極管構成的6個或門）及部分分立元件構成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可，這里只需用到3個觸發(fā)脈沖即可，分別連到VT1，VT3，VT5的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖3.2所示：圖3.2三相半控橋整流電路的集成觸發(fā)電路 通過仿真可知，此電路中當電樞電感不足夠大時，輸出電流波形斷續(xù)，使晶閘管-電動勢系統(tǒng)的機械性變軟，為此通常在負載回路串聯(lián)接平波電抗器以減小電流脈動，延長晶閘管導通時間，如果電感足夠大，電流就能連續(xù)。單相全控整流電路與單相

26、半波可控整流電路相比，整流電壓脈動減小，每周期脈動兩次。變壓器二次側流過正反兩個方向的電流，不存在直流磁化，利用率高。第4章 保護電路的設計為了保護設備安全，必須設置保護電路。保護電路包括過電流與過電流保護，大致可以分為兩種情況：一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。 本例中設計的三相半控橋式整流電路為小功率裝置，故考慮第一種保護方案，分別對晶閘管、交流側、直

27、流側進行保護設電路的設計。4.1 晶閘管的保護電路1）晶閘管的過電流保護：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護措施。對于晶閘管初開通時引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感進行抑制；對于整流橋內部原因引起的過流以及逆變器負載回路接地時可以采用接入快速熔短器進行保護。如下圖所示：圖4.1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路 2）晶閘管的過電壓保護：晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流。當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過恢復電流的電感會因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過

28、電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路，如圖4.2所示。 圖4.2 并聯(lián)RC電路阻容吸收回路4.2 交流側阻容保護晶閘管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)，所以要進行過電壓保護，可采用如圖9所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護電路。整流電路正常工作時，保護三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng)、放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復到正常值。圖4.3 反向阻斷式過電壓抑制RC電路4.3 直流側阻容保護直流側也可能發(fā)生過電壓，在圖4.4中，當快速熔斷器熔斷或直流快速開關切斷時，因直流側電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側快速開關（或熔斷器）切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能也產(chǎn)