電力電子三相橋式全控整流電路的設計

1、三相橋式全控整流電路的設計1 主電路的設計與原理說明1.1 主電路圖的確定圖1 三相橋式全控整理電路原理圖習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從1至6的順序導通，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。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。此主電路要求帶反電動勢負載，此反電

2、動勢E=60V，電阻R=10，電感L無窮大使負載電流連續(xù)。其原理如圖1所示。1.2主電路原理為說明此原理，假設將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況就也就相當于晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況。此時，對于共陰極組的三個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的三個晶閘管，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。=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關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析的波形時，既可從相電

3、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。從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最小的相電壓，輸出整流電壓 為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓波形為線電壓在正半周的包絡線。由于負載端所接的電感值無限大，會對變化的電流有抵抗作用，從而使得負載電流幾乎為一條直線。其電

4、路工作波形如圖2所示。為了說明各晶閘管的工作的情況，將波形中的一個周期等分為6段，每段為，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1可見，6個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。圖2 帶阻感負載=0o時的波形表1 三相橋式全控整流電路電阻負載=0o時晶閘管工作情況時 段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-ubua-ucub- ucub- uauc- uauc-ub=uab=uac=ubc=uba=uca=ucb圖3 =30o時的波形當觸發(fā)角改變時

5、，電路的工作情況將發(fā)生變化。當= 時，從角開始把一個周期等分為6段，每段為與時的情況相比，一周期中波形仍由6段線電壓構成，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,組成 的每一段線電壓因此推遲，平均值降低。圖3中給出了變壓器二次側a相電流  的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，為正，由于大電感的作用，波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120o期間，波形的形狀也近似為一條直線，但為負值。圖4 90o時的波形當=時，電路工作情況仍可對照表1分析。波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，平均值繼續(xù)降低，時出現(xiàn)了為零的點。

6、由以上分析可見，當時，波形連續(xù)。對于帶大電感的反電動勢，波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當時，如時電阻負載情況下的工作波形如圖4所示，平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使得的值出現(xiàn)負值，當電感足夠大時，中正負面積基本相等，平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的角的移相范圍為。2 觸發(fā)電路的設計2.1 觸發(fā)電路的脈沖類型對于三相橋式全控整流電路，在其合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路在正常工作，需保證同時導通的兩個晶閘管均有脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于（一般?。Q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，

7、給前一個晶閘管補發(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，脈寬一般為，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飽和，需將鐵心體積做得較大，繞組匝數較多，導致漏感增大，脈沖前沿不夠陡。因此，常用的是雙脈沖觸發(fā)。2.2 常用的集成觸發(fā)電路常用的三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路是由三個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊組成的，脈沖產生后由六個晶體管進行放大。圖5 KJ004電路原理圖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

8、圖5：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的數值。對不同的移相控制電壓VY，只有改變權電阻R1、R2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，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004 的同步電壓為任意值。雙脈沖信號的形成與控制用KJ041六路雙脈沖形成器完成，KJ041是三相全控橋式觸發(fā)線路中必備的電路，具有雙脈沖形成和電子開關控制封鎖功能。實用塊有電子開關控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。集

9、成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，隨著集成電路制作技術的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸取代分立式電路。圖6 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路2.3 觸發(fā)電路的定相圖7 三相全控橋中主電路電壓與同步電壓關系示意圖向晶閘管整流電路供電的交流側電源通常來自電網，電網的頻率不是固定不變的，而是會在允許內有一定的波動。觸發(fā)電路除了應當保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定

10、的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。接下來就是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結構、觸發(fā)電路結構等。觸發(fā)電路定相的關鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關系。主電路電壓與同步電壓的關系如圖7所示。對于晶閘管VT1，其陽極與交流側電壓相接，可簡單表示為VT1所接主電路電壓為+，VT1的觸發(fā)脈沖從至的范圍為。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負半周的起點對應于鋸齒波的起點，通常使鋸齒波的上升段為，上升段起始的和終了的線性度不好，舍去不用，使用中間的。鋸齒波的中點與同步信號位置對應。三相橋整流器

11、大量用于直流電動機調速系統(tǒng)，且通常要求可實現(xiàn)再生制動，使的觸發(fā)角為。當時為整流工作，時為逆變工作。將確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前、向后各有的移相范圍。于是與同步電壓的對應，也就是與同步電壓的對應。對于其它五個晶閘管，也存在同樣的對應關系，即同步電壓應滯后于主電路電壓。對于共陽極組的VT4、VT6和VT2，它們的陰極分別與、和相連，可得簡單表示它們的主電路電壓分別為、和。以為分析了同步電壓與主電路電壓的關系，一旦確定了整流變壓器和同步變壓器的接法，即可選定每一個晶閘管的同步電壓信號。圖8給出了變壓器接法的一種情況及相應的圖8 同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖矢量圖，其中主電路整流變壓器為D

12、y11聯(lián)結，同步變壓器為Dy5y11聯(lián)結。這時，同步電壓選取的結果如表2所示。表2 三相全控橋各晶閘管的同步電壓（采用圖8變壓器接法時）晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓同步電壓為防止電網電壓波形畸變對觸發(fā)電路產生干擾，可對同步電壓進行R-C濾波，當R-C濾波滯后角為時，同步電壓選取結果如表3所示。表3 三相橋各晶閘管的同步電壓（有R-C濾波波滯后）晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓同步電壓當變流形式不同，或整流變壓器、同步變壓器接法不同時，可參照上述例子確定同步電壓信號。3 保護電路的設計3.1 過電流保護圖9 過電流保護措施及配置位置電力電子電路運行不正

13、?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。圖9給出了各種過電流保護措施及其配置位置，其中快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電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。在選擇各種保護措施時應注意相互協(xié)調。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)段的保護，直流民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。 采用快速熔斷器（簡稱快熔）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。在選擇快熔時應考慮：1） 電等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。2） 電流容量應按其

14、在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。快熔一般與電力半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側交流母線或直流母線中。快熔的值應小于被保護器件的允許值。3） 為保證熔體在正常過載的情況下不熔化，應考慮其時間-電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo方式可分為全保護和短路保護兩種。全保護是指不論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場合。短路保護方式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內起保護作用，此方式下需與其他過電流保護措施相配合?？烊垭娏魅萘康木唧w選擇方法可參考有關的工程手冊。對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護的全控型器件，

15、需要采用電子電路進行過電流保護。3.2 過電壓保護電力電子裝置可能的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等，包括：圖10 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閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側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RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路1） 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起；2） 雷擊過電壓：由雷擊引起。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括：1）換相過電壓：晶閘管或與全控型器

16、件反并聯(lián)的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓；2）關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。圖11 RC過電壓抑制電路連接方式a) 單相b) 三相圖12 反向阻斷式過電壓抑制用RC電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結方式見圖11。RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側（供電網一側稱網側，電力電子電路一側稱閥側），或電力電子電

17、路的直流側。大容量電力電子裝置可采用圖12所示的反向阻斷式RC電路。4 各參數的分析4.1 參數的理論計算在三相橋式全控整流電路中計算其平均值時，只需對一個脈波進行計算即可。因為所有電壓輸出波形是連續(xù)的，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，可得整流輸出電壓連續(xù)時的平均值為將和代入式計算得已知，則輸出電流平均值為計算變壓器二次側電流為將電流波形分解為傅里葉級數，以a相為例，將電流正、負半波的中點作為時間零點，則有由式得電流基波和各次諧波有效值分別為由式和式可得基波因數為由于電流基波與電壓的相位差仍為，故位移因數為由此算出功率因數為把代入計算得整流電路的輸出視在功率為有功功率為4.2 參數的波形分析

18、由圖13所示，首先在時刻共陰極組晶閘管接受到觸發(fā)信號導通，此時陰極輸出電壓為幅值最大的a相相電壓；到時刻下一個觸發(fā)脈沖到來，此時a相輸出電壓降低，b相輸出電壓升高，于是陰極輸出電壓變?yōu)閎相相電壓；到時刻第三個脈沖到來，晶閘管關斷而晶閘管導通，輸出電壓為此時最高的c相相電壓。重復以上步驟，即共陰極組輸出電壓為在正半周的包絡線。圖13 三相橋式全控整流電路帶反電動勢阻感負載時的波形共陽極組中輸出波形原理與共陰極組一樣，只是每個觸發(fā)脈沖和陰極組中脈沖相差。6個時段的導通次序如表1所示一樣，只是從零時刻往后推遲而已。這樣就得出最后輸出整流電壓為共陽極組輸出電壓與共陰極組輸出電壓的差。而由于電路中大電感

19、L的作用，輸出的電流為近似平滑的一條直線。5 應用舉例圖14是以三相全控橋的無環(huán)流接線為例闡明其工作原理的。圖15繪出了對應電動機四象限運行時兩組變流器（簡稱正組橋、反組橋）的工作情況。第一象限：正轉，電動機作電動運行，正組橋工作在整流狀態(tài)，（下標中有表示整流）。第二象限：正轉，電動機作發(fā)電運行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，（），（下標中有表示逆變）。第三象限：反轉，電動機作電動運行，反組橋工作在整流狀態(tài)，。第四象限：反轉，電動機作發(fā)電運行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，（），。圖15 電動機四象限運行時兩組變流器的工作情況圖14 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路直流可逆拖動系統(tǒng)，除了能方便地實現(xiàn)正反轉外，還能實

20、現(xiàn)回饋制動，把電動機軸上的機械能（包括慣性能、位勢能）變?yōu)殡娔芑厮偷诫娋W中去，此時電動機的電磁轉矩變成制動轉矩。圖15所示電動機在第一象限正轉，電動機從正組橋取得電能。如果需要反轉，先應使電動機迅速制動，就必須改變電樞電流的方向，但對正組橋來說，電流不能反射，需要到反組橋工作，并要求反組橋在逆變狀態(tài)下工作，保證與同極性相接，使得電動機的制動電流限制在容許范圍內。此時電動機進入第二象限作正轉發(fā)電運行，電磁轉矩變成制動轉矩，電動機軸上的機械能經反組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W。改變反組橋的逆變角，就可改變電動機制動轉矩。為了保持電動機在制動過程中有足夠的轉矩，一般應隨著電動機轉速的下降，不斷地調節(jié)，使

21、之由小變大直至，如繼續(xù)增大，即，反組橋將轉入整流狀態(tài)下工作，電動機開始反轉進入第三象限的電動運行。由以上分析可知，此電路可以運行在汽車上。當汽車在平路或上坡路段行駛時，調節(jié)整流電路的觸發(fā)角使，這時候整流電路工作在整流狀態(tài)，三相交流點存儲裝置向供電使工作在電動狀態(tài)，電能轉換為動能帶動汽車行駛。當汽車行駛在下坡路段時，調節(jié)角使，使輸出直流電壓平均值為負值，且，這時候整流電路工作在逆變狀態(tài)，位能裝換為電能，向三相交流電存儲裝置輸送電流，三相交流電存儲裝置接受并存儲電能。這樣就能使汽車的電源維持較長的供電時間，以達到節(jié)約電能的目的。6 心得小結這次電力電子技術課程設計，我們通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較，從而進一步驗證了所學的理論知識，檢驗了我們平時的學習效果。雖然此次課程設計與實際操作分析還有很大的差距，但是它提高了我們綜合解決問題的能力，為我們以后的學習打下了基礎。通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計中，真