三相橋式全控整流課程設(shè)計

1、三相橋式全控整流課程設(shè)計1.電力電子簡介隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動態(tài)性能好。因此，研究開發(fā)既簡單又具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點之一。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。1現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子學(xué)（Power Electronics）這一名稱是在上世紀6

2、0年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學(xué)進行了描述，認為它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W(xué)”和“電力電子技術(shù)”是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)2個不同的角度來稱呼的。一般認為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應(yīng)管（Power

3、-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關(guān)斷）。使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的復(fù)合）為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅(qū)動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個

4、重要方向。利用電力電子器件實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器（見電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關(guān)注的是所能轉(zhuǎn)換的電功率。電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功

5、率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設(shè)備等組成一個系統(tǒng)。電子

6、學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。1.1晶閘管的簡介晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR,普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。目前，晶閘管的容量水平已達8kV6kA。 晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見晶閘管的外形有兩種：螺栓型和平板型。 1、晶閘管的基本特點有三個： （1）欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個條件有： 應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓； 應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。 (2) 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。 (3) 為

7、使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。 2、 晶閘管的工作特性 單向晶閘管的伏安特性曲線如圖所示。從特性曲線上可以看出它分五個區(qū)，即反向擊穿區(qū)、反向阻斷區(qū)、正向阻斷區(qū)、負阻區(qū)和正向?qū)▍^(qū)。大多數(shù)情況下，晶閘管的應(yīng)用電路均工作在正向阻斷和正向?qū)▋蓚€區(qū)域。晶閘管A、K極間所加的反向電壓不能大于反向峰值電壓，否則有可能便其燒毀。 單向晶閘管的上述特性，可以用以下幾個主要參數(shù)來表征： 3、額定平均電流IT:在規(guī)定的條件下，晶閘管允許通過的50Hz正弦波電流的平均值。 4、正向轉(zhuǎn)折電壓VB0:是指在額定結(jié)溫及控制極開路的條件下，在陽極和陰極間加

8、以正弦波半波正向電壓，使其由關(guān)斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時所對應(yīng)的電壓峰值。 單向晶閘管伏安特性曲線： 圖1-1單向晶閘管伏安特性曲線5、正向阻斷峰值電壓VDRM:定義為正向轉(zhuǎn)折電壓減去100V后的電壓值。 6、反向擊穿電壓VBR:是指在額定結(jié)溫下，陽極和陰極間加以正弦波反向電壓，當其反向漏電流急劇上升時所對應(yīng)的電壓峰值。7、反向峰值電壓VRRM:定義為反向擊穿電壓減去1OOV后的電壓值。 8、正向平均壓降VT:是指在規(guī)定的條件下，當通過的電流為其額定電流時，晶閘管陽極、陰極間電壓降的平均值。 9、維持電流IH:是指維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。 10、控制極觸發(fā)電壓VCT和觸發(fā)電流IGT:在

9、規(guī)定的條件下，加在控制極上的可以使晶閘管導(dǎo)通的所必需的最小電壓和電流。 11、導(dǎo)通時間tg(ton):從在晶閘管的控制極加上觸發(fā)電壓VGT開始到晶閘管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電流達到90%時的這一段時間稱為導(dǎo)通時間。 12、關(guān)斷時間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開始到控制極恢復(fù)控制能力的這一段時間稱為關(guān)斷時間。 此外，晶閘管還有一些其他參數(shù)，例如，為了使晶閘管能可靠地觸發(fā)導(dǎo)通，對加在控制極上的觸發(fā)脈沖寬度是有一定要求的;為使晶閘管能可靠地關(guān)斷，對晶閘管的工作頻率也有一定的規(guī)定;為避免晶閘管損壞，對控制極的反向電壓也有一定的要求。2. 原理及方案 三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過

10、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。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，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶動直流電動機運轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。整個設(shè)計主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護電路三個部分?？驁D中沒有表明保護電路。當接通電源時，三相橋式全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，

11、使主電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通工作，經(jīng)過整流后的直流電通給直流電動機，使之工作。電源三相橋式全控整流電路直流電動機同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號觸發(fā)模塊圖2-1 三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖3. 主電路的設(shè)計及器件選擇實驗參數(shù)設(shè)定負載為220V、305A的直流電機，采用三相整流電路，交流測由三相電源供電，設(shè)計要求選用三相橋式全控整流電路供電，主電路采用三相全控橋。3.1 三相全控橋的工作原理如圖3-1所示，為三相橋式全控帶阻感負載，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。習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管稱為共陽極組。共陰極組中與a、b、c三相電源

12、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。晶閘管的導(dǎo)通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。圖3-1 三相橋式全控整流電路帶電動機（阻感）負載原理圖3.1.1 三相全控橋的工作特點（1） 2個晶閘管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組 各1個，且不能為同1相器件。（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60。共陰極 組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。共陽

13、極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。（3） 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。（4） 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。3.1.2 阻感負載時的波形分析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，因為帶反電動勢阻感負載的情況，與帶阻感負載的情況基本相同。 當60度時，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u

14、d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 ud 波形與 id 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3-2和圖3-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載=0度和=30度的波形。 圖3-2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(dǎo)通段，iVT1波形由負載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 圖3-3中除給出ud波形和 i

15、d 波形外，還給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，在此不做具體分析。 圖3-3 觸發(fā)角為30時的波形圖 圖3-2 觸發(fā)角為0度時的波形圖 當60度時，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。圖3-4給出了=90度時的波形。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。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。圖3-4 觸發(fā)角為90時的波形圖3.2各元件參數(shù)的計算與選擇3.2.1參數(shù)的選擇晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額

16、定電壓1.11.5倍。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3-1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 500200100502010電容C/UF210.50.250.20.150.1電阻R/歐姆2510204080100表3-1元器件參數(shù)由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900V;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，要考慮一下幾點：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工

17、作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。3.2.2參數(shù)計算 由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： （公式1） 變比為： （公式2 變壓器一次和二次側(cè)的相電流計算公式為： 公式3 公式4 而在三相橋式全控中 公式5 公式6 所以變壓器的容量分別如下： 變壓器次級容量為： 公式7 變壓器初級容量為： 公式8 變壓器容量為： 公式9 即：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，；容量選擇為9.4698

18、9kW。3.2.3 晶閘管的選擇（1）晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形（圖3-4）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 公式10故橋臂的工作電壓幅值為： 公式11 考慮裕量，則額定電壓為： 公式12（2） 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為： 公式13考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：公式143.2.4 平波電抗器的選擇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)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載系統(tǒng)，有： 公式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。由題目要求：當負載電流降至20

19、A時電流仍連續(xù)。所以取20A。所以有： 公式164. 觸發(fā)電路設(shè)計 控制晶閘管的導(dǎo)通時間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實現(xiàn)產(chǎn)生同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。4.1 集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)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(gòu)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(diào)制輸出端等功能與特點。原理圖如下：圖4-1 K

20、J004的電路原理圖 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(guān)控制封鎖功能。實用塊有電子開關(guān)控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。如圖4-1所示，KJ041的1-6腳管為單脈沖信號輸入。把單脈沖信號由10-15腳管兩兩同時輸出形成雙脈沖信號，10-15腳管兩兩同時輸出對應(yīng)輸送給VT6-VT1晶閘管。（1）假設(shè)在t1時刻15腳管開始給VT1晶閘管輸送脈沖信號，則經(jīng)過60度后14腳管開始給VT2晶閘管雙脈沖信號，即只有15腳管和14腳管有信號輸出，其他腳管沒信號輸出，則此時VT1和VT2同時導(dǎo)通

21、；（2）再過60度后，15腳管停止輸出信號，而13腳管開始給VT3輸出信號，即只有14腳管和13腳管有信號輸出，其他腳管沒信號輸出，此時VT2和VT3同時導(dǎo)通；（3）再過60度后，14腳管停止輸出信號，而12腳管開始給VT4輸出信號，即只有13腳管和12腳管有信號輸出，其他腳管沒有輸出信號，此時VT3和VT4同時導(dǎo)通；（4）再過60度后，13腳管停止輸出信號，而11腳管開始給VT5輸出信號，即只有12腳管和11腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT4和VT5同時導(dǎo)通； （5）再過60度后，12腳管停止輸出信號，而10腳管開始給VT6輸出信號，即只有11腳管和10腳管有信號輸出，其他腳管

22、沒有信號輸出，此時VT5和VT6同時導(dǎo)通； （6）再過60度后，11腳管停止輸出信號，而15腳管開始給VT1輸出信號，即只有10腳管和15腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT6和VT1同時導(dǎo)通；4.2 KJ004的工作原理如圖3-1 KJ004的電路原理圖所示，點劃框內(nèi)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)電路相似。V1V4等組成同步環(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(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在uS負半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負半周期間

23、。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(dǎo)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(dǎo)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的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)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(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上

24、疊加。當ube6+0.7V時，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時刻，從而調(diào)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(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當 V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)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) （+15VR25V6地）放電并反向充電，當其充電電壓uc2+1.4V時，V7又恢復(fù)導(dǎo)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)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個相位差為180的脈沖。脈沖分選

25、通過同步電壓的正負半周進行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)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(dǎo)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

26、沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)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，需要六個與主電路同相的同步電壓。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，RP4RP6為同步相位。4.3封裝形式及KJ004的管腳圖電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標準。KJ004的管腳圖如圖4-2和表4-1. 圖4-2 管腳圖功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc

27、引線腳號1 23 45 678910111213141516 表4-1 管腳接線表4.4集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(fā)電路由3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖4-3所示：圖4-3 集成觸發(fā)電路圖5. 保護電路的設(shè)計為了保護設(shè)備安全，必須設(shè)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

28、器等；另一種則是采用電子保護電路，檢測設(shè)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(nèi)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(shè)計的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護方案，分別對晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進行保護設(shè)電路的設(shè)計。5.1 晶閘管的保護電路 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(nèi)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。如圖5-1所示：圖5-1串聯(lián)電感

29、及熔斷器抑制回路 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(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復(fù)電流。當阻斷能力恢復(fù)時，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)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電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如圖5-2所示： 圖5-2并聯(lián)RC電路阻容吸收回路 5.2 交流側(cè)保護電路晶閘管設(shè)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(shè)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5-3所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護電路。整

30、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(zhuǎn)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(fù)到正常值。圖5-3反向阻斷式過電壓抑制RC電路5.3 直流側(cè)阻容保護電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖5-4中，當快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)切斷時，因直流側(cè)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(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護裝置能適當?shù)乇Ｗo這種過電壓，仍會通

31、過導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過電壓保護，用于抑制過電壓。圖5-4 直流側(cè)阻容保護5.4 過電流保護 電力電子電路中的電流瞬時值超過設(shè)計的最大允許值，即為過電流。過電流有過載荷短路兩種情況。常用的過電路保護措施如圖5-5所示。一臺電力電子設(shè)備可選用其中的幾種保護措施。針對某種電力器件，可能有些保護措施是有效的而另外一些是無效的或不合適的，在選用時應(yīng)特別注意。圖5-5 過流保護電路圖交流斷路器保護是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，當交流電流超過整定值時，過流繼電器動作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，切除故障電流。應(yīng)當注意過流繼電器的整定值一

32、般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時值，否則如果電流達到了器件的最大電流過流繼電器才動作，由于器件耐受過電流的時間極短，在繼電器和斷路器動作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。 來自電流互感器的信號還可作用于驅(qū)動電路，當電流超過整定值時，將所有驅(qū)動信號的輸出封鎖，全控型器件會由于得不到驅(qū)動信號而立即阻斷，過電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導(dǎo)通的晶閘管不再導(dǎo)通，而已導(dǎo)通的晶閘管由于電感的儲能器件不會立即關(guān)斷，但經(jīng)一定的時間后，電流衰減到 0，器件關(guān)斷。這種保護方式由電子電路來實現(xiàn)，又叫做電子保護。與斷路器保護類似，電子保護的電流整定值也一般應(yīng)該小于器件所能承受的電流最大值。

33、快速熔斷器保護一般作為最后一級保護措施，與其它保護措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)（三相電源的每一相串接一個快速熔斷器） ，也可以接在負載側(cè)，還可電路中每一個電力電子器件都與一個快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護效果也有差異。熔斷器保護有可以對過載和短路過電流進行“全保護”和僅對短路電流起作用的短路保護兩種類型。 撬杠保護多應(yīng)用于大型的電力電子設(shè)備，電路中電流檢測、電子保護都是必需的，同時還要在交流電源側(cè)加一個大容量的晶閘管。其保護原理如下：當檢測到的電流信號超過整定值時，觸發(fā)保護用的晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接一個小電感用以限制 di/dt；驅(qū)動電路開

34、通主電路中的所有電力電子器件，以分散短路能量，讓所有器件分擔短路電流；使交流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經(jīng)一段時間的衰減短路能量消失，起到保護作用。6. MATLAB 建模與仿真6.1 MATLAB建模 三相橋式全控整流器的建模、參數(shù)設(shè)置三相橋式全控整流器的建?？梢灾苯诱{(diào)用通用變換器橋（6-pulse thyristor）仿真模塊。參數(shù)設(shè)定如圖6-1所示：圖6-1 通用橋參數(shù)設(shè)置圖 同步電源與6脈沖觸發(fā)器的封裝同步電源與6脈沖觸發(fā)器模塊包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩個部分，6脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。具體步驟如下： 建立一個新的模型

35、窗口，命名為TBCF； 打開相應(yīng)的模塊組，復(fù)制5個int1（系統(tǒng)輸入端口）、一個out1（系統(tǒng)輸出端口、3個voltage Measurement（電壓測量模塊）、1個6-Pulse Generator（脈沖觸發(fā)器）。按圖6-2連線。圖6-2 觸發(fā)器模塊連接圖 進行封裝，封裝圖如圖6-3所示。圖6-3 封裝圖 三相橋式全控整流電路的建模、參數(shù)設(shè)置建立一個新的模型窗口，命名為ban2。將三相橋式全控整流器和同步6脈沖觸發(fā)器子系統(tǒng)復(fù)制到ban2模型窗口中。通過合適的連接，最后連接成如圖6-4所示的命名為修改版的三相橋式全控整流器電路仿真模型。相關(guān)參數(shù)說明：交流電壓源Ua、Ub、Uc等于U2為179

36、.6V，頻率為50Hz，Ua相序為0度，Ub相序為-120度，Uc相序為-240度。RC中的參數(shù)為：R為1歐，L為0H，C為（1e-6）F。RL中的參數(shù)為：R的參數(shù)為0.721歐，L（平波電抗器）的參數(shù)為4.4mH。DC的參數(shù)為-220V可設(shè)為任意值。圖6-4 三相橋式全控整流電路仿真圖6.2 MATLAB 仿真打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode123tb算法，將相對誤差設(shè)置1e-3，仿真開始時間設(shè)置為0，停止時間設(shè)置為0.04秒。在下面的仿真圖中Ud、Id為負載電壓（V）和負載電流（A）。（1）觸發(fā)角為0度是的波形圖6-5 觸發(fā)角為0度時ud、id的波形圖(2)觸發(fā)角為30度時的波形圖6-6 觸發(fā)

37、角為30度時ud、id的波形圖（3）觸發(fā)角為90度時的波形圖6-7 觸發(fā)角為90度時ud、id的波形圖6.3 仿真結(jié)構(gòu)分析由仿真出的觸發(fā)角分別為0度、30度和90度的Ud、Id波形圖和圖3-2、圖3-3、圖3-4比較可知，三相橋式全控整流電路接反電動勢負載時，在負載電感足夠大以使負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同、僅在計算Id時有所不同，接反電動勢阻感負載時的Id為： 公式176.4硬件電路PCB板6.4.1頂層視圖 如下圖6-8所示。 圖6-8 PCB頂層試圖6.4.2 底層視圖 如下圖6-9所示。 圖6-9 PCB 底層試圖6.4.3 頂層覆蓋圖 如下圖