三相桥式全控整流电路的设计

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1、电力电子技术设计三相桥式全控整流电路的设计1 主电路的设计与原理说明1.1 主电路图的确定图1 三相桥式全控整理电路原理图习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。此主电路要求带反电

2、动势负载，此反电动势E=60V，电阻R=10，电感L无穷大使负载电流连续。其原理如图1所示。1.2 主电路原理为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况就也就相当于晶闸管触发角=0o时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析的

3、波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压 为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端所接的电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几

4、乎为一条直线。其电路工作波形如图2所示。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表1可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图2 带阻感负载=0o时的波形表1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0o时晶闸管工作情况时 段共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ubua-ucub- ucub- uauc- uauc-ub=uab=uac=ubc=uba=uca=ucb图3 =30o时的

5、波形当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。当= 时，从角开始把一个周期等分为6段，每段为与时的情况相比，一周期中波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了,组成 的每一段线电压因此推迟，平均值降低。图3中给出了变压器二次侧a相电流的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，为正，由于大电感的作用，波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，波形的形状也近似为一条直线，但为负值。图4 90o时的波形当=时，电路工作情况仍可对照表1分析。波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值继续降低，时出现了为零的点。由以上

6、分析可见，当时，波形连续。对于带大电感的反电动势，波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当时，如时电阻负载情况下的工作波形如图4所示，平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得的值出现负值，当电感足够大时，中正负面积基本相等，平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的角的移相范围为。2 触发电路的设计2.1 触发电路的脉冲类型 对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前

7、一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲触发。2.2 常用的集成触发电路常用的三相全控桥整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个KJ041集成块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。图5 KJ004电路原理图KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见图5

8、：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY，只有改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和 C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为任意值。双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。集成电

9、路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。图6 三相全控桥整流电路的集成触发电路2.3 触发电路的定相图7 三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触

10、发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。主电路电压与同步电压的关系如图7所示。对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电压相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为+，VT1的触发脉冲从 至的范围为。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为，上升段起始的和终了的线性度不好，舍去不用，使用中间的。锯齿波的中点与同步信号位置对应。三相桥整流器大

11、量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使的触发角为。当时为整流工作，时为逆变工作。将确定为锯齿波的中点，锯齿波向前、向后各有的移相范围。于是与同步电压的对应，也就是与同步电压的对应。对于其它五个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压。对于共阳极组的VT4、VT6和VT2，它们的阴极分别与、和相连，可得简单表示它们的主电路电压分别为、和。以为分析了同步电压与主电路电压的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。图8给出了变压器接法的一种情况及相应的图8 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图矢量图，其中主电路整流变压器为Dy

12、11联结，同步变压器为Dy5y11联结。这时，同步电压选取的结果如表2所示。表2 三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图8变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压同步电压为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波滞后角为时，同步电压选取结果如表3所示。表3 三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波波滞后）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压同步电压当变流形式不同，或整流变压器、同步变压器接法不同时，可参照上述例子确定同步电压信号。3 保护电路的设计3.1 过电流保护图9 过电流保护措施及配置位置电力电子电路运行不正常

13、或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。图9给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流民快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：1） 电等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2） 电流容量应按其在

14、主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。快熔的值应小于被保护器件的允许值。3） 为保证熔体在正常过载的情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式下需与其他过电流保护措施相配合。快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工程手册。对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需

15、要采用电子电路进行过电流保护。3.2 过电压保护电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因过电压。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等，包括：图10 过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路1） 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起；2） 雷击过电压：由雷击引起。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件

16、反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；2）关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。图11 RC过电压抑制电路连接方式a) 单相b) 三相图12 反向阻断式过电压抑制用RC电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图11。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路

17、的直流侧。大容量电力电子装置可采用图12所示的反向阻断式RC电路。4 各参数的分析4.1 参数的理论计算在三相桥式全控整流电路中计算其平均值时，只需对一个脉波进行计算即可。因为所有电压输出波形是连续的，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得整流输出电压连续时的平均值为 将和代入式计算得 已知，则输出电流平均值为 计算变压器二次侧电流为 将电流波形分解为傅里叶级数，以a相为例，将电流正、负半波的中点作为时间零点，则有 由式得电流基波和各次谐波有效值分别为 由式和式可得基波因数为 由于电流基波与电压的相位差仍为，故位移因数为 由此算出功率因数为 把代入计算得 整流电路的输出视在功率为 有功功率为

18、4.2 参数的波形分析由图13所示，首先在时刻共阴极组晶闸管接受到触发信号导通，此时阴极输出电压为幅值最大的a相相电压；到时刻下一个触发脉冲到来，此时a相输出电压降低，b相输出电压升高，于是阴极输出电压变为b相相电压；到时刻第三个脉冲到来，晶闸管关断而晶闸管导通，输出电压为此时最高的c相相电压。重复以上步骤，即共阴极组输出电压为在正半周的包络线。图13 三相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载时的波形共阳极组中输出波形原理与共阴极组一样，只是每个触发脉冲和阴极组中脉冲相差。6个时段的导通次序如表1所示一样，只是从零时刻往后推迟而已。这样就得出最后输出整流电压为共阳极组输出电压与共阴极组输出电压的

19、差。而由于电路中大电感L的作用，输出的电流为近似平滑的一条直线。5 应用举例 图14是以三相全控桥的无环流接线为例阐明其工作原理的。图15绘出了对应电动机四象限运行时两组变流器（简称正组桥、反组桥）的工作情况。第一象限：正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，（下标中有表示整流）。第二象限：正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，（），（下标中有表示逆变）。第三象限：反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，。第四象限：反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，（），。图15 电动机四象限运行时两组变流器的工作情况图14 两组变流器的反并联可逆线路直流可逆拖动系统，除了能方

20、便地实现正反转外，还能实现回馈制动，把电动机轴上的机械能（包括惯性能、位势能）变为电能回送到电网中去，此时电动机的电磁转矩变成制动转矩。图15所示电动机在第一象限正转，电动机从正组桥取得电能。如果需要反转，先应使电动机迅速制动，就必须改变电枢电流的方向，但对正组桥来说，电流不能反射，需要到反组桥工作，并要求反组桥在逆变状态下工作，保证与同极性相接，使得电动机的制动电流限制在容许范围内。此时电动机进入第二象限作正转发电运行，电磁转矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经反组桥逆变为交流电能回馈电网。改变反组桥的逆变角，就可改变电动机制动转矩。为了保持电动机在制动过程中有足够的转矩，一般应随着电动机转

21、速的下降，不断地调节，使之由小变大直至，如继续增大，即，反组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第三象限的电动运行。由以上分析可知，此电路可以运行在汽车上。当汽车在平路或上坡路段行驶时，调节整流电路的触发角使，这时候整流电路工作在整流状态，三相交流点存储装置向供电使工作在电动状态，电能转换为动能带动汽车行驶。当汽车行驶在下坡路段时，调节角使，使输出直流电压平均值为负值，且，这时候整流电路工作在逆变状态，位能装换为电能，向三相交流电存储装置输送电流，三相交流电存储装置接受并存储电能。这样就能使汽车的电源维持较长的供电时间，以达到节约电能的目的。6 心得小结这次电力电子技术课程设计，我们通过

22、对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的理论知识，检验了我们平时的学习效果。虽然此次课程设计与实际操作分析还有很大的差距，但是它提高了我们综合解决问题的能力，为我们以后的学习打下了基础。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对触发电路、保护电路等都有了更深刻的理解。在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨

23、论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。通过这次课程设计，使我懂得了只有课堂知识是远远不够的，只有把所学的知识综合起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会对自己的将来有帮助。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。我们的电力电子技术这本书虽然看起来很薄，但里面的包含的知识很多，同时有些地方讲的较简略，在自己独立学习时会遇到很大的困难。因此这本书在一个学期内讲完，学时太少，感觉学的太急，没有能力消化。建议此书用两个学期学完，在平时的教学过程中同时融入实际的训练，必将获得更好的效果。参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20082 黄俊，秦祖荫.电力电子自关断器件及电路.北京：机械工业出版社，19913 林渭勋.现代电力电子技术. 北京：机械工业出版社，20064 王维平.现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 5 叶斌.电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19996 马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.北京：清华大学出版社,20047 马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004 8 王锁萍.电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社200215