三相桥式全控整流电路主电路设计

1、目录1绪 论12三相桥式全控整流电路主电路设计12.1整流变压器参数计算22.1.1次级相电压22.1.2初级相电流和次级相电流32.1.3初级容量次级容量和平均计算容量(视在容量)42.2晶闸管参数选择42.2.1晶闸管额定电压的选择42.2.2 晶闸管额定平均电流和电流有效值的选择52.3晶闸管的保护62.3.1晶闸管的过电压保护62.3.2晶闸管的过电流保护102.3.3电流上升率、电压上升率的限制123谐波分析143.1谐波分析143.1.1网测电流的谐波分析143.1.2谐波分析小结154结论16参考文献16致 谢171绪 论电力电子技术的应用已深入到国家经济建设，交通运输，空间技术

2、，国防现代化，医疗，环保和人们日常生活的各个领域。进入新世纪后电力电子技术的应用更加广泛。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学的两大支柱。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。通常把电力电子技术分为电力电子制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电路电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不仅指交直流之间的交换，也包括直流变直流和交流

3、变交流的变换。如果没有晶闸管及电力晶体管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。三相桥式全控整流电路已成为目前应用最为广泛的整流电路。2三相桥式全控整流电路主电路设计三相桥式全控整流电路的原理图如图2-1所示。变压器一次侧接成三角形，避免三次谐波电流流入电网；为得到零线，二次侧接成星形。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（vt、vt、

4、vt）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（vt、vt、vt）称为共阳极组。共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为vt、vt、vt，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为vt、vt、vt。由整流原理知，晶闸管的导通顺序为vt、vt、vt、vt、vt、vt。 图2-1 三相桥式全控整流电路原理图设计方案及要求: 某晶闸管三相桥式整流电路供电给zz91型直流电动机，其额定值为un=220 v，in=287 a(即整流电流平均值id)，pn=55 kw，nn=1500 rmin，磁极对数p=2；励磁回路参数：ufn=220 v、ifn=0.35 a；变压器短路比百分数

5、uk=5，励磁电流百分数i0=8；电机的过载倍数为1.5。变压器一次侧相电压380v。要求完成主电路设计，分析各主要元件的选择及参数的计算。2.1整流变压器参数计算在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压往往与电网电压不一致，这就需要利用变压器来进行电压匹配。另外，为降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器将晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中一般都需要设置整流变压器，它的参数计算是一个重要的问题，对整流装置的性能有着直接的影响。 通常情况下，整流变压器的初级电压是电网电压，是已知的，而整流变压器参数的计算是指根据负载的要求计算次级的相电压u2、相电流i

6、2，初级容量s1，次级容量s2和平均计算容量s。只有在这些参数正确计算之后，才能根据计算结果正确、合理地选择整流变压器或者自行设计整流变压器。 考虑到整流装置的伏在不同，电路的运行情况不同，其交直流侧个点亮的基本关系也不同。为方便起见，本文以具有大电感的直流电动机负载为例，分析整流变压器参数的计算，其基本原则同样适用于其它性质的负载。 2.1.1次级相电压主电路中影响整流变压器次级电压u2精确计算的主要因素是：u2值的大小首先要保证满足负载所要求的最大平均电压ud；晶闸管并非是理想的半可控开关器件，导通时有一定的管压降uv；变压器漏抗的存在导致晶闸管整流装置在换相过程中产生换相压降ux；晶闸管

7、装置供电的电动机是恒速系统，在最大负载电流时，电机的端电压应当为电动机的额定电压un和电枢电流在电枢电阻rd上压降之和。考虑到以上几点，并结合实际经验，可得出次级相电压的工程计算方法如下所示 （2-1）式中的un为电动机的额定电压，系数（1.21.5）是考虑到各种因素影响后的安全系数,a由表1查的。 所以， (前系数取1.4)2.1.2初级相电流和次级相电流在忽略变压器激磁电流的情况下，可根据变压器的磁势平衡方程写出初级和次级电流的关系式为 或式中，n1和n2为变压器初级和次级绕组的匝数，k=n1/n2为变压器的变比。 为简化分析，令n1 =n2（即k=1），则由上式可见，对于普通电力变压器而

8、言，初、次级电流是有效值相等的正弦波电流。但对于整流变压器来说，通常初、次级电流的波形并非正弦波，在大电感负载的情况下，整流电流id是平稳的直流电，而变压器的次级和初级绕组中的电流都具有矩形波的形状。欲求得各种接线形式下变压器初、次级电流的有效值，就要根据相应接线形式下初、次级电流的波形求其有效值，从而可得 （2-2） （2-3）式中k11和k12分别为各种接线形式时变压器初、次级电流有效值和负载电流平均值之比。 所以，2.1.3初级容量次级容量和平均计算容量(视在容量)在计算得到变压器次级相电压有效值u2以及相电流有效值i2后，根据变压器本身的相数m就可计算变压器的容量，其值为 （2-4）

9、（2-5）平均计算容量 （2-6）式中，m1和m2为变压器初、次级绕组的相数。所以, 综上，整流变压器应选用10kv级s9系列变压器中的一种，即额定容量为250kva，一次侧额定电压6kv，二次侧额定电压0.4kv，空载损耗600w,负载损耗2900w,空载电流3.0%，阻抗电压4%。2.2晶闸管参数选择合理地选择晶闸管，可以在保证晶闸管装置可靠运行的前提下降低成本，获得较好的技术经济指标。在采用普通型（kp型）晶闸管的整流电路中，应正确选择晶闸管的额定电压与额定电流参数。这些参数的选择主要与整流电路的型式，电流、电压与负载电压、电流的大小，负载的性质以及触发角的大小有关。为了简化计算，以下均

10、以=0来计算晶闸管的电流值。一般来说，晶闸管的参数计算及选用原则为：计算每个支路中晶闸管元件实际承受的正、反向工作峰值电压；计算每个支路中晶闸管元件实际流过的电流有效值和平均值；根据整流装置的用途、结构、使用场合及特殊要求等确定电压和电流的储备系数；根据各元件的制造厂家提供的元件参数并综合技术经济指标选用晶闸管元件。2.2.1晶闸管额定电压的选择由理论分析可得，当可控整流电路接成三相全控电路形式时，每个晶闸管所承受的正、反向电压均为整流变压器次级线电压的峰值，即 （2-7）式中：整流变压器次级相电压； 晶闸管承受的正、反向最大电压。晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压um，考虑

11、到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要设置23倍的安全系数，即按下式选取： （2-8）式中系数（23）的取值应视运行条件、元件质量和对可靠性的要求而定，通常对可靠性高的装置取值较大。不同整流电路中，晶闸管承受的最大峰值电压um不同，如表2-1所示。按式（8）所计算的uvn值选取相应电压级别的晶闸管元件，所以， 取uvn=800v表2-1 整流元件的最大峰值电压um和通态平均电流的计算系数kfb指带有续流二极管的电路。2.2.2 晶闸管额定平均电流和电流有效值的选择额定值，即必须使为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。

12、由理论分析可知，晶闸管流过正弦半波电流的有效值iv和额定值ivv（通态平均电流）的关系当=0时为 （2-9）在各种不同型式的整流电路中，流经整流元件的实际电流有效值等于波形系数kf与元件电流平均值的乘积，而元件电流平均值为id/kb（式中 id为整流电路负载电流的平均值，即整流输出的直流平均值；kb为共阴极或共阳极电路的支路数）。考虑（1.52）倍的电流有效值安全系数后，式（9）可以写为 (2-10)式中计算系数。当=0时，不同整流电路、不同负载性质的kfb值示于表2-2中。晶闸管的额定平均电流。查表2-2，系数，式中，按式（2-10）计算的晶闸管额定电流为 a取300a。选择 kp3008型

13、晶闸管，共六只。按式（2-10）计算的ivv值，还应注意如下因素的影响：当环境温度大于+40和元件实际冷却条件低于标准要求时，或对于电阻性负载，当控制角较大时，均应降低元件的额定电流值使用。在要求不严格的场合，直流电流额定值可取流过负载的最大值。2.3晶闸管的保护与一般半导体元件相同，晶闸管元件的主要弱点是过电压、过电流的承受能力差。所以应采取相应的保护措施。 2.3.1晶闸管的过电压保护正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压um如表2-2所示，超过此峰值的电压即为过电压。若以过电压保护装置的部位来分，有交流侧保护和直流侧保护两种抑制暂态电压的方法。（1）交流侧过电压保护有三种方法：采用避雷器、

14、rc过电压抑制电路和非性性元件。避雷器用以保护由大气雷击所产生的过电压，主要用于保护变压器。因这种过电压能量较大，持续时间也较长，一般采用阀型避雷器。rc过电压抑制电路通常并联在变压器次级（元件侧），以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制rc回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，rc电路也可接在变压器的电源侧，如图2-2所示。（a） （b） （c） 图2-2 阻容过电压保护电路的接法 单相整流电路rc参数的计算公式为 （2-11）电容ca的耐压 （2-12） （2-13）电阻ra的功率为 （2-14） （2-

15、15）式中:变压器每相平均计算容量（va）； 变压器次级相电压有效值（v）； 励磁电流百分数，当小于几百伏安时，当伏安时，； 变压器的短路比，当变压器容量为101000 kva时， ； 当ra正常工作时电流，电压的有效值。上述和值的计算公式（2-11）和（2-12）是依单相条件推导得出的，对于三相电路，变压器次级绕组的接法可以与rc吸收电路的接法相同，也可以不同。实用中也可按式（2-11）和（2-12）进行近似计算。只是在不同接法时，和的数值应按表2-2进行相应换算。 设计方案中，采用三角形接法的阻容保护装置以减少电容量，阻容保护元件的参数计算如下：变压器每平均计算容量为 电容器的计算,因阻容

16、保护为三角形接法，为星形接法计算值的1/3，可得 电容器的耐压值为 取350v取用400v，选择cjz型交流密封纸介电容。电阻值的计算。因为是三角形接法，由表可得，ra应为星形接法时的3倍，得 取10故选用被釉绕线电阻。（2）直流侧过电压保护。整流器直流侧断开时，如出现直流侧快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，则也会在a、b之间产生过电压，如图2-3所示。前者因变压器储能的释放产生过电压，后者则由于直流电抗器储能的释放产生过电压，都可使晶闸管元件损坏。原则上直流侧保护可以采取与交流侧保护相同的方法，主要有阻容保护、非线性元件抑制和晶闸管泄能保护。因为直流侧阻容保护会使系统的快速性达不到要图2-3

17、 直流侧快速开关断开或快速熔断引起的过电压求，且能量损耗较大，所以常采用非线性元件抑制直流侧过电压。（3）晶闸管换相过电压的保护。通常在晶闸管两端并联rc电路，如图2-4所示。图2-4 换相过电压保护电路图2-4（a）为常用电路，多用于中小容量整流电路。串联电阻r的作用一是阻尼lc回路的振荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。图2-4（b）为分级线路，适用于较大容量元件的保护。图2-4（c）为整流式阻容保护，它不会使晶闸管di/dt增大，但线路复杂，使用元件多，故不常用。实际应用中，r、c的值可按经验数据选取，如表2-3所示。表2-3 与晶闸管并联的阻容电路经验数据2.

18、3.2晶闸管的过电流保护变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几方面：外部短路，如直流输出端发生短路；内部短路，如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路；可逆系统中产生换流失败和环流过大；生产机械发生过载或堵转等。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有交流断路器、进线电抗器、灵敏过电流继电器、短路器、电流反馈控制电路、直流快速开关及快速熔断器等，现以快速熔断器为例作简要说明。快速熔断器（简称快熔）是一种最简单、有效而应用最普通的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms。快熔的选用原则如下：快熔额定电压不小于线路正常工作电压的方均根值；快熔的额定电流应按它所保护的元件实际流过的电流（方均根值）

19、来选择，一般可按下式计算： (a)式中：电流裕度系数，取； 环境温度系数，取； 实际流过快速熔断器的电流有效值。快熔的安装接入方式与特点如表2-4所示，系数kc值见表2-5。表2-4 熔断器接入方式与特点快熔有一定的允许通过的能量值，元件也具有承受一定产值的能力。为了使快熔能可靠地保护元件，要求快熔的值在任何情况下都小于元件的值。其关系为 表2-5 整流电路形式与系数kc的关系式中：快熔的允许能量值，可由产品说明书中查得； 元件的浪涌峰值电流的有效值，可由元件手册中查得； t元件承受浪涌电流的半周时间，在50 hz情况下。在设计电路中，已知晶闸管类型为晶闸管为kp300型，直流输出电流为a，交

20、流电压为380 v，计算桥臂中与晶闸管串联的快熔参数如下：因工作时电压为380v,取,流过快熔的电流有效值为 快熔的额定电流计算 ,选取从有关手册中查知rs3型500v/300a快熔的kp300型晶闸管的浪涌电流值其有效值为.所以，故， 关系成立，选用rs3型500v/300a快熔。2.3.3电流上升率、电压上升率的限制（1）电流上升率di/dt的限制。产生di/dt 过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中对导通元件产生的di/dt ，图2-5所示为限制di/dt过大的措施。 图2-5 限制di/dt过大的措施由于晶闸管在换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护的电容放电造成di/dt

21、 过大；晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对阻容保护电容进行充电造成 di/dt过大；与晶闸管并联的阻容保护电容在元件导通瞬间释放储能造成di/dt过大。在晶闸管阳极回路串入电感ls，ls的数值可用图2-6所示的换相过程等效电路来计算。该图中，设已触发v2而v1尚未关断，u为交流电源线电压，由图2-6可得图2-6 等效电路 (v)(h)式中： um交流电压u的峰值（v）； didt晶闸管通态电流临界上升率。（2）电压上升率du/dt的限制。对于交流侧产生的du/dt，可采用带有整流变压器和交流侧阻容保护的变流装置，如图2-2所示。变压器漏感lt和交流侧rc吸收电路组成了滤波环节，使由交流电

22、网侵入的前沿陡、幅值大的过电压有较大衰减，并使作用于晶闸管的正向电压上升率du/dt大为减小。在无整流变压器供电的情况下，则应在电源输入端串联在数值上相当于变压器漏感的进线电感lt（如图2-7所示），以抑制du/dt ，同时还可起到限制短路电流的作用。图2-7 串入进线电感限制对进线电感lt可进行如下近似计算： 式中： 交流侧的相电压和相电流； f电源频率； 与晶闸管装置容量相等的整流变压器的短路比。应当指出，目前晶闸管保护装置的参数定量计算还缺乏成熟和统一的方法，有待于进一步科学实验和论证，读者应随时参阅厂家产品说明并参照最近同类产品的参数来选取。3谐波分析3.1谐波分析3.1.1网测电流的

23、谐波分析依靠改变触发角的相控整流装置的输入电流通常是非正弦的。以常用的三相桥式全控整流电路为例，大电感负载时，网侧交流电流为正负对称的矩形波，设负载电流为，的波形图如图3-1所示。图3-1 三相桥式全控整流电路网侧电流波形以函数表示为:式中k=0,1,2。若将坐标原点右移/6+,则:式中k=0,1,2周期函数i(t)可进行傅里叶级数展开: 其中：代入上式计算故 可见，网侧电流除基波成分之外,还含有5、7、11、13、17等高次谐波,其幅值与谐波次数成反比,因此,相桥式全控整流电路相当于一个包含高次谐波的电流谐波源。3.1.2谐波分析小结以上分析可知三相桥式全控整流电路对于网侧相当于一个包含高次谐波的电流谐波源。这些谐波电流一方面将引起电网的谐波损耗,另一方面其在传输线上流动时将引起传导和射频干扰,造成对它敏感的电子仪器和设备