电力电子课设

1、 课程设计（论文）任务及评语院（系）：自动化学院 学 号0121311370719学生姓名肖宇新专业班级自动化1303课程设计（论文）题目三相桥式整流电路的设计（带反电动势负载）课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路，多数由变压器、整流主电路和滤波器等组成，在直流电动机的调速、发电机励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛地应用。整流电路的种类很多，工业上广泛应用的三相桥式全控整流电路是从三相半波电路发展而来的。两组三相半波整流电路，一组是共阴极，另一组是共阳极串联组成。设计任务及要求1、确定系统设计方案，各器件的选型；2、设计主电路、

2、触发电路、保护电路；3、设计变流器主电路，根据以下“设计参数说明”中参数进行计算，4、说明变流器工作原理，触发电路控制设计及保护电路设计说明，相关辅助电路和考虑因素说明。5、完成对器件选择，参数相关计算及波形输出图（具体见设计参数说明）。6、报告要求打印或手写装订（格式按原课程设计格式要求进行，图文清晰规范适当）。技术参数输入电压：三相交流380V，50HZ整流输出电压 R=2, U2=220V,LB=1.5mH,EM=-400V,45°进度计划1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）2、 系统功能分析（1天）3、 系统方案确定（1天）4、 主电路、触发电路等设计（2天）5、

3、各参数计算（1天）6、 仿真分析与研究（2天）7、 撰写、打印设计说明书（1天）8、 答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日摘 要整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路，大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，在直流电动机的调速、发电机励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛地应用。整流电路由主电路、滤波器和变压器组成。本次三相桥式电路整流器的设计采用的是三相全控桥整流电路，电路设计在带反电动势负载下完成。系统电路主要包括，三相桥式整流器主电路设计，晶闸管相控触发电路设计，过电流和过电压保护电路设计三个部分，因而整个系统设计就大体

4、从这三个电路部分来设计完成。关键词：整流；变压；触发；保护电路。一、绪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，应用广泛。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉冲较小时，应采用三相整流电路，其交流测由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。本设计要求整流电路带直流电机负载，希望获得的直流电压脉冲较小，所以用三相全波整流比较合理。三相桥式全控和三相桥式半控是常见的三相桥式可控全波整流电路。三相半控桥式整流电路适用于中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动中，它采用共阴极的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不

5、可控整流电路串联而成，电路兼有可控与不可控两者的特性。共阳极组的三个整流二极管总是在自然换流点换流，使电流换到阴极点为更低的一相中去。该电路在使用中需加设续流二极管，以避免可能发生的失控现象，所以电路不具备逆变能力。虽然三相半控电路相应触发电路较简单，但只能用于整流不能用于逆变，现在很少使用。本设计选择使用三相桥式全控整流电路。整流电路的输入部分是变压器，作用是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，将整流电路与电网隔离，并将电网电压值转变为整流所需输入值。整流部分是六个晶闸管，是由共阴极的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成。为使整流电路能正常工作，除了

6、要给晶闸管配设可靠的触发电路外，还要有保护电路，以防止各种原因产生的过电压和过电流影响或损坏晶闸管。二、课程设计的方案2.1 概述本设计是三相全控桥式整流电路的设计。而三相桥式整流电路作用是给直流电动机供电，可以知道这是一个交流到直流的变换电路，即整流电路。直流电动机负载可以看成是三相全控桥式电路接一个反电动势负载，由此可以得出此设计的重点在于设计三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换，且保证输出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可。然后分别对主电路及触发电路进行设计。2.2 系统说明整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。框图中没有表明保护电路。当接通电源时，三相

7、桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电通给直流电动机，使之工作。图2.1 系统总体框图三、三相桥式全控整流的设计3.1 主电路设计及原理3.1.1 主电路设计主电路原理图如图1所示，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。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

8、接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。图3.1主电路原理图3.1.2 主电路的设计及器件选择 实验参数设定负载为220V、305A的直流电机，采用三相整流电路，交流侧由三相电源供电，设计要求选用三相桥式全控整流电路供电，主电路采用三相全控桥。3.1.3 三相全控桥的工作原理如下图所示，为三相桥式全控带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。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

9、、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为Y型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。图3-2三相桥式全控整流电路带电动机（阻感）负载原理图3.3.4 三相全控桥的工作特点 2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件。 对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。共阴极 组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，V

10、T3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。 ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样, 故该电路为6脉波整流电路。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 3.2 参数计算和波形分析3.2.1 整流变压器的选择由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V，由变压器为接法可知变压器二次侧相电压为： （公式1） 变比为： （公式2变压器一次和二次侧的相电流计算公式为： 公式3 公式4而在三相桥式全控中 公式5 公式6所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为： 公式7变压器初级容量为： 公式8变压器容量为： 公式9即：变压器参数归纳

11、如下：初级绕组三角形接法，；次级绕组星形接法，；容量选择为9.46989kW。3.2.2 晶闸管的选择合理选择整流晶闸管的主要参数是晶闸管的额定电压和额定电流。选用时，额定电压要留有一定的安全裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍，即(8)其中，为电路中晶闸管可能承受的电压峰值，对于三相全控整流电路：(9)可得：(10)额定电流即通态平均电流，是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并留有一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的

12、1.52倍。由公式：(11)式中为晶闸管的电流有效值。对三相全控整流电路，流过晶闸管电流的有效值：当，(12)当，(13)若，则(14)将=220V，=170V代入上式可得，与相矛盾，故，此时：(15)再次代入和，可得。所以可得各晶闸管电流有效值：3.2.3 平波电抗器的参数计算对于直流电动机负载的可控整流电路，为了使晶闸管整流供电的直流电动机即使在最轻负载下()，也能工作在电流连续段机械特性的直线上，要求电枢回路的临界电感量为(17)其中，为最小负载时对应的最小电流，一般取电动机额定电流的56，则有：(18)将其代入式(17)，可算得平波电抗器电感。3.2.4波形分析三相桥式全控整流电路大多

13、用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。当60度时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时ud波形与id的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0度和=30度的波形。 图2

14、-2中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流 iVT1 的波形，可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流 id 波形决定，和ud波形不同。图2-3中除给出ud波形和 id 波形外，还给出了变压器二次侧a相电流 id 的波形，在此不做具体分析。 图3-3触发角为0度时的波形图 图3-4 触发角为30时的波形图 当60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。图2-4给出了=90度时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均

15、值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90度。 图3-5 触发角为90时的波形图四、 电路部分设计4.1 触发电路4.1.1触发电路的作用及要求晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高压。大电流下工作，且工作过程可以控制。被广泛应用与可控整流、交流调压、无触点电子开光、逆变变频等电子电路中晶闸管具有以下特性：(1)触发信号要有足够的功率为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率。同时，触发信号也不许超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流，以免坏晶闸管的门极。在触发信号为脉冲形式

16、时，只要触发功率不超过规定值，允许触发电压或触发电流的幅值在短时间内大大超过铭牌规定值。(2)触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步为了保证电路的品质及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持固定的相位关系，即实现同步。实现同步的办法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶闸管主电压之间满足一定的相位关系。(3)触发脉冲要有一定的宽度和前沿陡度为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消失前必须达到擎住电流，此触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。特别地，负载为电感性负载时，电路中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲，才可

17、使元件可靠导通。此外，很多晶闸管电路还要求触发脉冲具有陡的前沿，以实现精确的触发导通控制。(4)触发电路要与主电路保持同步三相桥式半控整流电路的触发电路必须将晶闸管的触发电路与主电路相结合，使触发脉冲与主电路的相位同步。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，还应该保证每个晶闸管的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，称为触发电路的定相。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路的电网，由其二次侧提供同步电压信号。这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终使一致的。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括

18、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。(5)触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求触发脉冲的移相范围取决于主电路的特点、负载性质及整流电路的用途。例如，单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为，而电感性负载时的移相范围为。图4.1 4.1.2 触发电路的选择根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证导通的两个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号的前一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个脉冲前沿相差60度，脉冲

19、一般为20度到30度，称为双脉冲触发。触发电路如图4.1所示。4.2保护电路为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.2.1 过流保护电路设计电力电子装置中可能发生的过电

20、压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击哈系统中的操作过程等外部原因，包括操作过电压、雷击过电压；内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换项过电压和关断过电压。交流侧过电压一般都是外因过电压，一般用RC过电压抑制电路抑制外因过电压。通常是在变压器次级(元件侧)并联RC电路，吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化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可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。负载驱动电路电流检测电路过流继电器电力电子装置断路器电流互感器熔断器撬杠器直流侧过电压保护

21、也可采用上述方法，考虑到RC会影响系统的反应速度，并且会增大，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护，如图4-6所示：图4-2压敏电阻保护电路晶闸管两端可能的过电压发生在关断或者换项过程中，可以直接将RC并联在晶闸管两端进行保护，电路图如下：图4-3 压敏电阻保护电路4.2.2 过压保护电路电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。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。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，过电流继电器整定在过载是动作。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效应

22、、应用最广泛的一种过电流保护措施。本设计采用快速熔断器来实现晶闸管过电流保护。4.3 缓冲电路缓冲电路又称吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、或者过电流和，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和，减小器件的开通损耗，可将关断缓冲电路和开通电路结合在一起，称为复合缓冲电路。还有另外一中分类方式：缓冲电路中储能元件的能量如果能消耗在吸收电阻上，则称其为馈能式缓冲电路或无损吸收电路。产生过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中交流侧线电压相当于短路，交流侧阻容保护的电容放电造成过大；换相时因直流侧整流电压突然增

23、高，对阻容保护电容进行充电造成过大。限制的措施主要有：1、在晶闸管阳极回路串入电感；2、采用整流式阻容吸收装置；本设计采用的是第一种方法。对于带有整流变压器和交流侧阻容保护的交流装置，因变压器漏电感和交流侧RC吸收电路组成了滤波环节，使由交流电网入侵的前沿陡、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以抑制，并起到限制短路电流的作用。图4-8所示的缓冲电路被称为充放电型RCD缓冲电路，适用于中等的容量的场合。五、计算结果带反电动势电阻负载，R=2, U2=220V,LB=1.5mH,EM

24、=-400V,45°要求：计算Ud、Id与的值，此时送回电网的有功功率是多少？答：由题意可列出如下三个等式：   Ud=0.9U2cos(-)-Ud   Ud=2XBId/   Id=(Ud-EM)/R   三式联立求解，得：   Ud=2.34U2Rcos(-)+3XBEM /(R+3XB)=-290.3(V)   Id=109.7(A)   由下式可计算换流重叠角：cosa cos(a+)=2IdXb/6U2=0.1279   cos (120°+)=-0.6279   =128.90°-120°=8.90°