电力电子技术课程设计三相桥式整流电路

1、三相桥式整流电路的设计第一章主要技术数据和可控整流电路的选择1.1主要技术数据输入交流电源：三相380V ± 10%、f=50Hz、直流输出电流连续的最小值为 5A。电动 机额定参数：额定功率Pn =10kw、磁极对数P=2、额定nN=1000r/min,额定电压Umn=220V、 额定电流IMN=54.8A、过载倍数1.5。1.2可控整流电路的选择晶闸管可控整流电路型式较多，各种整流电路的技术性能和经济性能个不相同。单相 可控整流电路电压脉动大、脉动频率低、影响电网三相平衡运行。三相半波可控整流电路 虽然对影响电网三相平衡运行没有影响，但其脉动仍然较大。此外，整流变压器有直流分 量

2、磁势，利用率低。当整流电压相同时，晶闸管元件的反峰压比三相桥式整流电路高，晶 闸管价格高三相半波可控整流电路晶闸管数量比三相桥式可控整流电路少，投资比三相式 可控整流电路少。三相桥式可控整流电路它的脉动系数比三相半波可控整流电路少一半。 整流变压器没有直流分量磁势，变压器利用率高，晶闸管反峰压低。这种可控整流电路晶 闸管数量是三相半波可控整流电路的两倍。总投资比三相半波可控整流电路多。从上面几 种可控整流电路比较中可以看到：三相桥式可控整流电路从技术性能和经济性能两项指标 综合考虑比其它可控整流电路优越，故本设计确定选择三相桥式可控整流电路。 如图（1-1） 所示。VT1 VT3 VT5Tii

3、VT4 VT6 VT2图1-1三相桥式整流电路15第二章 过电压保护电路的设计引起过压的原因：1）操作过电压：由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引 起的过压。2）浪涌过压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过压。3）电力电子器件关断过电压：电力电子器件关断时产生的过压。4）在电力电子变换器-电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧直流电过高产生过压，也称为泵升电压过电压保护有操作过电压和浪涌过电压两种。 操作过电 压是由于变压器合闸，拉闸以及晶闸管本身关断所引起的。 浪涌过电压是由于雷击等原因， 从电网侵入的偶然过电压。晶闸管元件承受过电压能力较差，发生过电压

4、时，会使元件损 坏，因此必须采取有效措施.交流侧过电压保护电路如图（2-1）图2-1交流侧过电压保护电路第二早过电流保护引起过流的原因：当电力电子变流器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路 发生故障。出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电 压过高或过低、缺相等，均可引起变流器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。 由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变流器进行适当 的过流保护。变流器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流。本设计采用整流电路桥臂串联快速熔断器过电流保护。保护电路如图（3-1）所示图3-1过电流保护电路第四早

5、触发电路的设计触发电路使用集成移相触发芯片 TC787及少数外围器件组成TC787的引脚功能分配 如表4-1所示。表4-1触发电路的设计引脚标号功能简述说明1、 2、 18分别为Ua、Ub、Uc三相同步输入 电压输入端一般要加输入滤波器8、10、12分别为与三相同步电压正半周对应 的同相触发脉冲输出端一般要加输出隔离电路7、 9、 11分别为与三相同步电压负半周对应 的反相触发脉冲输出端4移相控制输入端电压幅值不能大于芯片工作电 压5Lock信号输入端，咼电平封锁所有 脉冲输出接保护电路的输出6工作方式选择端，为咼时输出双脉 冲，为低时输出单脉冲本次设计中接咼电平13所接电容的大小决定输出脉冲

6、的宽 度14、15、16对应三相同步电压的锯齿波电容连接端一般接0.1uF的电容到地3、17电源端可使用单电源与双电源隔离及功率开关9 00"6 5 4 3 2 1o n 2131 4 51 61 71 81图4-2 TC787的电路图源 电 压 稳当TC787的引脚6接高电平时，芯片被设置为双窄脉冲工作方式。 引脚7为与三相同 步电压中a相正半周及b相负半周对应的两个触发脉冲输出端，即 VT6 ;引脚8为与三相 同步电压中c相正半周及b相负半周对应的两个触发脉冲输出端，即 VT5 ;引脚9为与三 相同步电压中c相正半周及a相负半周对应的两个触发脉冲输出端， 即VT4 ；引脚10为与

7、 三相同步电压中b相正半周及a相负半周对应的两个触发脉冲输出端，即 VT3 ;引脚11 为与三相同步电压中b相正半周及c相负半周对应的两个触发脉冲输出端，即 VT2 ;引脚 12为与三相同步电压中a相正半周及c相负半周对应的两个触发脉冲输出端，即 VT1。由电阻、电容组成的T型网络一方面可以用来滤除同步电压上的干扰毛刺电压，增加 抗干扰能力，二则根据主电路整流变压器与同步变压器的不同联结组别实现同步电压的移 相，使输出触发脉冲更好的与晶闸管两极间电压实现相位同步。第五章 用霍尔元件检测过电流设计中还采用了霍尔电流传感器来检测负载中的过电流，一旦过电流超过了限定的 值，霍尔传感器的输出即可封锁触

8、发电路的脉冲输出。而且这种方案响应时间一般不大于 1ms，速度快。图5-2-1所示是在整流桥每个桥臂上串联快熔的电路图。元器件具体参数的 选择将在本文的第8部分进行详细的说明。图（5-1）为用霍尔元件组成的过电流保护电路。适当调节RP20使比较器输入管3为某一确定的电压。当流过霍尔元件的电流超过它的额定值时，霍尔元件会输出一个电压， 若这个电压能使比较器翻转，则比较器的输出端7会变高，Lock信号传到出触发芯片TC787，从而封锁触发脉冲，不再给晶闸管输出触发信号。如果电路发生故障时，霍尔传 感器输出为高使比较器翻转，Lock为高，封锁驱动信号，装置会停止运行；故障消失后， 霍尔传感器输出为低

9、是比较器再一次翻转，Lock为低，装置由开始运行，而此时故障并未 消除。这样装置会频繁地启、停，这是不利的情况。采用图5-2-2所示的电路能防止这种情况发生。图中比较器的输出端接一个二极管反馈到输入端组成自锁式保护电路，当霍尔 传感器检测到故障而使比较器输出有效的Lock信号后，二极管立即正偏导通，由于二极管的钳位作用，无论检测的信号是否再变化，比较器的输出Lock总是保持为高。只有当维护人员停机检修成功后再启动方能正确运行。第六章器件参数的计算与选型6.1晶闸管的选型每个晶闸管承受的最大反向电压为6U 2 = 538.89V，所选用的晶闸管的额定电压应为UN =(23) 538.89V -1

10、0781617V。当晶闸管触发角:=0时，通过晶闸管的电流最大。每个晶闸管的平均电流为1 2.34U2-EVT12.34 220 -60<3亦= 26.26 A所选用晶闸管的额定电流为I N =(1.5 2)咒 26.26A/1.57 = 25.1 34.0A根据以上的计算结果，选用 KP50普通螺栓型晶闸管，KP50的各项参数如下表表6-1参数It(AV)Vdrm ,VrrmIdrm IrrmTjmIgtVgtVtmdv/dtRjc单位(A)(V)(mA):(C)(mA)(V)(V)(V/ 卩 S):(C/w) JKP5050100-20002012520032.43000.4由表可以

11、看出，KP50的额定电压可达到2000V，额定电流为50A，都符合要求。另外，换 相电压临界上升率为300V/US,门极触发电压为3V，门极触发电流为200mA。6.2主变压器的选型当晶闸管的触发角:=0时，系统容量最大，2 2.34 220-60Smax =3U2I2max =3 22024.5KVA3 10主变压器容量必须大于24.5KVA且二次侧输出的线电压为380V。选择S9系列额定容量为30KVA、6.3/0.4KV级别的铜绕组低损耗电力变压器。6.3触发电路各元件的参数触发电路选用集成移相触发芯片 TC787,其外接电路各元件的参数值可参照有关技术 手册选取，这里不再一一详细推导说

12、明，仅将主要原器件的数值大小列在下表表6-3主要元器件的数值元件标号数值说明电阻R1、R6、R115K功率为0.5W的色环电阻R2、R7、R1227KR3、 R8、 R13PR4、 R9、 R14R5、R10、R1510KR16、R17、R18、R191KR39、R40、R41、R42、R43、R442K电位器RP1、RP2、RP35K同轴电位器RP4、RP1910K分立的电位器无极性电容C3、C4、C7、C8、C10、C12、C14104瓷片电容C240.01uF高精度钽电容1C25、C26、C270.1uF50VAC电解极性电容C1、C21000uF电容C5、C6、C22100uFC9、C

13、11、C131uF功率三极管V1V6TIP41CNPN型功率管二极管VD1VD191N4007r普通整流管1脉冲变压器TP1TP66.4阀侧整流式阻容保护电路参数整流式阻容保护电路的电路图如图 5-1-1所示。其中整流二极管可选用 6个普通的整 流管ZP5(正向平均电流为5A)，这里主要介绍电容Ce及电阻Re,® Re2的选择。当变压 器次级作星型连接时，电容Ce及电阻Re,、Re2的计算公式1分别为S1416Re,Ce_6i。 (uF) ,10 < Re110 , Re?1U；3Ce3Ce20其中io%为整流变压器激磁电流相对值，取 2%, U?为变压器二次侧相电压。代入数值

14、可 得Ce _ 7.44uF , 448KI七Re1乞44800K1。由于整流式阻容保护网络要吸收瞬时过电压， 对Ce的耐压要求一般较高，综合考虑各方面因素，选择Ce为AC1000V10uF的电解电容, Re1 为 30000 K1 , Re2=1500K。6.5快速熔断器的选型:=0，输出电压的平均值n = °,电枢反电势E = 0，由-ER Ra ,凡为直流电机内部等效整流器要求带反电势负载，在实际中一般为直流电动机，熔断器的选择要考虑到直流 电动机的启动电流的冲击。考虑最坏的情况：晶闸管的触发角 最大，Udmax =2.3如2 =514.8V。直流电机直接启动瞬间，IsU d

15、maxI s / 一 3二26.3 A ,考虑到电路中存在于电路中存在限流电阻，因此，最大启动电流为 电阻之和，往往可以忽略，所以Is =45.5A。在正常情况下通过每个晶闸管的最大电流有效值为瞬态冲击电流，选用熔断器熔体额定电流为40A，型号为RT0-100。6.6霍尔元件及其调理电路的参数当晶闸管的触发角:=0时，负载中流过的最平均大电流为2.34汉220601 d max * 小45.5A10当流过负载的电流超过45.5A时则视为不正常，此时应使保护电路动作。因此，可选择敏 感电流为50A的霍尔电流传感器。在这里选用 CSP通用电流传感器系列CSP050,它的各 项参数如表所示。由表可以

16、看出，这种电流传感器的响应速度非常快，只要有过电流现象 产生，传感器就能马上给出指令信号使其后的保护电路动作。表6-4霍尔元件的参数参数电源电压电源电流|敏感电流|输出偏置偏置漂移响应时间单位VmAA%/0CAsCSP050616<1050Vcc/2 2%5±0.0550在霍尔元件后的调理电路选用比较器 LM311，电路图如图5-2-2所示。LM311是一种 高灵活性的电压比较器，可以用单电源或双电源供电，这里采用双电源供电方式。图5-2-2 中各元器件的参数可参照 LM311的数据手册选取，这里给出参考值如下： R20、R21、都 取1/4W、5K的色环电阻，电位器 RP2o

17、取5K，C20、C21、C22、C23都取104瓷片电 容。总结通过这次课程设计，我了解到了整个电力电子装置的研制流程。在设计主电路、触发 电路、保护电路等各个环节中，我不仅对书本上已经学过的知识温故知新，而且还学到了 许多书本上没有的知识，对设计中各个环节的关键问题及注意事项都能大体地掌握，对某 些难以确定的参数，通过查各方面的资料、与同学讨论等方式，基本上能很好地解决。经 过一周的努力，我也基本上完成了设计要求，并在某些方面还能有所创新。当然，由于本人水平有限，在设计中难免会有不合理甚至不正确的地方，如遇到这种 情况，还希望老师能提出批评建议，我会及时改正。同样也感谢老师对我们的辛勤指导。心得体会这次电力电子技术课程设计，我们通过对知识的综合利用。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，通过讨论和查阅资料 逐一解决了这些问题。通过解决课程设计