三相桥式全控整流电路的设计.

1、7 三相桥式全控整流电路的设计序言:在电力电子技术的整流电路中,三相桥式全控整流电路是最为重要的一种,牢固掌握该电路的组成、工作原理以及该电路交直流两侧电量的数量关系，是学好后续课程自动控制系统的基础，对于设计性能良好的电力拖动系统至关重1主电路设计及原理1.1主电路设计其原理图如图1所示。VT1VT3VT5COReQud匚r_匚lxVT4VT6VT2图1二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，

2、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VT1-VT2-VT3VT4VT5-VT6。1.2主电路原理说明整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角ra时的情况。此时，对于共阴极组的3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3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个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的

3、电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2所示。d1UaUbUgTOC o 1-5 h z甬心八八/八i)tii?I十1、I/II/II_9IxII|IzII/xI/1:i:ii:in：iv：vV：:I11Uab1Uac1Ubc1Uba1UcaiUcbiUab1Uac1XIXIX.y)jA-A-/-A/N：八讥八/II-/i/iVZ|Xf/iX11X1a1X11f1f1/I/If十V/XI小V!断时刻，f就能控制整流断续时?为确保k0=90Ua14UbNUgAm碎耳IN07ML)t1MUMXJ乂10乂11丘电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前

4、的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60o,脉宽一般为20o30b,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。2保护电路的设计较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施2.1过电压保护1I.电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容，如图5所示。图5交流则过电压变压器一般为降压型，即电源电压U高于变压器次级电压。电源开关断开时，初、

5、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0,当电源合闸时,由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。在进行电源拉闸断电是也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到0,由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为Ldi/dt在电感一定得情况下，电流的变换越大，产生的过电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关,在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。可见,合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。在

6、电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压都发生在电路正常工作地状态，一般叫做操作过电压。雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生地时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。对于上面的这些过电压，我们可以采用下面的措施进行保护：（1）阻容保护IF过电压幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都是很短暂的，即点电压的能量并不是很大的。利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保

7、护方式叫做阻容保护。起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制形成的寄生的震荡。图6为电源侧阻容保护原理图。图（a）为单相阻容保护电路，图（b）和图（c）为三相阻容保护电路，RC网络连接成星型，如图（b），也可以连接成三角型，如图（c）电容越大对过电压的吸收作用越明显。力子备电电设nrt(b)图6阻容保护在图6中，图（a）为单相阻容保护，阻容网络直接接在电源端，吸收电源过电压。图（b）为接线形式为星型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。图（c）为接线三角型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。显然，三角型接线方式电容的

8、耐压要为星型接线的V3倍。但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星型接线的电容容量应为三角型3倍。也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的。(2)整流式阻容保护阻容保护电路的RC直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热。为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路，阻容式RC保护电路如图7所示。三相交流电匝旺图7整流式保护电路三相交流点经过二极管整流桥变为脉动直流电，经过R1给C充电，电路正常工作无过电压时电容两端保持交流电的峰值电压，而后整流桥给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。由

9、于与C并联的R2阻值很大，电容的放电非常慢，因此整流桥输出的电流也非常小。一旦出现过电氐过电压的能量被电容吸收，电容的容量足够大，可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使电流电压不超过额定值。过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常的峰值。由此可以看出，R2越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常的时间也越长，因此大小收到两次过电压时间最小间隔的限制。3.2过电流保护电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载荷短路两种情况。常用的过电路保护措施如图8所示。一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。针对某种电力器件，可能有些保护

10、措施是有效的而另外一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。断路器屯流互感器熔断器图8过流保护电路图交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流。应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，

11、过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减到0,器件关断。这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每相串接一个快速熔断器），也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。接法不同，保护效果也有差异。熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流

12、起作用的短路保护两种类型。撬杠保护多应用于大型的电力电子设备，电路中电流检测、电子保护都是必需的，同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。其保护原理如下:当检测到的电流信号超过整定值时，触发保护用的晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接一个小电感用以限制di/dt驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件，以分散短路能量，让所有器件分担短路电流；使交流断路器断开，切断短路能量的来源。经一段时间的衰减短路能量消失，起到保护作用。3各参数的计算与波形分析If3.1输出值的计算三相桥式全控整流电路中,整流输出电压u的波形在一个周期内脉动6次，d且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个

13、脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，因为300所以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。3.2输出波形的分析300时的输出波形如图9所示。U出JllaUbUgQ1讥3s、r1pALjJLiA/AAAA0I1y邀1:i11%111%h|79/I1IIIII,III:UabUaG.Ubc；UbaUcaiUcbiUab；Uac. 如图9所示，从成1时刻开始把一个周期寺分为6份，在Wtl时刻共阴极组VT1晶闸管接受到触发信号导通，此时阴极输出电压Udi为幅值最大的a相相电压；到Wt2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

14、是阴极输出电压变为b相相电压；到Wt3时刻第三个脉冲到来，晶闸管VT1关断而晶闸管VT2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Udi为在正半周的包络线。共阳极组中输出波形原理与共阴极组一样，只是每个触发脉冲比阴极组中IY脉冲相差180度。6个时段的导通次序如表1所示一样，只是Wt1从零时刻往后推迟30度而已。这样就得出最后输出整流电压为共阴极组输出电压与共阳极组输出电压的差即Ud=Udi-Ud2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。图中同时给出了变压器二次侧a相电流i的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120。期间，ia为正，由于大电

15、感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120。期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。4应用举例可以设计成能进行电动状态-发电状态转换的电动机应用在汽车的发点装置里面，其设计图如图10所示。1三相交流电存储装置VT1VT5iVT5大idVT4VT6VT2图10汽车发电装置图如图10所示，当汽车在平路或上坡路段行驶时，调节整流电路的触发角a使00,这时候整流电路工作在整流状态，三相交流点存储装置向M供电使M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a角使00,使输出直流电压Ud平均值为负值，且|Em|Ud|，这时候整流电路工作在逆变状态，位能装换为电能，M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，而且能够节约电能。5心得体会在电路的分析中我们要学会大胆的应用各种假设，来推演各种可能出现的状况，再结合波形图、电路图等直观