电力电子课程设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——电力电子课程设计三相桥式全控整流电路电阻性负载设计电力电子变流技术课程设计

三相桥式全控整流电路的设计

一、主电路设计及原理

1.1主电路设计

其原理图如图1所示。

图1三相桥式全控整理电路原理图

目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其带电阻性负载原理图如图1所示。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，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

1.2主电路原理说明

假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种状况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的状况。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

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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。此时电路工作波形如图2所示。

α=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ud的波形时，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ud1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ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2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。

直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud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ud波形为线电压在正半周的包络线。

为了说明各晶闸管的工作的状况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的状况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。α=0o时晶闸管工作状况如表1所示。

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时段共阴极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管整流输出电压udⅠVT1ⅡVT1ⅢVT3ⅣVT3ⅤVT5ⅥVT5VT6VT2VT2VT4VT4VT6ua-ubua-ucub-ucub-uauc-uauc-ub=uab=uac=ubc=uba=uca=ucb表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作状况

从触发角α=0o时的状况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点如下：（1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为1相的晶闸管。

（2）对触发脉冲要求：6个晶闸管的脉冲按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的顺序，相位依次差60o；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120o，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120o；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180o。

（3）整流输出电压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。

（4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60o（一般取80o~100o），称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前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，

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脉宽一般为20~30，称为双脉冲触发。双脉冲电路较繁杂，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器饱和，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，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种状况，但又使触发电路繁杂化。因此，常用的是双脉冲触发。（5）α＝0o时晶闸管承受的电压波形如图2所示。图中仅给出VT1的电压波形。将此波形与三相半波中的VT1电压波形比较可见，两者是一致的，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也与三相半波时一样。图2中还给出了晶闸管VT1流过电流iVT的波形，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120处于通态，240处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形一致。

当触发角α改变时，电路的工作状况将发生变化。图3给出了α=30时的波形。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的状况相比，一周期中ud波形

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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30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如下图。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形一致，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形一致，但为负值。

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图4给出了α=60o时的波形，电路工作状况仍可对照表1分析。ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。α＝60o时ud出现了为零的点。

由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。

当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载状况下的工作波形如图5所示，此时ud波形每60o中有30o为零，这是由于电阻负载时id波形与ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，因此ud波形不能出现负值。图5中还给出了晶闸管电流和变压器二次电流的波形。

假使继续增大至120，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻

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负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120。

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二、各元件参数的计算

三相桥式全控整流电路中，整流输出电压ud的波形在一个周期内脉动6次，且每次脉

动的波形一致，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。以线电压uuv的零点为时间坐标原点的线电压波形如图6所示，其自然换相点在?t?600处，他是线电压uwv与uuv的交点。可以看出，当??600时，电流连续。当??600时，电流断续。因此，整流输出电压连续时的平均值Ud亦要分两种状况：

（1）当00???600时，

Ud?12??3??33????6U2sin?td(?t)

?2.34U2cos??1.35U2Lcos?

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(2)当600???1200时，整流只能在正半周进行，故

Ud?1?3?????6U2sin?td(?t)3

?2.34U2[1?cos(?3??)]?1.35U2L[1?cos(?3??)]

当??00时，Ud取得最大值为1.35U2L；当??600时，Ud?0.675U2L；当??1200时，Ud?0。

其中，U2L为变压器二次绕组的线电压有效值。可以看出，最大移相范围是1200。

图6??600时计算整流电压的波形

由以上分析可知，负载两端承受的始终为线电压，且电阻性负载的电流波形与电压波形一致。为满足负载电压在50V~300V内可调，则可做如下计算:

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①当??00时，Ud取得最大值为1.35U2L，留取50V的裕量，令Ud?1.35U2L?350V，解得U2L?260V

则变压器变比为：N?380260?1.46

考虑到所留裕量足够大，故取变压器变比为N?1.5

②为取得负载电压为50V，考虑留取适当裕量，则令Ud?1.35U2L[1?cos(其中1.35U2L?350V

则可解得，??940。

则至此可知，?的调理范围为00~940，即控制角移相范围为940。

输出电流平均值为：Id?UdR?3??)]?35，

则电阻负载上的电流有效值的计算如下：①当00???600时，负载电流有效值为：

Id?12????33??3??(6U2sin?tR)d(?t)?2U2LR6?3(?cos2?)?64易知当cos2??1，即??00时，有效值Id取得最大值为11.82A。②当600???940时，负载电流的有效值为

Id?1??????(6U2sin?tR)d(?t)233

?U2LR6??31(??cos2??sin2?)?3288求Id关于?的导数，可解得当600???940时，Id关于?单调递减，故当??600时，有效值Id取得最大值为9.96A

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综上所述，考虑安全裕量，故取负载电流Id最大有效值取为11.82A。

由于晶闸管是交替工作的，故流过晶闸管的电流最大有效值，亦即变压器二次侧的

线电流为：IT?I2L?Id3?11.823?6.82A

则变压器的容量为：S?3U2LI2L?3?260?6.82?3071.18V?A考虑安全裕量，故取变压器容量为3100V?A。则晶闸管通态平均电流为：IT(AV)?IT1.57?6.821.57?4.34A，取整为5A

考虑1.5~2.0倍的安全裕量，这里取2倍的裕量，则晶闸管额定电流为10A。由上述各图所示电压波形可知，晶闸管所承受的最大正反向电压都是线电压的峰

值6U2，亦即2U2L，为367.64V，取整为370V。考虑2.0~3.0倍的安全裕量，这里取3倍裕量，则晶闸管的额定电压为1110V。

至此，各元件参数计算完毕。

综上所述，各元件参数汇总如表2所示。

元器件整流变压器晶闸管参数额定电压（V）额定电流(A)额定容量(V?A)变比阻值控制角?的调理范围表2各元件参数

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电阻2606.8231001110101.520?00???940三相桥式全控整流电路电阻性负载设计电力电子变流技术课程设计

三、设计心得

经过一个星期的努力，终究完成了电力电子课程设计