三相桥式全控整流课程设计

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1、1.电力电子简介随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各 个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要 求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为 电力电子领域的研究热点之一。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波， 变频，变相等）两个分支。1现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该 专业人才中占有重要地位。电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。

2、1974 年，美国的 W.Newell 用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为 它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普 遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术 2个不同 的角度来称呼的。一般认为，电力电子技术的诞生是以 1957 年美国通用电气公司研制出的第 一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流 技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现 前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。 70 年代后期以门极可关断晶 闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效

3、应管（Power-MOSFET）为代 表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制 既可以使其开通又可以使其关断）。使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的 发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT可看作MOSFET和BJT 的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能 力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子 装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成 模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率 集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但

4、这代表了电力电子技术发展的一 个重要方向。利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技 术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例 如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换 为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器(见电力变流器)将 蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电 能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同， 电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注 的是所能转换的电功率。电力电子技术是建立在电子学、电工原理

5、和自动控制三大学科上的新兴学 科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它 归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电 力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶 硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型 电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论 基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电 路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外 围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称

6、为电 力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、 自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。1.1 晶闸管的简介晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通 晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达 8kV6kA。晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的 外形有两种：螺栓型和平板型。1、晶闸管的基本特点有三个：(1) 欲使晶闸管导通需具备两个条件有： 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压； 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2) 晶

7、闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用 使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。2、晶闸管的工作特性单向晶闸管的伏安特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出它分五个 区，即反向击穿区、反向阻断区、正向阻断区、负阻区和正向导通区。大多数情 况下，晶闸管的应用电路均工作在正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管 A、 K极间所加的反向电压不能大于反向峰值电压，否则有可能便其烧毁。 单向晶闸管的上述特性，可以用以下几个主要参数来表征：3、额定平均电流IT:在规定的条件下，晶闸管允许通过的50Hz正弦波电流 的平均值。4、正向

8、转折电压VB0:是指在额定结温及控制极开路的条件下，在阳极和阴 极间加以正弦波半波正向电压，使其由关断状态发生正向转折变为导通状态时所 对应的电压峰值。单向晶闸管伏安特性曲线：反向峰這瑕压臥丄正量折电压陆/正向阻断区毘图 1-1 单向晶闸管伏安特性曲线5、正向阻断峰值电压VDRM:定义为正向转折电压减去100V后的电压值。6、反向击穿电压VBR:是指在额定结温下，阳极和阴极间加以正弦波反向电 压，当其反向漏电流急剧上升时所对应的电压峰值。7、反向峰值电压VRRM:定义为反向击穿电压减去1OOV后的电压值。8、正向平均压降VT:是指在规定的条件下，当通过的电流为其额定电流时, 晶闸管阳极、阴极间

9、电压降的平均值。9、维持电流IH:是指维持晶闸管导通的最小电流。10、控制极触发电压VCT和触发电流IGT:在规定的条件下，加在控制极上 的可以使晶闸管导通的所必需的最小电压和电流。11、导通时间tg( ton):从在晶闸管的控制极加上触发电压VGT开始到晶闸 管导通，其导通电流达到 90%时的这一段时间称为导通时间。12、关断时间tg(t off):从切断晶闸管的工向电流开始到控制极恢复控制能 力的这一段时间称为关断时间。此外，晶闸管还有一些其他参数，例如，为了使晶闸管能可靠地触发导通， 对加在控制极上的触发脉冲宽度是有一定要求的;为使晶闸管能可靠地关断，对 晶闸管的工作频率也有一定的规定;

10、为避免晶闸管损坏，对控制极的反向电压也 有一定的要求。2. 原理及方案三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦 合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行 变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成 分。保护电路采用 RC 过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过 电流保护。采用锯齿波同步 KJ004 集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电 路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整 流成直流，带动直流电动机运转。直流电动机结构框图如图 2-1 所示。整个设计主要分为主电路、触发电

11、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。触发模块触发信号电源1F三相桥式全控整流电路图 2-1 三相桥式全控整流电路结构图3. 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，交流测 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 三相全控桥的工作原理如图3-1 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

12、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、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为VT1VT2 VT3VT4 VT5 VT6。变压器为A-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。且不能为同 1 相器件。（2） 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、

13、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, VT3与VT6, VT5与VT2，脉冲相 差 180。（3） 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）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。3.1.2 阻感负载时的波形分析 三相桥式全控整流电路大多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a W60度时，ud波形连续，电路的工作情况与

14、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 3-2 和图3-3 分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负 载a =0度和a =30度的波形。图3-2中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流iVTl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

15、波形由负载电流id波形决定，和ud波形不同。图3-3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ia 的波形，在此不做具体分析。(t图 3-3 触发角为 30 时的波形图图 3-2 触发角为 0 度时的波形图当a 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3-4给出了a =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a角移相范围为90度。晶闸管阻容吸收元件参数可按表 3 所提供的经验数据选取，电容耐压一般选 晶闸管额定电压1.11.5倍。晶闸管阻容吸收元件参数可按表3-1所提供的经 验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压1.11.5倍。晶闸管额定电 流】t（av）/A1000500200100502010电容C/uF210.50.250.20.150.1电阻R/欧姆2510204080100raz、IV叫人/I P产V33.OftOft1参数的选择表 3-1 元器件参数由题意用电容为0.2UF,电容耐压为900 v；电阻为