電力電子技術(shù)課程設計--三相橋式全控整流電路

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　一、設計題目</b></p><p>　　三相橋式全控整流電路</p><p><b>　　二、設計任務</b></p><p>　　1、 設計一個三相可控整流電路使其輸入電壓:三相交流380伏

2、.50赫茲.</p><p><b>　　輸出功率:2KW</b></p><p>　　2、使其輸入電壓:三相交流380伏 .50赫茲.輸，出功率:2KW</p><p><b>　　負載為阻感性負載</b></p><p><b>　　三、設計計劃</b></p>

3、<p>　　電力電子技術(shù)課程設計共1周。</p><p>　　第1天：選題，查資料；</p><p>　　第2天：方案分析比較，確定設計方案；</p><p>　　第3～4天：電路原理設計與電路仿真；</p><p>　　第5天：編寫整理設計報告書。</p><p><b>　　四、設計要求&l

4、t;/b></p><p>　　1. 畫出整體電路圖。</p><p>　　2. 對所設計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設計任務要求。</p><p>　　3. 寫出符合設計格式要求的設計報告書。</p><p><b>　　指導教師：王巍</b></p><p>　　時 間：20

5、15年12月24日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文主要介紹三相橋式全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖,由工頻三相電壓380V經(jīng)升壓變壓器后由SCR(可控硅)再整流為直流供負載用。但是由于工藝要求大功率,大電流,高電壓,因此控制比較復雜,特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應,否則輸出的電壓波動大甚至還有可能短路造成設備損壞。

6、本電路圖主要由芯片C8051-F020微控制器來控制并在不同的時刻發(fā)出不同的脈沖信號去控制6個SCR。在負載端取出整流電壓,負載電流到C8051-F020模擬口,然后由MCU處理后發(fā)出信號控制SCR的導通角的大小。 在本課題設計開發(fā)過程中,我們使用KEIL-C開發(fā)軟件,C8051開發(fā)系統(tǒng)及PROTEL-99,并最終實現(xiàn)電路改造設計,并達到預期的效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電力電子，三相、整流</p&

7、gt;<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設計內(nèi)容 1</p><p>　　1.1主電路的設計 1</p><p>　　1.1.1電路的設計原理

8、 1</p><p>　　1.1.2定量分析 4</p><p>　　1.2保護電路的設計 6</p><p>　　1.2.1主電路的過電壓保護 6<

9、;/p><p>　　1.2.2晶閘管的過電壓保護 6</p><p>　　1.2.3晶閘管的過電流保護 7</p><p>　　2 觸發(fā)電路與主電路的同步 7</p><p>　　3 各元件參數(shù)的計算與

10、選擇 8</p><p>　　3.1參數(shù)的計算 8</p><p>　　3.2參數(shù)的選擇 9</p><p>　　總電路圖

11、 10</p><p>　　體會 10</p><p>　　參考文獻 11</p><p><b>　　1設計內(nèi)容</

12、b></p><p><b>　　1.1主電路的設計</b></p><p>　　1.1.1電路的設計原理</p><p>　　晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2

13、。編號如圖1示，晶閘管的導通順序為 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　帶電阻負載時的工作情況</p><p>　　晶閘管觸發(fā)角α=0o時的情況：此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或

14、者說負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2所示。</p><p>　　α=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關(guān)系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。 從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓

15、在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud = ud1－ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。將波形中的一個周期等分為6段，每段為60度，如圖2-18所示，每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示。由該表可見，6個晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p>　　由圖得

16、：6個晶閘管的脈沖按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組和陽極組依次差120o；同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180o。 整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個晶閘管

17、的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o～30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大， 繞組匝數(shù)較多，導致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯(lián)使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。α＝0o時晶閘管承受的電壓波形如圖所示。 </p><p>

18、;<b>　　圖2</b></p><p>　　圖中還給出了晶閘管VT1流過電流 iVT 的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120o處于通態(tài)，240o處于斷態(tài)，由于負載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時的電流波形與相應時段的ud波形相同。</p><p>　　當觸發(fā)角α改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。當α=30o時。從ωt1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與

19、α＝0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30o,組成 ud 的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也與同時段

20、的ud波形相同，但為負值。</p><p>　　當α=60o時，電路工作情況仍可參考上圖分析，ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。α＝60o時ud出現(xiàn)了為零的點。</p><p>　　由以上分析可見，當α≤60o時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。</p><p>　　當α＞60o時，如α＝90o時電阻負

21、載情況下，此時ud波形每60o中有30o為零，這是因為電阻負載時 id 波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負值。</p><p>　　如果繼續(xù)增大至120o，整流輸出電壓ud波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負載時三相橋式全控整流電路α角的移相范圍是120o。 </p><p><b

22、>　　阻感負載工作情況</b></p><p>　　三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，對于帶反電動勢阻感負載的情況，只需在阻感負載的基礎上掌握其特點，即可把握其工作情況。 </p><p>　　當α≤60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓

23、ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流 id 波形不同，電阻負載時 id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖6為電路帶阻感負載α=0o的波形。 </p><p>　　圖6中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流 iVT1 的波形

24、，可與圖2帶電阻負載時的情況進行比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 </p><p>　　當α＜60o時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移

25、相范圍為90o。</p><p><b>　　1.1.2定量分析</b></p><p>　　在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出的波形在一周期內(nèi)脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負</p><p

26、>　　載α≤60o時）的平均值為</p><p>　　電阻負載且α>60o時，整流電壓平均值為 </p><p>　　輸出電流平均值為Id = Ud/R。</p><p>　　當整流變壓器為圖1中所示采用星形聯(lián)結(jié)，帶阻感負載時，變壓器二次側(cè)電流波形如圖7中所示，為正負半周各寬120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值為 </p>&

27、lt;p>　　晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。 </p><p>　　晶閘管的參數(shù)：（1）電壓額定：晶閘管在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓Utn=U2考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時所承受峰值電壓的2～3倍。即 U額=(2～3)Utn 。 </p><p>　　根據(jù)要求，輸出功率為2kw，負載電阻為20歐姆，理想變壓器二次側(cè)電壓U

28、2=200∨，所以晶閘管的額定電壓U額=(2～3)U2=(2～3)×200∨.</p><p>　?。?）電流額定：通態(tài)平均電流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考慮安全裕量，應選用的通態(tài)平均電流為計算的（1.5～2）倍。計算得IVT(AV)=7.36A.</p><p>　?。?）對于晶閘管我們選用可關(guān)斷晶閘管CTO。它是具有門極正信號觸發(fā)

29、導通和門極負信號關(guān)斷的全控型電力電子器件。她既具有普通晶閘管耐壓高、電流大的特點，同時又具有GTR可關(guān)斷的優(yōu)點。</p><p>　?。?）總上述，我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。</p><p>　　正向阻斷電壓:1000～1500Ⅴ,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.5～2.5正向觸發(fā)電流：200～800MA，反向關(guān)斷電流：6～10A，開通時間：&

30、lt;6us,m關(guān)斷時間:<10us,工作頻率：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/us,正管壓降2～4V關(guān)斷增益：</p><p>　?。?）整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。</p><p>　　我們假設變壓器是理想的。U

31、2=Ud/2.34≈85.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。</p><p>　　1.2 保護電路的設計</p><p>　　1.2.1 主電路的過電壓保護</p><p>　　抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)

32、過電壓的能量。</p><p>　　對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。電路圖如圖3</p><p>

33、<b>　　圖3</b></p><p>　　1.2.2 晶閘管的過電壓保護</p><p>　　晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。</p><

34、;p>　　對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護，電路圖如圖4</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　1.2.3 晶閘管的過電流保護</p><p>　　常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關(guān)過電流保護。</p><p>　　快速熔斷器保

35、護是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開關(guān)時間長（只有在短路電流不大時才有用；直流快速開關(guān)過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。</p><p>　　因此，最佳方案是用快速熔斷器保護。如圖5</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　2觸發(fā)電路與主電路的同步</p><p>　

36、　所謂的同步，就是要求觸發(fā)脈沖和加于晶閘管的電源電壓之間必須保持頻率一致和相位固定。為實現(xiàn)這個，利用一個同步變壓器，將其一側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終保持一致的。再是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)電路相位正確。</p><p>　　3 各元件參數(shù)的計算與選擇</p><p><b

37、>　　3.1參數(shù)的計算</b></p><p>　　晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.1～1.5倍。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.1～1.5倍。</p><p>　　由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。</p><p>

38、;　　對于主電路的保護，電容C=6I0%SФ/U2/U2,電阻R≥2.3 U2* U2</p><p>　　對于晶閘管的過電流保護，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點：（1）快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷

39、器。</p><p>　　由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。</p><p>　　對于主電路的保護，電容C=6I0%SФ/U2/U2,電阻R≥2.3 U2* U2</p><p>　　對于晶閘管的過電流保護，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點：（1）快熔的額定電壓應大于線路

40、正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。</p><p><b>　　3.2 參數(shù)的選擇</b></p><p>　　我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。</p><p>　　正向阻斷電壓:1000～1500

41、Ⅴ,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.5～2.5正向觸發(fā)電流：200～800MA，反向關(guān)斷電流：6～10A，開通時間：<6us,m關(guān)斷時間:<10us,工作頻率：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/us,正管壓降2～4V關(guān)斷增益：5.</p><p>　　整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致

42、，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。</p><p>　　我們假設變壓器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。</p><p>　　晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按下表所提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.1～1.5倍。<

43、/p><p>　　由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。</p><p>　　對于主電路的保護，電容C=6I0%SФ/U2/U2,電阻R≥2.3 U2* U2</p><p>　　對于晶閘管的過電流保護，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點：（1）快熔的額定電壓應大于線路正常工作電壓

44、；（2）快熔的額定電流應大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。</p><p><b>　　4 總電路圖</b></p><p><b>　　體會</b></p><p>　　首先，我學到了不少東西。是我開闊了眼界，本次課程設計完美結(jié)束。同

45、時我也意識到到自己的不足，覺得應該好好學習，努力增加自己的知識含量。在設計中，我感到自己平時下功夫太少，以至于書到用時方恨少。同時，我覺得，一次課程設計是我如此疲憊，所以應該珍惜別人勞動成果。還要感謝教我的老師，沒有他們，我這次課程設計無法完成?？傊院笠煤脤W習，更加努力的汲取知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1.王兆安，黃俊

46、主編．電力電子技木．第四版．北京：機械工業(yè)出版社，2008年1月</p><p>　　2.鄭忠杰，吳作海編.電力電子變流技術(shù).第二版.北京：機械工業(yè)出版社，1988年7月</p><p>　　3.劉志剛主編.電力電子學.第一版.北京：清華大學出版社，2004年6月</p><p>　　4.李玉超，高沁翔.三相橋式全控整流實驗裝置的設計與研制?，F(xiàn)代電子技術(shù)2006（1

47、9）；104-106</p><p>　　5.黃發(fā)忠，于孝廷.三相橋式全控整流電路的諧波分析.山東科學2005,18（02）：50～53</p><p>　　6. [CIGRE_PAVC]Cigre Working Group 34.08, Protection Against Voltage Collapse, CIGRE, 1998. </p><p>　　7

48、. [TVCUTSEM]Thierry Van Cutsem, Costas Vournas, Voltage Stability of Electric Power [CWTAYLOR]Carson W. Taylor, Power System Voltage Stability.</p><p>　　8.System, Kluwer Academic Publishers, Boston, 1998&l

49、t;/p><p>　　9. [PKUNDUR]P. Kundur, Power System Stability and Control.</p><p>　　10. [KUNDUR90]P. Kundur, G.J. Rogers, D.Y. Wong, L. Wang, and M. G. Lauby, “A Comprehensive Computer Program Package