三相桥式可控整流电路的设计

三相桥式可控整流电路的设计班级 09自动化1班学号 姓名 摘要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。关键词：整流，变压，触发，过电压，保护电路AbstractRectifier circuit is the alternating current can be converted to DC power circuit. The majority of rectifying circuit composed of a transformer, rectifier main circuit and filter. It is in the speed of DC motor, generator excitation regulator, electrolysis, electroplating and other fields are widely used. Rectifier circuit usually consists of a main circuit, filter and a transformer. Since the nineteen seventies, the main circuit for silicon rectifier diodes and thyristors. Filter is connected with the main circuit and load, is used for filtering a pulsating DC voltage of the AC component. The transformer is arranged or not depending on the specific circumstances. Transformer is the role of AC input voltage and the output voltage of the DC and AC power grid and the matching between the rectifier circuit ( can reduce the electrical isolation between the power grid and the circuit between the electrical interference and failure effect ). There are many types of rectifier circuit, a half wave rectifier circuit, rectifier circuit, single phase full controlled bridge rectification circuit, a three phase half controlled bridge rectifier circuit, three-phase full-bridge controlled rectifier circuit.Key words: rectifier, transformer, trigger, voltage, protection circuit引言自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台 ，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从 旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子 的诞生。目前，电力电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。 1、三相桥式可控整流电路的原理 当整流容量较大，要求直流电压脉动较小,对快速性有特殊要求的场合,应考虑采用三相可控整流电路。这是因为三相整流装置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后时间短。图2为三相桥式全控整流电路及其输出电压波形。 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。习惯将电路中阴极连在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。三相桥式全控整流电路通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管电路得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因素下运行。本设计中，主电路由三大部分构成，分别为主电路、触发电路、保护电路。接通电路时，主电路通电，同时触发电路也通电工作，形成触发脉冲(图中省略了三片KJ004)，使主电路中的晶闸管导通工作采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。三相可控整流电路的原理框图，如图1所示2、主电路原理设计说明及定量分析2.1主电路工作原理三相桥式相控整流电路在变压器绕组中一个周期内流过的正反向电流的平均值相等，直流磁势相互抵消，没有直流磁化现象，且能提高变压器利用率。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。编号如图2所示，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 图2 主电路原理图2.2带电阻负载时的工作情况晶闸管触发角=0o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2-2所示。=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次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。 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 = ud1ud2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。将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，如图2-2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。表2-1导通的晶闸管及输出整流电压的情况 时 段 1 2 3 4 5 6共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb由图得：6个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次差60o；共阴极组和阳极组依次差120o；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180o。 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。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，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，脉宽一般为20o -30o，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。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，故采用双脉冲触发。0o时晶闸管承受的电压波形如图3所示。 图3 0o时的电压波形图中还给出了晶闸管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120o处于通态，240o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波形相同。当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。当=30o时。从t1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由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图4所示。 图4 30o时的电压波形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波形相同，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。当=60o时，电路工作情况仍可参考上图分析，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。60o时ud出现了为零的点。图5为60o时的电压波形 图5 60o时的电压波形由以上分析可见，当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60o时，如90o时电阻负载情况下，此时ud波形每60o中有30o为零，这是因为电阻负载时 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。如果继续增大至120o，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120o。 图6为90o时的电压波形 图6 90o时的电压波形2.3定量分析在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载60o时）的平均值为 电阻负载且>60o时，整流电压平均值为 输出电流平均值为Id = Ud/R。当整流变压器为图2-1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-4中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 晶闸管的参数：（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压Utn=U2考虑安全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的2-3倍。即额定电压U =(2-3)Utn 。 根据要求，输出功率为2kw，负载电阻为20欧姆，理想变压器二次侧电压U2=200，所以晶闸管的额定电压U额=(2-3)U2=(2-3)×200.（2）电流额定：通态平均电流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.52）倍。计算得IVT(AV)=7.36A.（3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管GTO。它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。它既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断的优点。（4）总上述，我们选用国产50A GTO。参数如下.选用电阻20欧姆。正向阻断电压:10001500,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.52.5正向触发电流：200800MA，反向关断电流：610A，开通时间：<6us,关断时间:<10us,工作频率：<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降24V关断增益：5.整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3U2I2=3*85.5*0.816Id。3.触发电路的设计晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：(1)当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。(2)晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。(3)晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。(4)晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。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。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，脉宽一般为20o 30o，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。触发电路如图7所示。图7 双脉冲触发电路3.1触发电路原理说明 如图7所示，触发电压的形成用KJ004芯片完成。KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。KJ004芯片内部结构如图8所示。图8 KJ004芯片内部结构图双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。如图7所示，KJ041的1-6脚管为单脉冲信号输入。把单脉冲信号由10-15脚管两两同时输出形成双脉冲信号，10-15脚管两两同时输出对应输送给VT6-VT1晶闸管。 （1）假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号，则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号，即只有15脚管和14脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，则此时VT1和VT2同时导通；（2）再过60度后，15脚管停止输出信号，而13脚管开始给VT3输出信号，即只有14脚管和13脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，此时VT2和VT3同时导通；（3）再过60度后，14脚管停止输出信号，而12脚管开始给VT4输出信号，即只有13脚管和12脚管有信号输出，其他脚管没有输出信号，此时VT3和VT4同时导通； （4）再过60度后，13脚管停止输出信号，而11脚管开始给VT5输出信号，即只有12脚管和11脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通； （5）再过60度后，12脚管停止输出信号，而10脚管开始给VT6输出信号，即只有11脚管和10脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通； （6）再过60度后，11脚管停止输出信号，而15脚管开始给VT1输出信号，即只有10脚管和15脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通；4电路的保护措施4.1主电路的过电压保护我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的副值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。 对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。电路图如图9所示图9 主电路过电压保护电路4.2晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护电路图如图10所示图10 晶闸管过电压保护电路4.3晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。 快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种：桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。 过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。 总结的结果：最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。 图11晶闸管过电流保护电路5各元件参数计算与选择晶闸管阻容吸收元件参数可按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。由题意用电容为0.2UF，电容耐压为900)V;电阻为40欧姆。对于主电路的保护，电容C=6I0%S/U2/U2,电阻R2.3 U2* U2对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充以石英砂填料，构成封闭式熔断器。选择快熔，要考虑一下几点：（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压；（2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；（3）熔体的额定电流是有效值。根据以上特点，我们选用国产RLS系列的RLS-50快速熔断器。所谓的触发电路与主电路同步，就是要求触发脉冲和加于晶闸管的电源电压之间必须保持频率一致和相位固定。为实现这个，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终保持一致的。再是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发电路相位正确。我们选用国产50A GTO。参数如下.选用电阻20欧姆。正向阻断电压:10001500,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.52.5正向触发电流：200800MA，反向关断电流：610A，开通时间：<6us,m关断时间:<10us,工作频率：<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降24V关断增益：5.整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.3485.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。晶闸管阻容吸收元件参数可按下表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IT(AV)/A1000 500 200 100 50 20 10电容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1电阻R/欧姆2510204080100由题意用电容为0.2UF，电容耐压为900)V;电阻为40欧姆。对于主电路的保护，电容C=6I0%S/U2/U2,电阻R2.3 U2* U2对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充以石英砂填料，构成封闭式熔断器。选择快熔，要考虑一下几点：（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压；（2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；（3）熔体的额定电流是有效值。根据以上特点，我们选用国产RLS系列的RLS-50快速熔断器。6、结论三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。其他可控整流电路在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比其他可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。下图10为整个系统的仿真图图10整个系统的仿真图7、设计体会这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计，由于这是电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，所以这个知识点我掌握的比较透彻，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。整个课程设计的过程中，重点难道还是在protel原理图的绘制。当然这次实验有遇到了不少的困难，也出现了不少的错误，反映出基础知识的某些地方还有薄弱的地方。通过自己查找资料，苦心探索实践，与同学讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。不论是在基础理论上还是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。此外，由于这次课程设计是两人一组，经过此次历练后提高了我的协调合作能力。很高兴有这么一次课程设计的机会，我想它将对以后的学习和今后的工作带来一定的好处。电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。因此，电力电子装置的应用是十分重要的。在大学有这种机会很好，课程设计给我一个自学的好机会。通过这次设计我学到了很多东西，不单是课本知识的加深，还有的是学到了很多以前不会的事。通过对三相桥式全控整流电路的研究，更了解了整流电路的线路、原理，知道了许多触发电路，加深了对触发电路的功能了解，还要保护电路，认识保护电路的重要，并对其深入了研究。其次，我还学习了电气CAD,虽不很专业，但也了解不少，对word文档也复习了一遍，更深层的理解了。在课程设计中，我们分组合作，真正体会到团队的力量，一个团队绝不是个人的事，合作很重要。总之，这次课程设计对我帮助很大，很满意。参考文献1 王兆安，黄俊. 电力电子技术M. 4版. 北京：机械工业出版社，2000.全文2 黄俊，王兆安. 电力电子技术M. 3版. 北京：机械工业出版社，1993.全文3 陈治明. 电力电子器件基础M. 北京：机械工业出版社，1992.第6页4 赵可斌，陈国雄. 电力电子变流技术M. 上海：上海交通大学出版社，1993.第8页5 张立，赵永健. 现代电力电子技术M. 北京：科学出版社，1992. 第10页6 丁道宏. 电力电子技术M. 北京：航空工业出版社，1992.第11页7 邵丙衡. 电力电子技术M. 北京：中国铁道出版社，2007.第12页