三相橋式全控整流

1、1緒論1.1課題背景 高頻率、大容量、低損耗、小體積、易驅(qū)動(dòng)、模塊化是現(xiàn)在電力電子器件發(fā)展的目標(biāo)。高效、節(jié)能、小型化和智能化是目前電力電子應(yīng)用系統(tǒng)的方向發(fā)展。整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它是一種將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，在工業(yè)技術(shù)上應(yīng)用十分廣泛。主要用在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)，電鍍，電解等各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。1.2課題研究的目的和意義（1）培養(yǎng)綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。（2）通過對(duì)不可逆直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)，掌握三相橋式全控整流電路的工作原理，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，三相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力（3）培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。

2、1.3國(guó)內(nèi)外概況目前，各類電力電子變換器的輸入整流電路輸入功率級(jí)一般采用不可控整流或相控整流電路。這類整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟，但交流側(cè)輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。據(jù)估計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家有60%的電能經(jīng)過變換后才使用，而這個(gè)數(shù)字在本世紀(jì)初達(dá)到95%。 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一?？梢院敛豢鋸埖卣f，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。而電能的傳輸中，直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)

3、，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。1.4課題的主要研究工作此次課程設(shè)計(jì)研究的是三相橋式全

4、控整流電路，與三相半波整流電路相比，三相橋式整流電路的電源利用率更高，應(yīng)用更為廣泛。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究2.1三相橋式全控整流電路的原理三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，觸發(fā)晶閘管使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶?dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。晶閘管分共陰極和共陽(yáng)極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為共陽(yáng)極。（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同1相器件。（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依

5、次差60。2)共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。（3）Ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。三相橋式全控整流電路實(shí)質(zhì)上是三相半波共陰極組與共陽(yáng)極組整流電路的串聯(lián)。在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極

6、組的，另一個(gè)晶閘管是共陽(yáng)組的。 6 個(gè)晶閘管導(dǎo)通的順序是按 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6 依此循環(huán)，每隔 60 有一個(gè)晶閘管換相。為了保證在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為 60 。三相橋式全控整流電路原理圖如右圖所示。 三相橋式全控整流電路用作有源逆變時(shí)，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變狀態(tài)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一定要有直流電動(dòng)勢(shì)源，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；其次要求晶閘管的 a 90 ，使 U

7、 d 為負(fù)值。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求本次設(shè)計(jì)條件：電源電壓：三相交流U：220V/50Hz；輸出功率：11000W；觸發(fā)角，純電阻負(fù)載；=0,15,45,90,150電阻電感負(fù)載設(shè)計(jì)內(nèi)容：1.晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇 2.主電路的設(shè)計(jì) 3.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)2.3三相橋式全控整流電路定量分析(1)當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a60時(shí)）的平均值為： 公式（2.1）(2)帶電阻負(fù)載且a60時(shí)，整流電壓平均值為： 公式（2.2）輸出電流平均值為：Id=Ud/R(3)晶閘管額定電流、額定電壓的選擇晶閘管承受最大正向電壓為，為變壓器二次線電壓峰值，即 公式（2.3）晶閘管陽(yáng)極與陰極間

8、的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即 公式（2.4）輸出電壓Ud為0200V，負(fù)載電阻R=2W，輸出負(fù)載電流為：= 公式（2.5）晶閘管上流過電流為：= 公式（2.6）選用晶閘管時(shí)，額定電壓要留有一定裕量通常取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍。額定電流也要留一定裕量，一般取額定電流為通態(tài)平均電流的1.52倍。3總體設(shè)計(jì)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)的觸發(fā)電路。分別對(duì)晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計(jì)。3.1主電路主電路為帶電阻負(fù)載的三相橋式電路 圖3-1主電路為帶電阻電感負(fù)載的三相橋式電路,圖

9、3-2三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來的,它由三相半波共陰極接法(VT1,VT3,VT5)和三相半波共陽(yáng)極接法(VT4,VT6,VT2)的串聯(lián)組合。 表3-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載=0時(shí)晶閘管工作情況 時(shí)段123456共陰極組VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組VT6VT2VT2VT4VT4VT6udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=uabuc-ua=ucauc-ub=ucb 以此類推，當(dāng)=15,45,90,120時(shí)可得出三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載時(shí)晶閘管工作情況；同理可推出=0，15,45,90,150時(shí)出三相橋式全控整流電

10、路電阻電感負(fù)載時(shí)晶閘管工作的情況。3.2觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管開關(guān)可靠導(dǎo)通（門極電流應(yīng)大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。本題中使用了synchronized 6-pluse generator作為題中的六個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖輸入電路，初始觸發(fā)脈沖設(shè)為30度角

11、。芯片會(huì)自動(dòng)給各個(gè)晶閘管提供所需要的觸發(fā)脈沖，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時(shí)候?qū)?，以確保電路的正常運(yùn)行。 圖3-33.3保護(hù)電路3.3.1晶閘管的保護(hù)電路晶閘管的過電流保護(hù)：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管初開通時(shí)引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對(duì)于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù) 圖3-4 晶閘管的過電壓保護(hù)：晶閘管的過電壓保護(hù)主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)電流的電感會(huì)因高

12、電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路圖3-53.2.2 交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過電壓保護(hù)，可采用如圖所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護(hù)電路。整流電路正常工作時(shí)，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量；過電壓消失后，電容經(jīng) 、 放電，將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正

13、常值。圖3-63.3.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)切斷時(shí)，因直流側(cè)電抗器釋放儲(chǔ)能，會(huì)在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過電壓，仍會(huì)通過導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過電壓保護(hù)，用于抑制過電壓。圖3-74詳細(xì)的設(shè)計(jì)和仿真根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理集電路圖設(shè)計(jì)三相橋式全控整流電路仿真模型并根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟得出仿真結(jié)果4.1建立模型 根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理可以利用Simulink內(nèi)的模塊建立仿真模型如圖所示,設(shè)置三個(gè)交流電壓

14、源Va,Vb,Vc相位角依次相差120度,得到整流橋的三相電源。用6個(gè)Thyristor構(gòu)成整流橋,實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。6個(gè)pulsegenerator產(chǎn)生整流橋的觸發(fā)脈沖,且從上到下分別給16號(hào)晶閘管觸發(fā)脈沖。 圖4-1 三相橋式全控整流電路仿真模型4.2參數(shù)設(shè)置集仿真三相電源的相位互差120,交流峰值電壓為220V,頻率為50H。當(dāng)三相橋式全控整流電路為阻性負(fù)載時(shí)，電阻R=0.3；當(dāng)三相橋式全控整流電路為電阻電感負(fù)載時(shí)，電阻R=0.6，電感L=0.02H。有一個(gè)置零軟件，一個(gè)可調(diào)觸發(fā)角度的裝置（阻性負(fù)載0120，阻感性負(fù)載0180）。當(dāng)為三相橋式全控整流電路為阻性負(fù)載時(shí)仿真波形：

15、觸發(fā)角=0時(shí)輸出電流，電壓波形觸發(fā)角=15時(shí)輸出電流，電壓波形觸發(fā)角=45時(shí)輸出電流，電壓波形觸發(fā)角=90時(shí)輸出電流，電壓波形觸發(fā)角=120時(shí)輸出電流，電壓波形當(dāng)為三相橋式全控整流電路為電阻電感性負(fù)載時(shí)仿真波形觸發(fā)角=0時(shí)輸出電流，電壓波形 觸發(fā)角=15時(shí)輸出電流，電壓波形觸發(fā)角=45時(shí)輸出電流，電壓波形 觸發(fā)角=90時(shí)輸出電流，電壓波形 觸發(fā)角=120時(shí)輸出電流，電壓波形通過動(dòng)態(tài)仿真能有效知道整流電路出現(xiàn)故意時(shí)候的工作情況,同時(shí)也加深對(duì)三相全控整流電路的理解和運(yùn)用。 波形上的電流波形同電壓波形相同，可知，電阻對(duì)電流沒有滯后或超前的影響，即不會(huì)改變電流的相位。并且電流和電壓有突變現(xiàn)象，說明電阻

16、對(duì)電流或電壓沒有抑制現(xiàn)象。而且，電壓和電流的突變點(diǎn)與觸發(fā)脈沖的跳躍點(diǎn)是同時(shí)的！這也正好符合電路圖的設(shè)計(jì)原理。5總結(jié)與展望通過仿真和分析,可知三相橋式全控整流電路的輸出電壓受控制角和負(fù)載特性的影響,文中應(yīng)用Matlab的可視化仿真工具Simulink對(duì)三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析,并與相關(guān)文獻(xiàn)中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用Matlab/Simulink對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析,避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計(jì)算過程,得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真,在仿真過程中

17、可以靈活改變仿真參數(shù),并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。應(yīng)用Matlab對(duì)整流電路故障仿真研究時(shí),可以判斷出不同橋臂晶閘管發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的波形現(xiàn)象,為分析三相橋式整流電路打下較好的基礎(chǔ),是一種值得進(jìn)一步應(yīng)用推廣的功能強(qiáng)大的仿真軟件,同進(jìn)也是電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)較好輔助工具。 當(dāng)然這次實(shí)驗(yàn)有遇到了不少的困難，也出現(xiàn)了不少的錯(cuò)誤，反映出基礎(chǔ)知識(shí)的某些地方還有薄弱的地方。通過自己查找資料，苦心探索實(shí)踐，與同學(xué)討論學(xué)習(xí)，使我進(jìn)步了許多，學(xué)到了很多東西。不論是在基礎(chǔ)理論上還是思維能力、動(dòng)手能力上都有了比較大的提高。希望在今后的學(xué)習(xí)中努力解決仿真中出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)出更加完美的作品。致 謝在這次的論文

18、設(shè)計(jì)中，我要感謝我的指導(dǎo)老師曾侖明老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，感謝曾老師在白忙之中給我的幫助。在課程設(shè)計(jì)的過程中我培養(yǎng)了自己獨(dú)立工作的能力，給自己的未來樹立了信心，使我也明白了許多在課堂上沒有學(xué)習(xí)到的東西，同時(shí)也增強(qiáng)了我的實(shí)際動(dòng)手能力，讓我學(xué)習(xí)到了MATLAB軟件的許多功能。我相信它會(huì)對(duì)我今后的工作、學(xué)習(xí)、生活產(chǎn)生重要影響，我相信這次的課程設(shè)計(jì)會(huì)讓我終身收益！參考文獻(xiàn)1 康華光，陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052 皮文兵. 一種寬輸入范圍的Gillbert模擬乘法器設(shè)計(jì)J. 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用.2007.13（1）：88-903 鄭亞民，蔣保臣.基于MatlabSimulink的整流濾波電路的建模與仿真Jl.電子技術(shù)，2002 4 張筑生. 微分半動(dòng)力系統(tǒng)的不變集 D. 北京: 北京大學(xué)數(shù)學(xué)系數(shù)學(xué)研究所, 19835 王兆安.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.20096 李傳琦.電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn).電子工業(yè)出版社.20057 洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機(jī)械工業(yè)出版社.20068 鐘炎平.電力電子電路設(shè)計(jì).