三相橋式全控整流電路教學(xué)規(guī)劃

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書相橋式全控整流電路系、 部:電氣與信息工程系專 業(yè):自動化1目錄第1章緒論1. 電子技術(shù)的發(fā)展趨勢.2. 本人的主要工作第2章 主電路的設(shè)計及原理.1. 總體框圖2. 主電路的設(shè)計原理 2.1帶電阻負(fù)載時 2.2阻感負(fù)載時3. 觸發(fā)電路4. 保護電路5. 參數(shù)計算整流變壓器的選擇 晶閘管的選擇.輸出的定量分析.1.05.15.25.3第3章 MATLAB的仿真1. MATLAB仿真軟件的簡介2. 仿真模擬圖3. 仿真結(jié)果第4章結(jié)束語參考文獻10.1.112.1.3.1.3.1.3.,1.4,1.6.1.7第1章緒論1. 電子技術(shù)的發(fā)展趨勢當(dāng)今世界能源消耗增長十分迅速。

2、目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才到使用者手中。 預(yù)計十年后, 電力能源中的80%要經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)在21世紀(jì)將起到 更大作用。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。它包括電 力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程 技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制 理論、材料科學(xué)、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為 一門多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。電力電子技術(shù)作為一門高技術(shù)學(xué)科，由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等方面有著

3、重要的作用，現(xiàn)在已廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)(例如：電力、機械、交通、化工、冶金、輕紡等)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(例如：航天、現(xiàn)代化通信等)。F面著重討論電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用。在高壓直流輸電(HVDC)方面的應(yīng)用直流輸電在技術(shù)方面有許多優(yōu)點：(1)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)電網(wǎng)的 非同期互聯(lián)；(2)可以限制短路電流；(3)沒有電容充電電流；(4)線路有功損耗小；(5)輸送相同功率時，線路造價低；（6）調(diào)節(jié)速度快，運行可靠;（7）適宜于海下輸電。隨 著大功率電子器件（如：可關(guān)斷的晶閘管、MOS控制的晶閘管、絕緣門極雙極性 三極管等）開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的出現(xiàn)和投入應(yīng)用，高 壓

4、直流輸電設(shè)備的性能必將進一步得以改善， 設(shè)備結(jié)構(gòu)得以簡化，從而減少換流 站的占地面積、降低工程造價。在柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的應(yīng)用20世紀(jì)80年代中期，美國電力科學(xué)研究院（EPRI）NGHingorani博士首次提出柔性交流輸電技術(shù)的概念。近年來柔性交流輸電技術(shù)在世界上發(fā)展迅速， 已 被國內(nèi)外一些權(quán)威的輸電工作者預(yù)測確定為 “未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支持技 術(shù)（柔性輸電技術(shù)、先進的控制中心技術(shù)和綜合自動化技術(shù) ）之一”?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制理論和通訊技術(shù)的發(fā)展為 FACTS的發(fā)展提供了條件。采用IGBT等可關(guān)斷器件組成的FACTS元件可以快速、平滑地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，從而靈活、 迅速地

5、改變系統(tǒng)的潮流分布。在電力諧波治理方面的應(yīng)用有源濾波是治理日益嚴(yán)重的電力系統(tǒng)諧波的最理想方法之一。 有源濾波器的 概念最早是在20世紀(jì)70年代初提出來的，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電 網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零, 從而實現(xiàn)實時補償諧波電流的目的。 隨著中國電能質(zhì)量治理工作的深入開展， 使 用以瞬時無功功率理論為理論基礎(chǔ)的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市 場潛力。在不間斷電源（UPS）中的應(yīng)用UPS緊急供電系統(tǒng)是電力自動化系統(tǒng)安全可靠運行的根本保證，是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源?，F(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)

6、制技術(shù)和功率 M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，降低了電源的噪聲，提高了效率和可靠性。電力電子技術(shù)已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾 乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。 毫無疑問，它將成為新世紀(jì)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。電力電子技術(shù)擁有許多微電子技術(shù)所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力 強、生命力旺盛，并且能與其它學(xué)科相互融合和相互發(fā)展。2. 本人的主要工作設(shè)計一個三相橋式全控整流電路。把設(shè)計的電路圖進行仿真，分析并調(diào)試，使輸出得到所要求的到的值。用軟件MATLAB ，畫出設(shè)計原理圖。完成設(shè)計報告。第2章 主電路的設(shè)計及原理1.總體框圖圖2-1-1總電路的總體框圖2.主電路的

7、設(shè)計原理在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控 制角都是a。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯(lián)，因此整流電壓 為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的 最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發(fā)的順序是1-2-3-4-5-6，晶 閘管是這樣編號的：晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和KP6接b 相,晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極KP1 KP3 KP5組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。為了搞清楚a變化時各晶閘管的導(dǎo)通規(guī)律，分析輸

8、出波形的變化規(guī)則,F面研究幾個特殊控制角，先分析au0=0的情況，也就是在自然換相點觸發(fā)換相時的情況。圖1是電路接線圖。為了分析方便起見，把一個周期等分6段（見圖2）。在第（1）段期間，a相電壓最高,Bu2! a二P4 Kp6 KP2K圖1三相橋式全控整流電路1 »； 1! : 1I1 111 i1 1I1屯A1< .h1IIIJII1 巾)！ 3) "(3) 1(4)苗）w1 I5 11 '311 5li M1!1 nuI! S 1! !11+11 1 1 ,11 1 11c 11111:2* L4|1 l6IJi _14IUg3t0Ug;fl; T! I

9、" I h I P iU2a b c a b3t3tD0圖2三相橋式整流電路的觸發(fā)脈沖而共陰極組的晶閘管 KP1被觸發(fā)導(dǎo)通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管KP6被觸發(fā)導(dǎo)通。這時電流由a相經(jīng)KP1流向負(fù)載，再經(jīng)KP6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a 相電流為正，共陽極組的b相電流為負(fù)。加在負(fù)載上的整流電壓為ud=ua-ub=uab經(jīng)過60。后進入第2）段時期。這時a相電位仍然最高，晶閘管 KPI繼續(xù)導(dǎo)通，但是c相電位卻變成最低，當(dāng)經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)c相晶閘管KP2，電流 即從b相換到c相，KP6承受反向電壓而關(guān)斷。這時電流由a相流出經(jīng)KPI、負(fù) 載、KP2流回電源c相

10、。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負(fù)。在負(fù)載上的電壓為ud=ua-uc=uac再經(jīng)過60。，進入第3）段時期。這時b相電位最高，共陰極組在經(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管 KP3,電流即從a相換到b相，c相晶閘管KP2因電位仍然最低而繼續(xù)導(dǎo)通。此時變壓器bc兩相工作，在負(fù)載上的電壓為ud=ub-uc=ubc2.1帶電阻負(fù)載時a=0 °時的情況假設(shè)將電路中的晶閘管換做二極管驚醒分析對于共陰極組的三個晶閘管， 陽 極所接交流電壓值最大的一個導(dǎo)通對于共陽極組的三個晶閘管， 陰極所接交流電 壓值最低的導(dǎo)通認(rèn)識時刻共陽極組和共陰極組中各有一個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。從相電壓波形看

11、，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時， Ud1為相電壓的正包絡(luò)線，共 陽極組導(dǎo)通時，Ud2為相電壓的負(fù)包絡(luò)線，Ud=Ud1-Ud2 是兩者的差值，為為 線電壓在正半周的包絡(luò)線直接從線電壓波形看， Ud為線電壓中最大的一個，因 此Ud波形為線電壓的包絡(luò)線。MrViII II - III ! fVIXLxjxy*頭一.一一卜一1 二 Z丄- r*: /JJ二文X ¥ "X X XI '二斗.*CiVi/ V /A XX -V J 八、SI - vh"AJ A圖2-2-1三項橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時的波形由上述三相橋式全控整流電路的工作過程可以看出:1.三相橋式全控

12、整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，另一個是共陽極組的，只有它們能同時導(dǎo)通，才能形成 導(dǎo)電回路。2.三相橋式全控整流電路就是兩組三相半波整流電路的串聯(lián)，所以與三相半波整流電路一樣，對于共陰極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管 KPI、KP3和KP5依次導(dǎo)通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差應(yīng)為120 °。對于共陽極組觸發(fā)脈沖的要求是保證晶閘管 KP2、KP4和KP6依次導(dǎo)通，因此它們的觸發(fā)脈沖之間的相位差也是120 °。3.由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽極組是在負(fù)半周觸發(fā)，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)該相差180

13、76;4.三相橋式全控整流電路每隔60。有一個晶閘管要換流，由上一號晶閘管換流到下一號晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈沖的順序是：1T2T3T4-5T6T1，依次下 去。相鄰兩脈沖的相位差是60 °。5. 由于電流斷續(xù)后，能夠使晶閘管再次導(dǎo)通，必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時有觸發(fā)脈沖。為了達(dá)到這個目的，可以采取兩種辦法；一種是使每個脈 沖的寬度大于60。（必須小于120 ° ） 一般取80 ° -100。，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖， 使共陰極組 和共陽極組的兩個應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管上都有觸發(fā)脈沖，相當(dāng)于兩個窄脈沖等效地代 替大于

14、60。的寬脈沖。這種方法稱雙脈沖觸發(fā)。6、整流輸出的電壓，也就是負(fù)載上的電壓。整流輸出的電壓應(yīng)該是兩相電壓相減后的波形，實際上都屬于線電壓，波頭uab、uac、ubc、uba、uca、ucb 均為線電壓的一部分，是上述線電壓的包絡(luò)線。相電壓的交點與線電壓的交點在 同一角度位置上，故線電壓的交點同樣是自然換相點， 同時亦可看出，三相橋式全控的整流電壓在一個周期內(nèi)脈動六次，脈動頻率為6 X 50=300赫，比三相半波時大一倍。7、晶閘管所承受的電壓。三相橋式整流電路在任何瞬間僅有二臂的元件導(dǎo)通，其余四臂的元件均承受變化著的反向電壓。 例如在第（1）段時期，KP1和KP6 導(dǎo)通，此時 KP3和KP4

15、,承受反向線電壓 uba=ub-ua。KP2承受反向線電壓 ubc=ub-uc 。 KP5承受反向線電壓uca=uc-ua。晶閘管所受的反向最大電壓即為線電壓的峰值。當(dāng)a從零增大的過程中，同樣可分析出晶閘管承受的最大正向 電壓也是線電壓的峰值。當(dāng)a=60 °時的情況:當(dāng)觸發(fā)角a改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。從wt1角開始把一周期等分為六段，每段60度。在VT1處于通態(tài)的120度期間，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120度期間，ia波形的形狀 也與同時段的Ud波形相同，但為負(fù)值。當(dāng)a<60。時,Ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與Ud

16、波形形狀一樣, 也連續(xù)。Ud波形每60 °中有一段為零，Ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。帶電阻負(fù)載時三項橋式全控整流電路a角的移相范圍是120 °、rr-. .- '卜O%1$f ik；V、/JX初nMEl rfxjxXXA '= 、r i-i V £ =.八,八y八,>_<X.A / “幾 1圖 2-2-2' J /'' L-尤，r -, X A 英、-.X"+ «.-A 巴V、>=X = K三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=60度時的波形2.2阻感負(fù)載時當(dāng)a<60。時,Ud波形連續(xù)，電路

17、的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，個晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓 Ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同，電阻負(fù)載時id波形與Ud波形形狀一樣。而足感負(fù)載時，由于電感的作用, 似的負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時候，負(fù)載電流的波形可近似的為 一條水平線。圖2-2-3為三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載 a=0。時的波形。圖2-2-3 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=0。時的波形當(dāng)a>60時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時Ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感 L的作用，Ud波形會

18、出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-2-4為三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載 a=90。時的波形。J-ZifrfrrJj7rVX、 2*'V J 3 V.M:TH 2 i-r-rJ/'xrxix' ij " r .-Z6vjMx .J- -q n -JJ*- "-WT-F ' I4、 Z J”/K !丄1 >Zi ' =八、_ =y，T，-XJ小i/itX- I X A. ? A. A I .K A仁彳L. > .3 . -.i三相橋式帶阻感負(fù)冰舉9。*時的:y； y： w '/iV；y： x； '/： v： Ihh,I&#

19、39;IhI4/7F ：養(yǎng)；八：X 1其，XBO3.觸發(fā)電路： A； A： A： A ?Y時的波形0 i ；',；'./t,X*<III11,IIbI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）0“r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。大、中

20、功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信 號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào) 試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及， 已逐步取代分立式電路。此處就 是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。KJ004組成分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖 形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。KJ004觸發(fā)電路為模擬的觸發(fā)電路，其組成為: 3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即可得到完整的三相全控橋觸發(fā)電路。三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖2-3-1所示。-15Vr.>usaoUsbu sccowp4+15V 匕p

21、Rorjiu(Rc1,AlnTl（1 6腳為6路單脈沖輸入）_8I > Jn4 護 7 - -C6RP6R216R2 R D9c1L 1R亠I（1510 腳為 6路雙脈沖輸出）QAAAAfKJ041 15 至 VT 6O6至VT 1至VT 2doo至VT 3至VT 4至VT圖2-3-1三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路4.保護電路為了保護設(shè)備的安全，必須設(shè)置保護電路。此設(shè)計電路必須對經(jīng)晶閘管、交 流側(cè)、直流側(cè)進行電路的保護設(shè)計。1、晶閘管的過電流保護：過電流可分為過載和短路兩種情況， 可采用多種保護措施。對于晶閘管初開通引起的較大電流上升率， 可在晶閘管的陽極回流串 聯(lián)電感進行抑制；對于整

22、流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負(fù)載回路接地時可 以采用接入熔斷器進行保護。PVVI圖2-4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路2、晶閘管的過電壓保護：晶閘管的過電壓保護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，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)電流的電感會因 高電流變化率產(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， 般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。圖2-4-2并聯(lián)RC電阻電容吸收回路5.參數(shù)計算5.1整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V。由變壓器三角形一心形接法可知變壓器

23、二次側(cè)相電壓為：220VU2(2-1)127VV3變化為:b 380 3.0U2127變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的相電流計算公式為:I1Kl1ldK(2-2 )IiKl2ld而在三相橋式全控中:Ki1Id所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級容量為：Ki2 占 0816305 A(2-3 )Si3U2I2(2-4 )變壓器初級容量為:S23U1I1(2-5 )變壓器容量為:S1 S22(2-6 )即:3*127*0816*305 3* 380* 305* O81S 309.46989kW2變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法 U1=380V.I 1=82.96A;次級繞組星形 接法，U2=127V,

24、I 2=248.88A:容量選擇為 10Kw。5.2晶閘管的選擇1、晶閘管的額定電壓由三相全控橋整流電路的波形分析知，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值：U FM U RMV6u 2(2-7 )故橋臂的工作幅值為:Um 76*127 311.1V考慮欲量，則額定電壓為：Un (2 3)U M2、晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為：(2 3)* 311.1(622.2 933.3)VI丨 d maxivt石600346.44AV3(2-8 )考慮欲量，故晶閘管的額定電流為:IvT (1.5 2)出 (330.97 441.30)A1.575.3輸出的定量分析在以上的分析中已經(jīng)說明

25、，整流輸出電壓Ud的波形在一周期內(nèi)脈動六次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈沖進行計算即可。 此 外，以線電壓的過零點為時間坐標(biāo)的零點，于是可得到整流輸出電壓連續(xù)時(即(2-9 )帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載 a<60時)的平均值為：U d TeU 2 sin td ( t) 2.34U2COS一可帶電阻負(fù)載且3a>60時，整流電壓平均值為Ud -76u2Sin td( t) 2.34J2 1 cos()(2-10)33輸出電流的平均值為：Id UyR 。第3章 MATLAB 的仿真1. MATLAB仿真軟件的簡介Matlab控制系統(tǒng)仿真軟件是當(dāng)今國際控制界公

26、認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，1999年春Matlab5.3版問世，使Matlab擁有更豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，更友善的面向?qū)?象、更加快速精良的圖形可視、更廣博的數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應(yīng)用開發(fā) 工具，特別是SIMULINK這一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境的出現(xiàn)，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設(shè)的非線性因素、隨機因素，從而及時學(xué)生沒有對非線性動態(tài)系統(tǒng)進行分析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，仍可通過 仿真來認(rèn)知非線性對系統(tǒng)動態(tài)的影響。2.仿真模擬圖3如-如sr±tfl 115 初 CtroftEE；6-A- :E jS-'EratorCO-ETTtABB-Blodrfl±=EHCAUnrve-H SnsgtSe*i«s Rue E*ancr圖3-2-1仿真模擬圖3. 仿真結(jié)果此仿真結(jié)果都為組感性負(fù)載時的仿真時運行的結(jié)果，且電感的阻值很大。 此設(shè)計的仿真結(jié)果仿真了 0、30、90時的Ud、Id的波形圖，分別如圖3-3-1、 3-3-2、3-3-3所示，其中上面的圖形為 Ud的輸出波形圖，下面的圖形為Id的 輸出波形圖。1、當(dāng)觸發(fā)角a=0時為 a QPQ AQEg SOOif4CDIKQu40