三相橋式全控整流電路課程

1、三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)摘要:本設(shè)計(jì)是采用晶閘管構(gòu)成的三相橋式整流電路, 輸出直流電壓? V , 功率? w ;本設(shè)計(jì)包括主電路的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),介紹了主電路的工作原理,闡 述了驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:整流;變壓;觸發(fā);過(guò)電壓;保護(hù)電路。1前言整流電路技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用極廣。如調(diào)壓調(diào)速直流電源、電解及電鍍的直流 電源等。整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變 壓器、 整流主電路和濾波器等組成。 它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、 電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。 20世紀(jì) 70年代以后,主電 路多用硅整流二極管和

2、晶閘管組成。 濾波器接在主電路與負(fù)載之間, 用于濾除脈 動(dòng)直流電壓中的交流成分。 變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。 變壓器的作用是實(shí) 現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔 離(可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響 。整流電路的種類有很多,有半 波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整 流電路、三相橋式全控整流電路等。把交流電變換成大小可調(diào)的單一方向直流電的過(guò)程稱為可控整流。整流器的輸入 端一般接在交流電網(wǎng)上。為了適應(yīng)負(fù)載對(duì)電源電壓大小的要求,或者為了提高可控整 流裝置的功率因數(shù), 一般可在輸入端加接整流變壓器,把一次電壓 U1,變成二

3、次電壓 U2。由晶閘管等組成的全控整流主電路,其輸出端的負(fù)載,我們研究是電阻性負(fù)載、 電阻電感負(fù)載(如直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組,滑差電動(dòng)機(jī)的電樞線圈等 。以上負(fù)載往 往要求整流能輸出在一定范圍內(nèi)變化的直流電壓。為此,只要改變觸發(fā)電路所提供的 觸發(fā)脈沖送出的早晚,就能改變晶閘管在交流電壓 U2一周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間,這樣負(fù) 載上直流平均值就可以得到控制。2 原理及方案三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過(guò)變壓器與電網(wǎng)連接,經(jīng)過(guò)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, 還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。 保護(hù)電路采用 RC 過(guò)電壓抑

4、制電路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù),利用快速熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。采用鋸齒波同步 KJ004集成觸發(fā)電路,利用一個(gè)同步變壓器對(duì)觸發(fā)電路定相,保證觸發(fā)電路和主電路 頻率一致,觸發(fā)晶閘管,使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路三個(gè)部 分?？驁D中沒(méi)有表明保護(hù)電路。當(dāng)接通電源時(shí),三相橋式全控整流電路主電路通電, 同時(shí)通過(guò)同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作,形成觸發(fā)脈沖,使主電路中晶閘 管觸發(fā)導(dǎo)通工作,經(jīng)過(guò)整流后的直流電通給直流電動(dòng)機(jī),使之工作。 圖 1 三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖3 主電路的設(shè)計(jì)及器件選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定負(fù)載為 220V

5、 、 305A 的直流電機(jī),采用三相整流電路,交流測(cè)由三 相電源供電,設(shè)計(jì)要求選用三相橋式全控整流電路供電,主電路采用三相全控橋。3.1 三相全控橋的工作原理如圖 2-1所示,為三相橋式全控帶阻感負(fù)載,根據(jù)要求要考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感 與電樞電阻, 故為阻感負(fù)載。 習(xí)慣將其中陰極連接在一起的 3個(gè)晶閘管稱為共陰極組;陽(yáng)極連接在一起的 3個(gè)晶閘管稱為共陽(yáng)極組。共陰極組中與 a 、 b 、 c 三相電源相接的 3個(gè)晶閘管分別為 VT1、 VT3、 VT5, 共陽(yáng)極組中與 a 、 b 、 c 三相電源相接的 3個(gè)晶閘 管分別為 VT4、 VT6、 VT2。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1-VT2-VT3-V

6、T4-VT5-VT6。變 壓器為 Y-型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線,而一次側(cè)接成三角形避免 3次諧波流入電網(wǎng) 圖 2 三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)(阻感負(fù)載原理圖3.1.1 三相全控橋的工作特點(diǎn) 2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成供電回路,其中共陰極組和共陽(yáng)極組 各 1個(gè),且不能 為同 1相器件。 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求:按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序,相位依次差 60 。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 。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

7、 180。du 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。 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。3.1.2 阻感負(fù)載時(shí)的波形分析三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載供電(即用于直 流電機(jī)傳動(dòng) ,下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況,因?yàn)閹Х措妱?dòng)勢(shì)阻感負(fù)載的情況, 與帶阻感負(fù)載的情況基本相同。當(dāng) 60度時(shí), d u 波形連續(xù),電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似,各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓 d u 波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí),同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上,得到的負(fù)載電流 d i

8、 波形不同,電阻負(fù)載時(shí) d u 波形與 d i 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí),由于電感的作用,使得負(fù)載 電流波形變得平直,當(dāng)電感足夠大的時(shí)候,負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖 2-2和圖 2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載 =0度和 =30度的波形。 圖 2-2中除給出 d u 波形和 d i 波形外,還給出了晶閘管 VT1電流 iVT1 的波形,可 與帶電阻負(fù)載時(shí)的情況進(jìn)行比較。 由波形圖可見(jiàn),在晶閘管 VT1導(dǎo)通段, iVT1波形由 負(fù)載電流 d i 波形決定,和 d u 波形不同。圖 2-3中除給出 d u 波形和 d i 波形外,還給出了變壓器二次側(cè) a 相電流 d i

9、 的波 形,在此不做具體分析。 圖 3 觸發(fā)角為 0度時(shí)的波形圖 圖 4 觸發(fā)角為 30時(shí)的波形圖當(dāng) >60度時(shí),阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同,電阻負(fù)載時(shí) d u 波形 不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分,而阻感負(fù)載時(shí),由于電感 L 的作用, d u 波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4給出了 =90度時(shí)的波形。若電感 L 值足夠大, d u 中正負(fù)面積將基本相等, d u 平 均值近似為零。 這說(shuō)明, 帶阻感負(fù)載時(shí),三相橋式全控整流電路的 角移相范圍為 90度。 圖 5 觸發(fā)角為 90時(shí)的波形圖3.2 參數(shù)計(jì)算3.2.1 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 22

10、0V ,由變壓器為 Y -接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為:V VU 1272202= (公式 1變比為:0. 312738021=U U K (公式 2 變壓器一次和二次側(cè)的相電流計(jì)算公式為:KI K I d I 11= 公式 3 d I I K I 22= 公式 4而在三相橋式全控中6816. 03221=I I K K 公式 5 A I d 305= 公式 6所以變壓器的容量分別如下:變壓器次級(jí)容量為:2213I U S = 公式 7變壓器初級(jí)容量為:1123I U S = 公式 8變壓器容量為:221S S S += 公式 9 即: (kW S 46989. 920. . 03053803

11、305816. 01273+= 變壓器參數(shù)歸納如下:初級(jí)繞組三角形接法 V U 3801=, A I 96. 821=;次級(jí)繞組 星形接法, V U 1272=, A I 88. 2482=;容量選擇為 9.46989kW 。3.2.2 晶閘管的選擇 晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形(圖 2-4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 2FM RM U U = 公式 10故橋臂的工作電壓幅值為:V U m 1. 3111276= 公式 11考慮裕量,則額定電壓為:(V U U m N 3. 9332. 6221. 3113232= 公式 127 晶閘管的額定電流

12、晶閘管電流的有效值為:A I I d VT 4. 3463600max= 公式 13考慮裕量,故晶閘管的額定電流為:(A I I VT AV VT 30. 44197. 33057. 14. 34625. 157. 125. 1 (=公式 14 3.2.3 平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動(dòng)和保證最小負(fù)載電流時(shí)電流連續(xù),整流器電路中常要串聯(lián) 平波電抗器。對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng),有:min2. 0d I U L = 公式 15 其中, (單位為 mH 中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電 感。由題目要求:當(dāng)負(fù)載電流降至 20A 時(shí)電流仍連續(xù)。所以 min d I

13、 取 20A 。所以有:mH U L 40. 420127693. 020693. 02= 公式 16 4觸發(fā)電路設(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)利用 KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。4.1 集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路 KJ004, KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、 三相全控橋式供電裝置中,作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。 KJ004器件輸出兩路相差 180度的移相脈沖,可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。 KJ004電路具有輸出負(fù)載 能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電

14、壓要求低,有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如下: 8圖 6 KJ004的電路原理圖4.2 KJ004的工作原理如圖 3-1 KJ004的電路原理圖所示,點(diǎn)劃框內(nèi)為 KJ004的集成電路部分,它與分 立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。 V1V4等組成同步環(huán)節(jié),同步電壓 uS 經(jīng)限流電阻 R20加到 V1、 V2基極。在 uS 的正半周, V1導(dǎo)通,電流途徑為 (+15V-R3-VD1-V1-地 ;在 uS 負(fù)半周, V2、 V3導(dǎo)通,電流途徑為 (+15V-R3-VD2-V3-R5-R21 ( 15V 。因此,在正、負(fù)半周期間。 V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有 在同步電壓 |uS|&l

15、t;0.7V 時(shí), V1V3截止, V4從電源十 15V 經(jīng) R3、 R4取得基極電流 才能導(dǎo)通。電容 C1接在 V5的基極和集電極之間,組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在 V4導(dǎo)通時(shí), C1經(jīng) V4、 VD3迅速放電。當(dāng) V4截止時(shí),電流經(jīng) (+15V-R6-C1-R22-RP1-(-15V 對(duì) C1充電,形成線性增長(zhǎng)的鋸齒波,鋸齒波的斜率取決于流過(guò) R22、 RP1的充電電流和電容 C1的大小。 根據(jù) V4導(dǎo)通的情況可知, 在同步電壓正、 負(fù)半周 均有相同的鋸齒波產(chǎn)生,并且兩者有固定的相位關(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。 鋸齒波電壓 uC5、 偏移電壓 Ub 、 移相控制電壓 UC 分別經(jīng)

16、 R24、 R23、 R26在 V6基極上疊加。當(dāng) ube6>+0.7V時(shí), V6導(dǎo)通。設(shè) uC5、 Ub 為定值,改變 UC ,則改變了 V6導(dǎo)通的時(shí)刻,從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。 V7經(jīng)電阻 R25獲得基極電流而導(dǎo)通,電容 C2由電 源 +15V經(jīng)電阻 R7、 VD5、 V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí), C2所充電壓通過(guò) V6成為 V7基極反向偏壓,使 V7截止。此后 C2經(jīng) (+15V-R25-V6-地 放電并反向充電,當(dāng)其充電電壓 uc2 +1.4V時(shí), V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣,在 V7集電 極就得到固定寬度的移相脈沖,其寬度由充電時(shí)間常數(shù) R25和

17、C2決定。V8、 V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi), V7集電極輸出兩個(gè)相位差 為 180°的脈沖。脈沖分選通過(guò)同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在 us 正半周 V1導(dǎo)通, V8截止, V12導(dǎo)通, V12把來(lái)自 V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí), V7正脈沖又通 過(guò)二極管 VD7,經(jīng) V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周,情況剛好相反, V8導(dǎo)通, V12截止, V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說(shuō)明:1 KJ004中穩(wěn)壓管 VS6VS9可提高 V8、 V9、 V12、 V13的門限電壓,從而提高 了電路的抗干擾能力。二極管 VD1、 VD2、 VD6VD8為隔

18、離二極管。2 采用 KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路, 二極管 VD1VD12組成六個(gè)或門形 成六路脈沖,并由三極管 V1V6進(jìn)行脈沖功率放大。3 由于 V8、 V12的脈沖分選作用,使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 的脈沖產(chǎn)生,這樣,要獲得三相全控橋式整流電路脈沖,需要六個(gè)與主電路同相的同 步電壓。因此主變壓器接成 D , yn11及同步變壓器也接成 D , yn11情況下,集成觸發(fā) 電路的同步電壓 uSa 、 uSb 、 uSc 分別與同步變壓器的 uSA 、 uSB 、 uSC 相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器, RP4RP6為同步相位4.3 集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(fā)電

19、路由 3個(gè) KJ004集成塊和 1個(gè) KJ041集成塊 (KJ041內(nèi)部是 由 12個(gè)二極管構(gòu)成的 6個(gè)或門及部分分立元件構(gòu)成,可形成六路雙脈沖,再由六 個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可,分別連到 VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6的門極。 6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖 3-2所示:9 10圖 7 集成觸發(fā)電路圖5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了保護(hù)設(shè)備安全,必須設(shè)置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過(guò)電流與過(guò)電流保護(hù),大 致可以分為兩種情況:一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件,例如 R-C 阻容吸收回路、 限流電感、快速熔斷器等;另一種則是采用電子保護(hù)電路,檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸 入電流,當(dāng)輸出電壓或

20、輸入電流超過(guò)允許值時(shí),借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí) 內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài),從而抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值。本例中設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路為大功率裝置,故考慮第一種保護(hù)方案,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)。5.1 晶閘管的保護(hù)電路、晶閘管的過(guò)電流保護(hù):過(guò)電流可分為過(guò)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(kāi)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(guò)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)。如圖 4-1所示: 圖 8 串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路、晶閘管的過(guò)電壓保護(hù):晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)主要考

21、慮換相過(guò)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(guò)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(guò)恢復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生 過(guò)電壓, 即換相過(guò)電壓。為使元件免受換相過(guò)電壓的危害,一般在元件的兩端并聯(lián) RC 電路。如圖 4-2所示: 圖 9 并聯(lián) RC 電路阻容吸收回路5.2 交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)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(guò)電壓出現(xiàn),所以要進(jìn)行過(guò)電 壓保護(hù),可采用如圖 4-3所示的反向阻斷式過(guò)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

22、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(guò)電壓出現(xiàn)時(shí),該整流橋用于提供吸收過(guò)電壓能量的通 路,電容將吸取過(guò)電壓能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量;過(guò)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)到正常值。 圖 10 反向阻斷式過(guò)電壓抑制 RC 電路5.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過(guò)電壓,在圖 4-4中,當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開(kāi)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(guò)電壓。另外,由于直流 側(cè)快速開(kāi)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(guò)電壓,盡管交 流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過(guò)電壓,仍會(huì)通過(guò)導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來(lái),為 此,直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過(guò)電壓保護(hù),用于抑制過(guò)電壓。圖 11 直流側(cè)阻容保護(hù) 心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我懂得了許多的課本上所沒(méi)有的知識(shí),使我受益匪淺。思路即出路。當(dāng)初沒(méi)有思路,誠(chéng)如舉步維艱,茫茫大地,不見(jiàn)道路。在對(duì)理論知 識(shí)梳理掌握之后,茅塞頓開(kāi),柳暗花明,思路如泉涌,高歌“條條大路通羅馬”。頓 悟,沒(méi)有思路便無(wú)出路,原來(lái)思路即出路。實(shí)踐出真知。文革之后,關(guān)于真理的大討論最終結(jié)果是“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一 標(biāo)準(zhǔn)”,自從耳聞以來(lái),便一直以為馬克思主義中國(guó)化生成的教條。時(shí)至今日,課程 設(shè)計(jì)基本告成,才切身領(lǐng)悟“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”,才明曉實(shí)踐出真知。 創(chuàng)