1、三相桥式全控整流电路设计01 三相全控桥式主电路设计1.1 整流变压器设计1.1.1 整流变压器设计原理在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压 往往与电网电压不一致，这就需2U要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器把晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中，一般都需要设置整流变压器(仅当晶闸管交流侧电压和电网电压一致时可以省去)。1.1.2 变压器参数设定和选择变压器的一次侧线电压为 380V，整流电路使用的变压器是-Y 型连接。如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： 12IN=12UK
2、式中 、 变压器一次和二次绕组的匝数；K 变压器的匝数比。 即由上式可得变压器的匝数比为 1.7。由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路形式有关。三相桥式半控整流电路计算如下：大电感负载时变压器二次电流的有效值为I2=0.816Id=40.8A若电动机额定工作时线路电流最大，由上式可得，二次侧电流有效值为 234A，则变压器二次侧容量为S1=3U2I2=27KV.A变压器一次侧容量为S1=3U1I1=27KV.AS=( S1+ S1)/2=27KV.A辽宁工程技术大学课程设计11.2 平波电抗器参数计算即选择在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中，含有各种
3、谐波成份。当控制角 增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角 减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。一、若要求变流器在某一最小输出电流 时仍能维持电流连续，则电抗器的电感dminI可按下式计算： 2lldminULk(H)I式中 交流测电源相电压有效至 。2U(V)要
4、求连续的最小负载电流平均值 。dminI (A)与整流主电路形式有关的计算系数，见附表 2-1 中的序号 2。lk对于不同控制角 ，所需的电感量 为lL2lldminUKs(H)I本设计中的参数为： ， ， ，临界值 。将以上所210Vi5Al0.6930o述参数代入式(2.8) 可计算出本设计所需的临界电感参数值，即： l21L.693.(H)5二、整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感 按下式计算：TL三相桥式全控整流电路设计2k2TLdu%U(mH)10I式中 变压器次级相电压有效值 。2U(V)晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值) 。dI (A)变压器的短路比。100 以下的变
5、压器取 ； 与整流主电路ku%Kku5TL形式有关的系数，查附表 2-1 的序号 3。本设计 ， ， ， 。将以上所需参数代入式(2.9)中2U10VdI5Aku%5TL3.9可计算出漏电感 的值，即TLT2103.9.8(mH)5综上所述，根据直流电动机的电枢电感为 ，可得使输出电流连续的临界电ML7感量 lalTL21.3(mH)电抗器要选的值应比 大，故选 的电感作为平波电抗器。la51.3 整流电路1.3.1 整流器件的定额计算和选择本设计采用晶闸管三相全控桥整流电路，根据设计要求可得Idmax=75A )(35.473dmaxa AT IT(AV)=IT/1.57=27.61AIN=
6、(23)I T(AV)=55.2282.83(A)经分析知，Um=2.45U2=539V则，辽宁工程技术大学课程设计3UN=(23)Um=10781617(V)综上所述，选定额 IN=60A，U N=1500V 系列的晶闸管，通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。此设计电路需要六个晶闸管，三相桥式晶闸管主电路图如图 1-1 所示。图 1-1 三相桥式晶闸管主电路图1.3.2 晶闸管对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电
7、路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低
8、发电、输电及用电设备的效率，三相桥式全控整流电路设计4大量的 3 次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述 1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。1.3.3 系统功率因数讨论三相桥式全控整流电
9、路接反电动势负载时，由于设计时接了平波电抗器，所以负载电感足以使电流连续，则电路的工作情况与感性负载时相似，即可以根据感性负载来讨论功率因数。设交流电抗为零，假设直流电感 为足够大，电动机工作在额定状态，L。此时，电流为正负半周各 的方波，三相电流波形相同，且依次相差 ，64.7 120o 120o其有效值与直流电流的关系为(1)dI3同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以 相电流为例，将电流负、正两半波的中点作为a时间零点，则有(2)ka1 nn6k1,23i2Isit()IsitL由式(2)可得电流基波和各次谐波有效值分别为(3)1dn6In6k1,2,3L, 由此可得以下结论：电流中仅含
10、( 为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数辽宁工程技术大学课程设计5成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。由式(1)和式(3)可得基波因数为 1I30.95电流基波与电压的相位差仍为 ，故位移因数仍为11cos功率因数即为 1I3coss0.95cos0.481可以看出 越大，功率因数越小三相桥式全控整流电路设计62 触发电路设计2.1 芯片 KJ004 和 KJ041 介绍KJ004 可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差 180 度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相
11、性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。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。KJ041 内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门。图 2-1 KJ041 电路2.2 工作原理可以使不同的移相控制电压获得 KJ004 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节.工作原理介绍电原理见下图：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
12、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112161151413943578R23+15V +15V+15VRP1R24R2R20RP4 R5R1R3R4 R6R7R8R12R10 R1R14R19R13R25R26R27 R28R20 R2R16R17R21R18R15V3V2V1 V1819 V20V4 V5 V6 V12V13V1415V16V910V1V8V7V17VS5VS12VS3VS4 VS6 S7VS8 S9D1 D2D3VD5 D6D7C1 C2ubucous辽宁工程技术大学课程设计7为
13、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,可获得不同的脉宽输出。的同步电压为任意值。2.3 触发电路的定相触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。措施：其一，同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。其二，触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。O t t 1 t2ua ub ucU2-ua图 2-2 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图变压器接法：主电路整流变压器为 D,y-11 联结，同步变压器为 D,y-11,5 联结。下图为同步变压器和整流变压器
14、的接法及矢量图。三相桥式全控整流电路设计8图 2-3 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行 R-C 滤波，当 R-C 滤波器滞后角为 60 度时，同步电压选取结果如表 2-1 所示。表 2-1 三相桥各晶闸管的同步电压晶闸管 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6主电路电压+ua -uc +ub -ua +uc -ub同步电压 Usb -Usa Usc -Usb Usa -UscD,y 1 D,y 5-1TR TSuAuBuCua ub uc- usa- usb- usc- usa- usb- usc UcUsc-UsaUbUs
15、b-Usc-UsbUaUsaUAB辽宁工程技术大学课程设计93 晶闸管保护电路设计3.1 晶闸管过电压保护电路设计正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为 ，超过此峰值电压的就算过电压。在mU整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压 ，而任何周dsmU期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压 。这两种过电压都是经常发生和不rs可避免的。因此，在变流过程中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。抑制暂态过电压的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交
16、流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护 3 种。3.1.1 交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用 RC 过电压抑制电路是最为常见的。通常是在变压器次级(元件侧)并联 RC 电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制 LC 回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC 电路也可以接在变压器的电源侧。其电路图如图 3-1 所示。图 3-1 阻容过电压保护电路(一)、RC 参数的计算公式为 TMa02SC6i%(F)U三相桥式全控整流电路设计10电容 的耐压aCaC
17、2U1.5(V)kaTM0u%R.3()Si电阻 的功率为aRa2RCP(34)I(Wa6CIfU10A)式中 变压器每相平均计算容量 。TMS(V)变压器二次相电压有效值 。2U励磁电流百分数0i%当 几百伏安时 =10TMS0i%当 1000 伏安时 =35。变压器的短路比，当变压器容量为 101000 时， =510。ku KVAku%， 当 正常工作时电流电压的有效值 。CIaUaR(,)(二)、RC 参数计算变压器每相平均计算容量为 33TM1S206.710(VA)(1) 电容器的计算 3a26.710C8.6(F)取 =10 。aCF电容器 的耐压值为 aCU1.52046.7(
18、V)辽宁工程技术大学课程设计11取 500 。故选择参数为 10 ，500 的电容。VFV(2) 电阻值计算 2a305R.8.()1考虑到所取电容 已大于计算值，故电阻 可适当取小些。取 =8 。aCa aR正常工作时，RC 支路始终有交流电流过，过电压总是短暂的，所以可按长期发热来确定电阻的功率。RC 支路电流 可由式(2.13)确定，即cI6c2503201.39(A)电阻 的功率为aRa 2RP(34).9(346)(W故选用 8 ，40 的电阻。W3.1.2 直流侧的过电压保护也可以采用阻容电路进行保护，其计算参数同交流侧过电压保护。3.1.3 晶闸管换相过电压的保护由于晶闸管在实际
19、应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的 ，所以晶闸管的缓冲电路就简化为了晶闸管的换相过电压保护，即采用dutRC 吸收电路即可。其电路图如图 3-2 所示。图 3-2 晶闸管换相过电压保护电路图三相桥式全控整流电路设计12电容 C 的选择为 33TAV(24)I10(24)7.610(.6.1)(F取 C=0.1 ，电阻一般取 40 。F3.2 晶闸管过电流保护电路设计变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面：(1) 外部短路：如直流输出端发生短路。(2) 内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。(3) 可逆系统中产生换流失败和环流过大。(4) 生
20、产机械发生过载或堵转等。晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。因此必须设置过流保护，其目的在于一旦变流电路出现过电流，就把它限制在元件允许的范围内，在晶闸管被损坏前就迅速切断过电流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其它元件。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：交流断路器；进线电抗器；灵敏过电流继电器；断路器；电流反馈控制电路；直流快速开关；快速熔断器。可按实际需要选择其中一种或数种。本设计采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器保护方法，其参数的选择为：因工作时电压为 380 ，取 。VRNU50流过快速熔断器的电
21、流的有效值 为IRd1I28.9(A)3快速熔断器的额定电流为 RNiaIkI1.528.95.0()选取 。RNI80A辽宁工程技术大学课程设计133.2 电流上升率、电压上升率的限制3.2.1、电流上升率 的限制itd晶闸管在导通的初瞬，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。此过程需几微秒到几十微秒。若导通时电流上升率 太大，会引起门极附近过热，导致 PN 结击穿使元件损坏。因itd此必须把 限制在最大允许范围内。it产生 过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交it流侧阻容保护的电容放电造成 过大；
22、晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对itd阻容保护电容进行充电造成 过大。通常，限制 的措施主要有：1、在晶闸管阳it itd极回路串入电感 。2、采用整流式阻容吸收装置。本设计采用的是第一种方法。 的kL kL计算公式为：(2.14)mkitUL(H)d2式中 交流电压 的峰值mUu(V)晶闸管通态电流临界上升率。itd此设计的 ，根据所选晶闸管的型号，可以根据相应的260539()工程手册查到晶闸管通态电流临界上升率 ，将以上参数代入式(2.14)，得itd0(As)K539L8.(H)2取 稍微大一些，即取 。KL10H3.2.2 电压上升率 的限制utd处于阻断状态下晶闸管的 结面
23、相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上2J升率 过大时，会使流过 结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管utd误导通。从而引起较大稍微浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。因此对 也必须予utd三相桥式全控整流电路设计14以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。产生 过大的原因及其限制措施如下：utd1、交流侧产生的 utd对于带有整流变压器和交流侧阻容保护的交流装置，因变压器漏电感 和交流侧 RCTL吸收电路组成了滤波环节，使由交流电网入侵的前沿陡、幅值大的过电压有较大衰减，并使作用于晶闸管的正向电压上升率 大为减小。在无整流变压器供电的情况下，则utd应在电源输入端串联在
24、数值上相当于变压器漏感的进线电感 ，以抑制 ，同时还T1utd可以起到限制短路电流的作用。进线电感 近似按下式计算T1L22T1kkULu%uWIfI式中 ， 交流侧的相电压和相电流。2UI电源频率。f与晶闸管装置容量相等的整流变压器的短路比。ku%本设计的 参数值为T1LT1205L86(mH)4.2、晶闸管换相时的 utd由于晶闸管 比较小，所以此处可以忽略不考虑。ut辽宁工程技术大学课程设计15设计心得本次的课程设计让我学到了一些东西。首先是对电力电子知识认识和掌握的加深。我进一步明白了三相桥式全控整流电路的原理。通过对晶闸管的相控，将交流变为直流，从而驱动直流电动机。本次设计涵盖主电路、触发电路、保护电路三方面的设计，系统全面地应用到了所学知识，也提高了我理论联系实际的能力。其次是再次检验和提高了我写设计论文、排版和表达能力。我们的设计要很好地被别人查阅和理解，离不开规范、科学和准确地表达表述。总之，本次电力电子技术的课程设计对我是有帮助的，同时也让我认识到了电力电子技术的重要。美中不足的是没有去通过实验来验证所设计的。三相桥式全控整流电路设计16参考文献1王兆安，刘进军.电力电子技术.机械工业出版社，2008 年 12 月2林钟岳.现代电力电子应用技术.科学出版社，2007 年 6 月3陈坚.电力电子学 (第二版). 北京：高等教育出版社，2004
