三相桥式全控整流电路电力电子课程设计.docx

三相桥式全控整流电路电力电子课程设计.docx

《三相桥式全控整流电路电力电子课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相桥式全控整流电路电力电子课程设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

三相桥式全控整流电路电力电子课程设计

目录

1主电路设计及原理1

1.1总体框架图1

1.2三相桥式全控整流电路原理1

1.3实验内容2

1.3.2触发电路调试3

1.3.3三相桥式全控整流电路3

1.3.4桥式有源逆变电路3

1.4实验报告4

2单元电路设计5

2.1主电路5

2.1.1主电路原理5

2.3保护电路7

2.3.1过电压保护8

2.3.2过电流保护10

3电路分析11

3.1带电阻负载波形分析11

3.2三相桥式全控整流电路定量分析14

3.3晶闸管结构15

3.3.1晶闸管工作原理16

3.3.2晶闸管基本特性17

3.3.3晶闸管主要参数19

总结23

致谢24

参考文献25

附录一元器件清单26

附录二总电路图27

1主电路设计及原理

1.1总体框架图

图1.1总体框架图

1.2三相桥式全控整流电路原理

一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。

一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。

（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：

1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60度。

2）共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120度。

3）同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。

（3）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。

（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：

一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。

三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。

在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。

6个晶闸管导通的顺序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循环，每隔60°有一个晶闸管换相。

为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。

三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。

三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。

由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：

一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值。

图1.2三相桥式全控整流电路原理图

1.3实验内容

1.3.1接线

在实验装置断电的情况下，按三相桥式全控整流及有源逆变电路实验线路图及接线图进行接线。

图中的可调电阻器Rp，选用MEL﹣03中的其中一组可调电阻器并联，Rp的初始电阻值应调到最大值。

1.3.2触发电路调试

将MCL﹣32电源控制屏的电源开关拨向“开”的位置，接通控制电路电源﹙红色指示灯﹚。

⑴检查晶闸管的触发脉冲是否正常。

用示波器观察MCL﹣33脉冲观察孔“1”～“6”应有相互间隔60o，幅度相同的双脉。

⑵用示波器观察每只晶闸管的控制极、阴极，应有幅度为1V2V的脉冲。

⑶调节MCL﹣31的给定电位器RP1使Ug＝0V，然后调节偏移电压Ub使a＝150o，逐渐调节给定电压Ug，观察触发脉冲移相范围是否满足a＝30°～150°。

1.3.3三相桥式全控整流电路

⑴调节MCL﹣31的给定电位器RP1使Ug＝0V。

⑵将主电路开关S1拨向左边短接线端接通电阻负载，将Rd调至最大值（450W）。

⑶按下MCL﹣32电源控制屏的“闭合”按钮，接通主电路电源﹙绿色指示灯亮﹚。

⑷调节MCL﹣31的给定电位器RP1使a＝90°，用示波器观察记录整流电路输出电压Ud＝f（t）以及晶闸管两端电压UVT＝f（t）的波形。

采用类似方法，分别

观察记录a＝30、a＝60°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）的波形。

1.3.4桥式有源逆变电路

⑴调节MCL﹣31的给定电位器RP1使Ug＝0V。

⑵按MCL﹣32电源控制屏的“断开”按钮，切断主电路电源﹙红色指示灯亮﹚，将主电路开关S1拨向右边的不可控整流桥接线端，将Rd调至最大值（450W）。

⑶按下MCL﹣32电源控制屏的“闭合”按钮，接通主电路电源﹙绿色指示灯亮﹚。

⑷调节MCL﹣31的给定电位器RP1，使a＝90，用示波器观察记录逆变电路输出电压Ud＝f（t）以及晶闸管两端电压UVT＝f（t）的波形。

采用类似方法，分别观察记录a＝120°、a＝150°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）的波形。

1.4实验报告

1）绘制三相桥式全控整流电路控制角a为30°、60°、90°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）波形。

2）绘制三相桥式有源逆变电路控制角a为90°、120°、150时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）波形。

图1.3三相桥式全控整流及有源逆变电路实验线路图及接线图

2单元电路设计

2.1主电路

主电路为带电阻负载的三相桥式电路,用protel绘制如下图2.1所示

图2.1主电路图

2.1.1主电路原理

为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况就也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。

此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。

而对于共阳极组的三个晶闸管，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。

α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。

由图中变压器二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。

在分析

的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。

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

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

为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压

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。

从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压

为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压

波形为线电压在正半周的包络线。

由于负载端所接的电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几乎为一条直线。

其电路工作波形如图2.2所示。

图2.2波形图

2.2触发电路

触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。

为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。

大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。

可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。

晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。

此处就是采用集成触发产生触发脉冲。

KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

KJ004触发电路为模拟的触发电路,其组成为：

3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路,用protel绘制的完整触发电路如下图2.3所示：

图2.3完整触发电路图

2.3保护电路

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。

如图2.4所示

图2.4RC吸收电路

2.3.1过电压保护

电力电子装置可能的过电压分为外因过电压和内因过电压。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等，包括：

图2.5过电压保护措施及配置装置

F—避雷器　D—变压器静电屏蔽层　C—静电感应过电压抑制电容

RC1—阀侧浪涌过电压抑制用RC电路　RC2—阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路

RV—压敏电阻过电压抑制器　RC3—阀器件换相过电压抑制用RC电路

RC4—直流侧RC抑制电路　RCD—阀器件关断过电压抑制用RCD电路

操作过电压：

由分闸、合闸等开关操作引起；

雷击过电压：

由雷击引起。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

1）换相过电压：

晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；

2）关断过电压：

全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

图2.6RC过电压抑制电路连接方式

a）单相b）三相

图2.7反向阻断式过电压抑制用RC电路

电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。

其中RC3和RCD为抑制内因过电

压的措施，属于缓冲电路范畴。

外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图2.6。

RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。

大容量电力电子装置可采用图2.7所示的反向阻断式RC电路。

1）晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也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2.8

图2.8阻容保护电路

2.3.2过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

过电流分过载和短路两种情况。

1）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2.9给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。

一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

在选择各种保护措施时应注意相互协调。

通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流民快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

在选择快熔时应考虑：

电等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。

快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。

快熔的

值应小于被保护器件的允许

值。

为保证熔体在正常过载的情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。

快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。

全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。

短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式下需与其他过电流保护措施相配合。

快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工程手册。

对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。

图2.9过电流保护措施及配置位置

3电路分析

3.1带电阻负载波形分析

（1）当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续。

波形图：

a=0（图3.1）；a=30（图3.2）；a=60（图3.3）

（2）当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图：

a=90（图3.4）（3）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120（4）晶闸管及输出整流电压的情况如表3-1所示：

表3-1

图3.1α=0º

图3.2α=30º

图3.3α=60º

图3.4α=90º

3.2三相桥式全控整流电路定量分析

1.当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60时）的平均值为：

2.带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为：

输出电流平均值为：

Id=Ud/R

晶闸管额定电流、额定电压的选择：

（1）晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即

（2）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，

即

输出电压Ud为0~200V，负载电阻R=2，输出负载电流为：

晶闸管上流过电流为：

选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。

额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.5~2倍。

3.3晶闸管结构

晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图3.5及图3.6所示。

a）螺栓型b）平板型c）符号

图3.5晶闸管管芯及电路符号表示

管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极：

阳极Ａ，阴极Ｋ和门极（或称控制极）Ｇ，其电路图中符号表示如图1-6c）所示。

散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。

按照晶闸管管芯与散热器间的安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。

螺栓型（图1-6a））依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。

\

a）自冷b）风冷c）水冷                       

图3.6晶闸管的散热器

晶闸管管芯的内部结构如图3.7所示，是一个四层（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。

它是在N型的硅基片（N1）的两边扩散Ｐ型半导体杂质层（P1、P2），形成了两个PN结J1、J2。

再在P2层内扩散Ｎ型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。

然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K及门极G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。

这个四层半导体器件由于

三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。

图3.7晶闸管管芯结构原理图

3.3.1晶闸管工作原理

通过理论分析和实验验证表明：

1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。

2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。

这个脉冲常称之为触发脉冲。

3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。

这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。

这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。

晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。

晶闸管是一个具有P1—N1—P2—N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。

这三个PN结的功能可以看作是一个PNP型三极管VT1（P1—N1—P2）和一个NPN型三极管VT2（N1—P2—N2）构成的复合作用，如图3.8所示。

图3.8晶闸管等效复合三极管效应

可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流Ig流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。

如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流Ig，晶闸管都不能导通。

3.3.2晶闸管基本特性

1．静态特性

静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。

这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。

（1）阳极伏安特性

晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图3.9所示。

图3.9晶闸管阳极伏安特性

①正向阻断高阻区；②负阻区；③正向导通低阻区；④反向阻断高阻区

阳极伏安特性可以划分为两个区域：

第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。

第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。

（2）门极伏安特性

晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。

由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图3.10阴影区域所示。

图3.10晶闸管门极伏安特性

2．动态特性

晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。

在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。

（1）开通特性

晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。

图3.11给出了晶闸管的开关特性。

在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。

从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间 tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。

延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。

图3.11晶闸管的开关特性

（2）关断特性

通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。

反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。

要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。

晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。

突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。

3.3.3晶闸管主要参数

要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。

现对经常使用的几个晶闸管的参数作一介绍。

1．电压参数

（1）断态重复峰值电压UDRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区（图1-10中的曲线①）漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。

取断态不重复峰值电压的90％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。

（2）反向重复峰值电压URRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区（图1-10中曲线④）反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。

取反向不重复峰值电压的90％定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。

（3）晶闸管的额定电压UR

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。

电压等级不是任意决定的，额定电压在1000Ｖ以下是每100Ｖ一个电压等级，1000Ｖ至3000Ｖ则是每200Ｖ一个电压等级。

由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作安全余量。

UR=（2~3）UM（1-4）

（4）通态平均电压UT（AV）

指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。

在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母A～I表示。

通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。

2．电流参数

（1）通态平均电流IT（AV）

在环境温度为＋40℃、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125℃时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。

选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。

由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。

按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许