三项半控整流电路.docx

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三项半控整流电路

三项半控整流电路

学生姓名：

张灏

学号：

24101902227

序号：

53

专业：

机械设计制造及自动化

年级：

N机自10—1F

指导老师：

周洪波

目录

1直流调速系统1

1.1直流调速系统种类1

1.2调速系统选择1

1.3系统结构2

2主电路设计与分析2

2.1整流电路设计2

2.2参数计算与器件选择4

3触发驱动电路5

4保护电路9

4.1保护电路必要性9

4.2过压保护9

4.3过流保护11

5心得体会13

参考文献15

附录16

内容摘要：

中等容量的整流装置或要求不可逆调速的电力拖动系统中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路。

它由共阴极接法的三相全波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特性。

本文研究了三相半控整流电路带直流电动的情况，分析了工作原理，还设计了主电路、晶闸管触发电路和保护电路。

关键字：

三相桥式半控整流；晶闸管；直流电动机

三项半控整流电路

1直流调速系统

1.1直流调速系统种类

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。

常用的可控直流电源有以下三种：

1.1.1旋转变流机组。

用交流电动机和直流发动机组成机组，获得可调的直流电压。

1.1.2静止式可调整流器。

用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。

1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。

1.2调速系统选择

机组供电的直流调速系统在上世纪60年代使用广泛，但该系统需要选择变流机组，至少包含两台与调速机组容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。

为克服这些缺点，60年代以后就开始使用各种静止式的变压或变流装置来代替旋转变流机组。

晶闸管诞生以后，就逐步出现使用晶闸管整流装置来实现调速的应用系统。

晶闸管整流装置的使用，去除了直流电机调速需要的较大功率的放大器，而且晶闸管控制的快速性，提高了系统的动态性能。

然而晶闸管整流器难以实现系统的可逆运行，由半控整流电路组成的V-M系统只运行单象限运行，全控整流电路可以实现有源逆变，允许电机工作在反转制动状态，若要获得四象限运行，需采用正、反两组全控整流电路，变流设备要增加一倍。

直流斩波器最初用在简单的单管控制，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，即脉宽调制变换器。

如今常用的脉宽调制电路一般为桥式电路，由电力电子器件组成，主电路线路简单，开关频率高，电流容易连续，谐波少，低速性能好，因为这一系列优点，直流PWM调速系统应用日益广泛。

综合以上内容，本设计为不可逆调速系统，故采用静止式可调整流器实现调速，整流电路采用三相半控桥式电路。

1.3系统结构

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。

对调速指标要求不高的场合，常采用单闭环系统，而对调速要求较高的地方则采用多闭环系统。

常见的反馈方式有转速反馈，电流反馈和电压反馈等。

单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

本直流电动机不可逆调速系统要求不高，故采用转速单闭环调速结构，系统框图如下所示：

图1-1单闭环调速系统

2主电路设计与分析

2.1整流电路设计

在中等容量的整流装置或要求不可逆调速的电力拖动系统中，可采用比三相全控桥式整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路。

它由共阴极接法的三相全波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特性。

共阳极组三个整流二极管总是自然换流点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相中去，而共阴极组三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一相中去。

整流输出电压波形Ud是三组整流电压波形之和，改变共阴极组触发晶闸管的控制角α，可以获得

的直流可调电压。

三相半控整流电路基本电路图如下所示：

图2-1三相半控桥式整流电路

类似于三相桥式全控整流电路，将共阳极的三支晶闸管替换为整流二极管就构成了半控整流电路。

因此按照顺序VT1到VT3的顺序导通，共阳极组三个整流二极管总是自然换流点换流，使电流换到比阴极电位更低的一相中去。

对应三相半控整流电路，60°的触发角是电流断续和连续的分界点，在触发角大于60°以后，就会出现电流断续，这样对负载是电动机的系统，电动机的机械特性将会很软。

因此为了保证电动机的稳定工作，需要保证触发角在60°以内。

这样在α<60°，整流输出电压平均值是

（2-1）

变压器二次侧电流既晶闸管电流的有效值为

（2-2）

由此可求出晶闸管的额定电流为：

（2-3）

由整流电路可知，晶闸管承受的最大反向电压为

（2-4）

为了了平稳负载电流的脉动，通常在电枢回路中串联一平波电抗器，保证电流在较大的范围之类连续。

为了保证电流连续所需的电感量Ｌ可由下式求出：

（2-5）

2.2参数计算与器件选择

2.2.1晶闸管额定电压的计算

晶闸管的额定电压，为了保证一定的余量，一般取计算值的2到3倍，则

（2-6）

2.2.2晶闸管额定电流的计算

由式2-6可算出晶闸管的额定电流，为了保证一定的余量，及启动时瞬时电流过大，使用电动机额定电流的1.5倍，并取计算值的1.5到2倍，则

（2-7）

2.2.3平波电抗器电感值的计算

由平波电抗器计算式，可算出平波电抗器的电感，为了保证一定的余量，一般取计算值的2到3倍，

，则

（2-8）

2.2.4变压器的容量计算

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：

（2-9）

（2-10）

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

（2-11）

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

（2-12）

3触发驱动电路

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大影响。

采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要意义。

简单的说，驱动电路的任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

对晶闸管这种半控器件只需要提供开通控制信号，晶闸管虽然是电流驱动型器件，但是它是半控型器件，所以它的驱动电路常称为吃饭电路。

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转换为导通。

驱动电路的具体形式可以为分离元件构成的，也可以是集成的电力电子驱动电路。

本设计根据题目要求，使用分立元件构成的触发电路，主要由相位控制电路、脉冲放大和输出环节等构成，电路图如下：

图3-1触发电路总图

上图是完整的晶闸管触发电路，它由前部同步环节，脉冲产生环节，锯齿波的形成和脉冲移相环节及双窄脉冲形成环节组成。

为了保证触发电路和主电路的频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。

但是还需要解决触发电路的定相问题，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。

针对三相桥式整流电路，常采用的同步变压器接法如下：

图3-2同步变压器和整流变压器接法

上图的主电路整流变压器为Dy11联结，同步变压器为Dy5y11联结，这种接法的同步电压选取如表3-1所示。

晶闸管

VT1

VT2

VT3

主电路电压

同步电压

表3-1三相半控整流桥各晶闸管的同步电压

理想的触发脉冲电流波形会具有一定的宽度，以保证晶闸管可靠导通，而且脉冲还应有足够的幅度，因此触发电路的输出信号的可靠性，需要由脉冲放大环节和脉冲输出环节来保证。

图3-3触发电路

V1、V2构成脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成脉冲输出环节。

当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶体管的门极和阴极之间输出触发脉冲。

VD1和R3是为了使V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。

为了获得触发脉冲的波形中的强脉冲部分，还需要适当附加其他电路环节。

在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步要求是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。

图3-4同步环节

有上图可知，锯齿波是由开关管V2来控制的，V2有导通变截止期间产生锯齿波，V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，V2开关的频率就是锯齿波的频率。

同步环节的实现是由同步变压器TS和作同步开关用的晶体管V2组成。

同步变压器和整理变压器接在同一个电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

4保护电路

4.1保护电路必要性

在电力电子电路中，处理电力电子器件参数选择合适，驱动电路的设计良好外，采用合适的过电压保护、电流保护、

保护和

保护也是必要的。

由于直流电机优良的调速性能，如今它在冶金、机械加工等工业生产中仍有着广泛的应用。

但因为电网电压波动及负载本身的不稳定性，加之直流电机本身设计结构的缺陷，使得直流电机在运行中时常受损。

直流电机价格昂贵，维修周期较长，因此给直流电机供电回路设计适当的保护尤其必要。

故本设计将采用一些晶闸管整流供电回路的过压、过流保护电路。

4.2过压保护

过电压产生的原因有和多种，常见的原因有操作过电压、雷击过电压、换相过电压和关断过电压等。

争对可能出现的过电压状况，设计不同的过压保护电路来避免损伤。

下图是各种过电压保护措施及其配置位置，各种电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。

图4-1过电压抑制措施及配置位置

4.2.1阻容保护

过电压幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都是很短暂的，即点电压的能量并不是很大的。

利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保护方式叫做阻容保护。

起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制形成的寄生的震荡。

图8为电源侧阻容保护原理图。

图（a）为单相阻容保护电路，图（b）和图（c）为三相阻容保护电路，RC网络连接成星型，如图（b），也可以连接成三角型，如图（c）。

电容越大对过电压的吸收作用越明显。

图4-2阻容保护

在图4-2中，图（a）为单相阻容保护，阻容网络直接接在电源端，吸收电源过电压。

图（b）为接线形式为星型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。

图（c）为接线三角型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。

显然，三角型接线方式电容的耐压要为星型接线的

倍。

但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星型接线的电容容量应为三角型

倍。

也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的。

4.2.2压敏电阻保护

在整流桥交流侧采用压敏电阻保护回路，如下图所示：

图4-3压敏电阻保护回路

采用压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：

压敏电阻具有正反向相同的陡峭伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可通过高达数千伏的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小，对电压反应快等优点。

4.2.3用RC吸收电路保护

RC吸收电路基本结构如下所示：

图4-4RC吸收回路

RC吸收电路作用是抑制电力电子器件的内因过电压或者过电流，减小器件的开关损耗。

4.3过流保护

电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。

过电流有过载荷短路两种情况。

常用的过电路保护措施如图10所示。

一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。

针对某种电力器件，可能有些保护措施是有效的而另外一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。

图4-5过流保护电路图

交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流。

应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。

来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减到0，器件关断。

这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。

与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。

快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。

根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。

接法不同，保护效果也有差异。

熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。

常见快速熔断器的接入方法有以下几种形式：

图4-6快速熔断器的几种接入方式

在整流电路中，电抗器的使用也是极其广泛的。

在整理电桥桥壁上串入桥壁电抗器，可以抑制

，从而起到一定程度的过电流保护作用。

5心得体会

本次的设计为直流电机的不可逆调速系统，首先就涉及到三相桥式整流电路的设计，这也是整个电路设计的关键与主要部分。

整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。

根据题目的要求选择了三相桥式半控整流电路的主结构。

对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。

整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。

在这次课程设计过程中，首先碰到的难题就是保护电路的设计。

因为保护电路的种类较多，因此要选择一个适合本课题的保护电路就比较难。

经过查阅大量资料和文献，还有同学的帮助，最终选择了一个较合适的保护电路。

其次遇到的困难是电路中一些参数的计算。

桥式整流电路的分析需要结合图形，一步一步仔细分析，加之带了反电动势负载，在分析计算中又多了一个困难。

最后是根据整流电路的指标来选择晶闸管的参数。

这次的课程设计是我收获最大的一次，虽然中途遇到了不少困难，但还是逐步解决了。

每次做课程设计都是一个很重要的培养过程，因为它不单是要求你单纯地完成一个题目，而是要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其贯穿起来，是综合性比较强的，因此，不管怎样，都要迎难而上。

首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，先把主要设计任务分析清楚，才能更好地展开工作。

接下来就是找相关资料，资料的来源是丰富的。

在这繁杂的资料中筛选出有用的东西还是要费些力气的，而且需要极大的耐心阅读与分析。

通过这次课程设计我对于文档的编排格式又有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，在更深程度上又理解了一下这么课程。

参考文献

[1]董国增,《电气CAD技术》北京:

机械工业出版社,2006

[2]王兆安,黄俊,《电力电子技术》北京:

机械工业出版社,2000

[3]丁道宏,《电力电子技术》北京:

航空工业出版社,1992

[4]李行,《AltiumDesigner6电路设计实例与技巧》北京:

国防工业出版社,2008

[5]赵良炳,《现代电力电子技术基础》北京:

清华大学出版社,1995

[6]石玉,《电力电子技术题例与电路设计指导》北京:

机械工业出版社,2003

附录

（1）分立元件构成的晶闸管触发电路

（2）带保护的主电路