电力电子技术课程设计.docx
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电力电子技术课程设计
三相桥式半控整流电路的设计
1初始条件
设计一个三相桥式半控整流电路，直流电动机负载，电机技术数据如下：
，
，
，
，
。
2主要任务
（1）设计方案
（2）完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择
（3）触发电路、保护电路的设计
（4）绘制主电路及触发电路（采用集成元件）电气原理图
（5）撰写设计说明书
3设计方案
首先，技术要求设计一个三相桥式整流电路，这个在课本中讲过，可以通过三相变压器、六个晶闸管、负载构成，而对于半控桥式电路，只需把其中的三个晶闸管换成二极管即可。
对于直流电动机负载，在这里我们将其简化，用电阻、电感和反电动势代替之。
3.1主电路设计
三相半控整流电路与三相全控整流电路类似，只是将全控桥中的共阳极组的三个晶闸管用二极管替换，从而简化了整个电路。
图中的三个晶闸管为共阴极连接，一般习惯上按图中VT1——VT3——VT5的顺序导通晶闸管。
其原理图如图1所示。
图1三相桥式半控整流电路
3.2主电路原理说明
图2单相桥式半控整流电路
在晶闸管单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管实际上若为了对每个导电回路经行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化触发电路，降低成本。
如此即成为晶闸管单相桥式半控整流电路，如图2所示。
当负载为电阻性负载时，晶闸管单相半控桥与晶闸管单相全控桥工作过程和波形完全一致。
当负载为阻感性负载时，由于电感有阻止电流变化的作用，电流变化时电感L两端产生的感应电动势会阻止电流变化，假设负载电感很大，即wL>>R，并且电路已处于稳态，则负载电流
连续且波形近似为一水平线，幅值为
。
在
电压正半周、触发角为
时，触发VT1，VT1和VD4导通。
当
过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。
但因a点电位低于b点电位，VD2正偏导通，VD4反偏截止，电流从VD4转移至VD2，此时电流不再经变压器二次绕组，而由VT1和VD2续流。
整流桥输出电压为VT1和VD2的正向压降，接近于零，整流输出电压
没有负半波，这种现象被称为自然续流。
在
电压负半周，具有与正半周相似的特性，触发角α时触发VT3，VT3和VD3导通，
过零变正时经过VT3和VD4自然续流。
三相桥式整流电路同样也可以采用半控方式，电路如图所示。
与单相桥式半控整流电路相似。
共阳极组的三个整流二极管自然换流点换流，使电流换到阳极电位更低的一相去，而共阴极组的三个晶闸管则受到触发信号的控制进行换流。
整流电路的负载为直流电机负载，为简化电路，用带反电动势的阻感负载代替直流电机。
当晶闸管的导通角
，时，相当于把图中共阴极组的晶闸管都换为二极管。
此时，共阳极组的三个晶闸管是所接交流电压最高的一个导通，而对于共阴极组的三个二极管则是所接交流电压值最低的一个导通。
这样，任意时刻共阳极晶闸管和共阴极二极管都各有一个导通，施加于负载上的电压为某一线电压。
此时电路波形如图1所示：
当触发角
时，触发脉冲在自然换向点出现，三相桥式半控整流电路的负载电压
的波形与三相桥式全控整流电路
时的波形相同。
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。
图3阻感反电动势负载
时的波形图
为了说明各晶闸管和二极管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。
由该表可见，晶闸管和二极管的导通顺序为VT1－VD2－VT3－VD4－VT5－VD6。
表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况
时段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
导通的二极管
VD6
VD2
VD2
VD4
VD4
VD6
整流输出电压
3.3触发电路的设计
晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
晶闸管具有下面的特性：
1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
根据设计要求的采用集成元件设计出发电路，则在此选择同步信号为锯齿波的触发电路。
根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。
在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。
在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。
即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60o，脉宽一般为20o~30o，称为双脉冲触发。
双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。
触发电路如图4所示：
图4触发电路（集成元件）原理图
3.4触发电路原理说明
如图5所示，触发电压的形成用KJ004芯片完成。
KJ004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。
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。
触发电路为正极性型,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的值可以获得不同的脉冲输出。
KJ004芯片内部结构如图5所示。
图5KJ004芯片内部结构图
3.5保护电路的设计
较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。
因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。
3.5.1过电压保护
电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容，如图7所示。
图6交流则过电压
变压器一般为降压型，即电源电压u高于变压器次级电压。
电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。
在进行电源拉闸断电是也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为Ldi/dt，在电感一定得情况下，电流的变换越大，产生的过电压也越大。
这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。
可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。
在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。
另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。
上述过电压都发生在电路正常工作地状态，一般叫做操作过电压。
雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生地时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。
对于上面的这些过电压，我们可以采用下面的措施进行保护：
设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。
见图7和图8
图7阻容三角抑制过电压图8压敏电阻过压
过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。
常见的电子保护原理图如图3.3.3所示：
图9过电压保护电路
3.5.2过电流保护
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10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。
撬杠保护多应用于大型的电力电子设备，电路中电流检测、电子保护都是必需的，同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。
其保护原理如下：
当检测到的电流信号超过整定值时，触发保护用的晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接一个小电感用以限制di/dt；驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件，以分散短路能量，让所有器件分担短路电流；使交流断路器断开，切断短路能量的来源。
经一段时间的衰减短路能量消失，起到保护作用。
3.6参数计算
3.6.1负载的参数计算
（1）电动机的等效电阻
等效电阻即为
（2）电动机的等效电感
取触发角为
变压器二次侧电压有效值：
（1.1）
负载电流平均值的最小值：
（1.2）
等效电感的值为：
（1.3）
（3）电动机的等效反电动势
电动机的等效反电动势值为：
（1.4）
（4）整流电路的输出值
整流输出电压平均值为：
（1.5）
整流输出电流平均值为：
（1.6）
变压器二次侧电流有效值为：
（1.7）
3.6.2晶闸管的选择
本电路中晶闸管承受的最大反向电压为：
（2.1）
流过每个晶闸管的电流有效值为：
（2.2）
靠虑一定的安全裕量，则晶闸管的额定电压为：
（2.3）
晶闸管的额定电流为：
（2.4）
通过以上计算可知，我们应该选择额定电压为532~798V之间，额定电流在73.5~98A之间的晶闸管。
3.6.3变压器的选择
通过前面的计算我们知道，变压器二次侧电压有效值为108.6V，电流有效值为108.8Ａ。
则变压器二次侧功率为：
（3.1）
对于三相桥式半控整流电路，变压器一次侧的功率和二次侧的功率是相等的，所以我们应选择功率略高于35KW的变压器。
4心得体会
通过三相半控桥式整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。
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。
其中三相半控桥式整流电路其负载我们用的多的主要是电阻型、带大电感型，接反电动势型。
它们各自有自己的优点。
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，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。
后来经老师，还有同学的帮助，选择了一个较好的保护电路。
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，但还是被我逐步解决了。
每次做课程设计我都感觉比较棘手，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，尽管如此，我还是迎难而上了，首先把设计任务搞清，不能盲目地去做，你连任务都不清楚从何做起呢，接下来就是找相关资料，我每天除了上图书馆就是在网上找资料，然后对资料进行整理，找资料说起来好像很简单，但真正做起来是需要耐心的，不是你所找的就一定是有用的，所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事，其实不尽然，这其中也拓展了你的知识面。
通过这次课程设计我对于文档的编排格式有了一定的掌握，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，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。
参考文献
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机械工业出版社，2008
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[6]王锁萍,电子设计自动化教程.四川：
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