电力电子技术课程设计 三相可控整流技术的工程应用.docx

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电力电子技术课程设计三相可控整流技术的工程应用

电力电子技术课程设计--三相可控整流技术的工程应用

课程设计报告

题目三相可控整流技术的工程应用

学院名称电气信息学院

专业班级xxxxxxxxxxxxxxx

学号xxxxxxxxxx

学生姓名xxxxx

指导教师xxxxxxx

2012年1月12日

摘要

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。

据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。

电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。

可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。

整流电路技术在工业生产上应用极广。

如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。

整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路尤其是三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。

因此对三相桥式可控整流电路的相关参数和不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有很强的现实意义，这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。

关键词：

电力电子三相桥式可控电路整流

Abstract

Powerelectronicstechnologyhasaverywiderangeofapplicationsinthepowersystem.Itisestimatedthatindevelopedcountriesmorethan60%oftheelectricalenergyatleastthroughtheend-useofelectricity,morethanoncedeviceprocessingpowerelectronicconverters.Powersystemintheprocessleadingtothemodernpowerelectronicstechnologyisoneofthekeytechnologies.Itisnoexaggerationtosaythat,ifyouleavepowerelectronicstechnology,themodernizationoftheelectricpowersystemisunthinkable.

Rectifiercircuittechnologyhasverywideapplicationinindustrialproduction.SuchasvoltagevariablespeedDCpowersupply,electrolysisandelectroplatingDCpower.TherectifyingcircuitistheACpowerisconvertedtoDCpowercircuit.Mostoftherectifiercircuitbythetransformer,rectifiercircuit,andfilters.IthasbeenwidelyusedinthefieldofDCmotorspeedcontrol,generatorexcitationregulator,electrolysis,electroplating.

Rectifiercircuit,especiallythethree-phasebridgecontrolledrectifiercircuitisthemostimportantandthemostwidelyusedapplicationcircuitinthepowerelectronicstechnologyisnotonlyusedingeneralindustrial,isalsowidelyusedinthetransportation,electricpowersystems,communicationsystems,energysystemsandotherfields.Comparativeanalysisandstudyofthethree-phasebridgecontrolledrectifiercircuitparametersandthedifferentnatureoftheworkloadhasgreatpracticalsignificance,thisisnotonlyanimportantpartofthelearningpowerelectroniccircuittheoryandengineeringpracticeThepracticalapplicationofpredictiveandguidingrole.

Keywords：

PowerelectronicThree-phasebridgecontrolledcircuitRectifier

一．设计任务书

院系：

xxxxxxxxx

年级：

xxxxxx

专业班级：

xxxxxxxxxx

指导教师姓名

xxxxxx

学生姓名

xxxxx

课题名称

三相可控整流技术的工程应用

任务及要求

1.主电路详细原理图。

2.主电路工作原理论述。

3.主电路所有元件参数计算，元件选择（含型号、主要参数），感性元件参数及制造数据。

4.控制保护电路详细框图。

5.控制保护原理的论述（配合必要的波形图）。

进度安排

起止日期

设计内容

1.5-1.8

查阅资料

1.9-1.12

撰写课程设计报告

主要参考资料

1.王兆安等，《电力电子技术（第五版）》，机械工业出版社，2011.08

2.李玉超，高沁翔.三相桥式全控整流实验装置的设计与研制。

现代电子技术2006（19）；104-106

3.马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.北京：

清华大学出版社,2004

4.刘志刚主编.电力电子学.第一版.北京：

清华大学出版社，2004年6月

答辩成绩

指导教师评阅意见

二．设计说明

2.1设计目的

合理运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力，理解和掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

2.2作用

本次设计的三相可控整流电路是在实际中应用非常广泛的一种变流电路，主要用于需要大功率的直流电的场合。

对这个电路的设计，既可以帮助我巩固已经学过的电力电子技术的各方面的知识，也可以让我了解到在设计整个电力电子装置中所要面临的各种问题，并且可以在前人总结的经典电路的基础上实现一些小的创新。

2.3技术要求

AC/AC变频电源：

1.输出电压：

AC三相四线正弦波

2.输入电压：

AC三相380V±10%

3.输入电压频率：

50±5HZ

4.负载功率因数：

COSφ=0.7~1.0滞后（60HZ）

COSφ=0.8~1.0滞后（500HZ）

5.负载短时过载倍数：

150%

AC/DC开关电源：

1.输出电压：

直流，纹波电压（峰峰值）小于额定电压的0.5%

2.输入电压：

AC三相380V±10%

3.输入电压频率：

50±5HZ

4.负载短时过载倍数：

200%

5.瞬态特性：

较好

三．设计方案的选择

3.1三相桥式可控整流电路原理

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组，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：

a.按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60︒。

b.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︒。

c.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。

3.2三相桥式可控整流电路原理图

3.3三相桥式可控整流电路工作波形

带阻感负载α=0o时的波形

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。

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Ud1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Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Ud1－Ud2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。

将波形中的一个周期等分为6段，每段为60°，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

α=30o时的波形

当α=30°时，从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60°与α＝0°时的情况相比，一周期中Ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合规律。

区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30°,组成Ud的每一段线电压因此推迟30°，Ud平均值降低。

晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。

图中同时给出了变压器二次侧a相电流Ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120°期间，Ia为正，Ia波形的形状与同时段的Ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，Ia波形的形状也与同时段的Ud波形相同，但为负值。

当α=60°时，电路工作情况仍可参考上图分析，Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，U、Ud平均值继续降低。

α＝60°时Ud出现了为零的点。

由以上分析可见，当α≤60°时，Ud波形均连续，对于电阻负载，Id波形与Ud波形的形状是一样的，也连续。

α＝90o时的波形

α＝90°时电阻负载情况下，此时Ud波形每60°中有30°为零，这是因为电阻负载时Id波形与Ud波形一致，一旦Td降至零，Id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零，因此Ud波形不能出现负值。

如果继续增大至120°，整流输出电压Ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120°。

3.4总设计框图

交流电源±220V

变压器

触发电路

主电路

保护电路

四．触发电路的设计

晶闸管触发电路的作用时产生使晶闸管可靠导通的门极触发脉冲，确保晶闸管在需要的时刻由阻断变为导通，一般触发信号对于门极—阴极都是正极性的。

触发信号必须满足以下要求：

有足够大的功率；有足够的宽度，且前沿要陡；有足够的移相范围；抗干扰能力强，稳定性好。

触发电路要与主电路同步，所谓的同步，就是要求触发脉冲和加于晶闸管的电源电压之间必须保持频率一致和相位固定。

为实现这个，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终保持一致的。

再是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发电路相位正确。

三相桥式全控整流电路的触发电路一般有三种可选的方案，它们分别是由分立元件组成的触发电路、集成化晶闸管移相触发电路、数字化晶闸管移相触发电路。

对于这三种电路拓扑的优缺点进行比较：

电路类型

优点

缺点

分立元件组成的触发电路

可以由分立元件组成，原理清晰，不需要另外购买元件，成本相对要低。

电路结构复杂，稳定性不如另外两种电路，体积大，功耗高，不适合批量生产

集成化晶闸管移相触发电路

体积小、功耗小、性能稳定可靠、外围电路简单、使用方便，目前得到了广泛的应用。

仍然受元件参数的分散性、同步电压波形畸变、电网电压波动等干扰因素的影响。

数字化晶闸管移相触发电路

使用了微处理器控制，脉冲不对称性极小，控制精度极高，是目前最优的触发电路形式。

需要给微控制器编写程序，且成本较高。

通过比较，本次设计中选用集成化晶闸管移相触发电路。

触发电路原理图

五．保护电路的设计

5.1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。

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。

抑制过电压的方法：

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。

RC过电压保护电路

5.2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。

常见的过电流保护有：

快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。

快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；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。

因此，这里我们选择用快速熔断器保护。

在选择快速熔短器时应考虑：

（1）电等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

（2）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（3）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。

过电流保护电路

六．参数的计算

在三相桥式全控整流电路中计算其平均值时，只需对一个脉波进行计算即可。

因为所有电压输出波形是连续的，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得整流输出电压连续时的平均值为

流过负载的电流平均值为

流过晶闸管的电流平均值与有效值分别为

流过变压器二次侧的电流有效值为

基波因数和位移因数分别为

整流器输出视在功率和有功功率分别为

功率因数为

晶闸管额定电流、额定电压的选择：

每个晶闸管承受的最大反向电压为

，所选用的晶闸管的额定电压应为

当晶闸管触发角

时，通过晶闸管的电流最大。

每个晶闸管的平均电流为

所选用晶闸管的额定电流为

七．器件选择清单

器件

型号

电源

三相380V

晶闸管

Kp50

触发芯片

TC787

快速熔断器

RT0-100

整流管

ZP5

变压器

额定容量为30KVA、6.3/0.4KV

8．三相桥式可控整流电路的工程应用

三相桥式可控整流电路控制电动机的运行：

，

：

正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态。

（

），

：

正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态。

，

：

反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态。

（

），

：

反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态。

九．心得体会

这次电力电子技术课程设计，很好的把理论知识与实践结合起来，在设计过程中进行必要的分析、比较，从而选择出一套好的设计方案，这检验了我们平时的学习效果和对知识的掌握程度。

虽然此次课程设计与实际操作分析还有很大的差距，但是它提高了我们综合解决问题的能力，为我们以后的学习打下了基础。

通过这次课程设计，使我懂得了课堂知识是有限的，想学好这门课，不仅要将课堂知识掌握好，还要课外拓宽视野，只有把所学的知识综合起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会对自己的将来有帮助。

在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

参考文献

1.王兆安等，《电力电子技术（第五版）》，机械工业出版社，2011.08

2.李玉超，高沁翔.三相桥式全控整流实验装置的设计与研制。

现代电子技术2006（19）；104-106

3.马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.北京：

清华大学出版社,2004

4.刘志刚主编.电力电子学.第一版.北京：

清华大学出版社，2004年6月