电力电子课程设计三相可控整流电路

目录

第1章概述 (2)

第2章方案确定 (3)

2.1原始数据 (3)

2.2设计任务 (3)

2.3设计要求 (3)

2.4方案分析 (3)

2.5方案选择 (4)

第3章电路设计 (5)

3.1主电路 (5)

3.2触发电路 (9)

3.3保护电路 (10)

3.4控制电路 (13)

第4章主电路元件计算及选择 (14)

4.1变压器参数计算 (14)

4.2电力电子器件电压、电流等定额计算 (15)

4.3平波电抗器电感值的计算 (16)

4.4电容滤波的电容计算 (16)

第5章设计总结与体会 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

第1章概述

目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到95%。

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。

而电能的传输中，直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。

第2章方案确定

2.1原始数据

输入交流电源：

三相380V f=50Hz

直流输出电压：

300~500V范围内，直流输出电流额定值300A

直流输出电流连续的最小值为30A

2.2设计任务

整流电路的选择

整流变压器额定参数的计算

晶闸管电流、电压额定的选择

平波电抗器电感值的计算

保护电路的设计

触发电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

列出主电路所用元器件的明细表

2.3设计要求

1. 设计思路清晰，给出整体设计框图；

2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

3. 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析；

4. 绘制总电路图；写出设计报告。

2.4方案分析

单相可控电路与三相可控电路相比，有结构简单，输出脉动大，脉动频率低的特点，其不适于容量要求高的情况，而三相可控整流电路有与之基本相反的特点，对于相当于反电动势负载的电动机来说，它能满足其电流容量较大，电流脉动小且连续不断的要求。

2.5方案选择

三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1—2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。

第3章电路设计

3.1主电路

本设计中采用的三相全控桥由六个晶闸管组成，习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是α。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是 1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管 VT1 和 VT4 接 a 相，晶闸管 KP3 和 VT6 接 b 相，晶管 VT5 和KP2 接 c 相。晶闸管 VT1、VT3、VT5 组成共阴极组，而晶闸管 VT2、VT4、VT6 组成共阳极组。图1是电路接线图。

图1

下面对其带阻感负载时工作情况进行分析：

α=时，由三相半波电路分析可知，在共阴极组的自然换相（1）00

点ωt1、ωt3、ωt5时刻，分别触发T1、T3、T5晶闸管，而在共阳极组的自然

换相点ωt2、ωt4、ωt6时刻，分别触发T2、T4、T6晶闸管，两组自然换相点对应相差60?，电路各自在本组内换流，即T1→T3→T5→T1...，T2→T4→T6→T2...，每个管子轮流导通120?，为了使电流通过负载、并有输出电压，必须在共阴极和共阳极组中各有一个晶闸管同时导通。在ωt1～ωt2期间，a相电压较正，b相电压较负，在触发脉冲作用下，T1、T6管同时导通，电流从a相经T1→负载→T6流回b相，负载上得到a、b相线电压。ωt2开始，a相电压仍保持电位最高，但c相电压开始比b相更负，此时脉冲U g2触发T2导通，迫使T6承受反压而关断，负载电流从T6换到T2。依此类推。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是6、1，1、2，2、3，3、4，4、5，5、6，6、1...。这时，共阴极组输出电压波形是三相相电压正半周的包络线，共阳极组输出负半周的包络线。三相桥式全控整流的输出电压u d为两组输出电压之和，是电压波形正负包络线之间的面积，所以u d波形为三相相电压正半周的包络线。波形图如图2所示。

图2

（2）当控制角α> 0?时，输出电压波形发生变化。图3、4、5分别

为α＝30?、60?、90?时的波形。从图中可见，当α≤ 60?时，ud波形均为正值；当60?<α<90?时，由于L自感电势的作用，u d波形瞬时值出现负值，但正面积大于负面积，平均电压U d仍为正值；当α＝90?时，正负面积相等，U d=0。这表明带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为.

90。

图3

三相桥式全控整流电路是通过六个晶闸管和足够大的电感把电网的交流电转化为直流电而供给电机使用的，它可以通过调节触发电路的控制电压Uco改变晶闸管的控制角α，从而改变输出电压Ud和输出电流Id来对电动机进行控制。

整流电路在接入电网时由于变压器一次侧电压为380V，大于电动机的额定电压，所以选用降压变压器，为得到零线，变压器二次侧必须接成星型，

而一次侧接成三角形，这样可以避免三次谐波电流流入电网，减少对电源的干扰。

图4

图5

3.2触发电路

晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性.当晶闸管的阳极加上正向电压后,还必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通, 这一正向触发电压的导通是由触发电路提供的,根据具体情况这个电压可以是交流、直流或脉冲电压。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极的触发功率，常常用脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。

图6为TC787在六相整流电路中的应用电路，图中变压器二次侧的电压为30V，图中电容C8、C10、C12为隔直耦合电容，而C7、C9、C11为滤波电容，它与R7、R8、R11构成滤去同步电压中毛刺的环节。另一方面随RP1~RP3三个电位器的不同调节，可实现0~60°的移相，从而适应不同主变压器接法的需要。在同步信号为50HZ时，锯齿波充电电容建议采用1μF电容，相对误差小于5%，以锯齿波线性好，幅度大，不平顶为宜，幅度小可减小电容值，产生平顶则增大电容值。引脚13端连接的电容Cx 容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽，在同步信号为50HZ时，建议采用0.1uf电容。脉冲经过放大和脉冲变压器相耦合以达到隔离的目的，如下图所示：

图6

3.3保护电路

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压：由分闸，合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间的存在的分布电容静电感应耦合过来。

雷击过电压：由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。

换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换

相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。

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RCD保护，电路图如图7

图7

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪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，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。

采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛

的一种过电流保护措施。

此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这种措施对器件过电流的响应最快。

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。

图8

交流侧保护：

电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通 在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容保护。由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压上升的水平。电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。串联的电阻可以消耗部分能量，并可

抑制LC 回路的振荡。

变压器一次侧阻容吸收装置如图9所示，变压器二次侧阻容吸收电路如图10所示。

T n

图

9

T n

图10

3.4控制电路

由于对整流的输出电压要有必要的调节，需要对触发角进行改变，TC787可以通过改变管脚4的电压来改变触发角，其电压0-15V 与对应的触发角为0-180度。如下图所示：

图11

第4章 主电路元件计算及选择

4.1变压器参数计算

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：

α

ωωπ

α

π

α

π

cos 34.2)(sin 63

1

2

3

23

2

d

U

t td U

U

==

?++

根据地已知的技术要求：

一次侧线电压U1=380V ，整流输出电压加在阻感负载上，且电感值较大（工作时可认为负载电流是连续平滑的直流），

由输出电压可由控制触发角来调节，且整流输出电压U d 在0～210V 内连续可调。

可取00α=时，210d U V =，由上面的分析

'

2 2.34cos d U U α

=

得出

'

289.74U V

=

考虑到变压器有漏感，会造成d

U 减小，但漏电感又在设计中无给出，

由于其为小型变压器，电压损失较小，故可取'

290U V

=。

三相交流电源，线电压380V ，知其相电压1220U V

=

由上结果计算变比N

12

U N U

=

计算得：

380 4.2

90

N =

=

2．计算电流

20.816d d

I I =

=

=

计算得：

20.816*2016.32I A

==

再由变比与电流的关系得一次侧电波有效值

12/16.32/4.2 3.89I I N A

===

max 2/1.57 3.0446I A

==

4.2电力电子器件电压、电流等定额计算

1．晶闸管电压定额(一般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):

'

2

(2~3)(2~N p U u ==

(440.91~661.36)N U V

=

2．晶闸管电流定额(一般取其平均电流为按此原则所得计算结果的1.5~2倍):

VT I I =

1.57

V T dV T I I =

(1.5~2)N dVT

I I = 已知

max 20d I A

=

计算得:

11.547VT I A

≈

11.547/1.577.35478dVT I A

==

(11.03217~14.70956)N I A

=

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。

综上所述，选用的晶闸管的型号为KP300—5，其额定电流为300A ，承受的最大电压为500V 。

4.3平波电抗器电感值的计算

一般只要主电路电感足够大,可以只考虑电流连续段,完全按线性处理.当带电机时在低速轻载时,断续作用显著,对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统,有

2m in

0.693

d U L I =

L 中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器和电感。前者数值都较小，所以上式求的近似为平波电抗电感。而

min

d I 一般取电动

机额定电流的5%~10%。可取m a x 20d I A

=为其额定值。min (5%~10%)(1~2)d dN I I A

==

2min

2100.693

0.693*

72.7652

d U L m H

I ===

因为三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减少约一半，这也是三相桥式整流电路的一大优点。

4.4电容滤波的电容计算

根据“电压下降速度相等”原则，三相桥式结构时：

而负载电阻为

d

d

U

R I =

21010.520

d d d

U R I =

==Ω

容量：W I U P 420020*21022===

3

3.3010

RC C F

R

ωω-==

=?

加此电容可以滤去电压中高频成分。

第5章设计总结与体会

经过几天的努力，我的课程设计完成。一路走过来，感觉比较充实还有一点成就感，因为这是通过自己的努力完成的。

在这次课程设计中，学到了很多有用的但课本上没有的东西，收获颇丰。

我这次做的课题是《直流电动机调速可控整流电源设计》，这个课题涉及到了三相桥式整流电路、触发电路、保护电路、还有各种参数的计算等知识点，让我对在电力电子课上所学的知识掌握的更加牢固。除了这个最重要的一点之外，我还学会了如何更好的利用互联网上丰富的免费资源来为自己提供帮助，作为21世纪的新型人才，我们只有懂得如何利用互联网才能更加方便的立足于现在的社会之中。这些药感谢课程设计的老师给我们的建议。除此之外，还缩小了我以后的选择工作的范围，这次的课程设计让我自己在一些方面有了深刻的体会，为自己以后找工作奠定了一定的基础。

简而言之就是这次的课程设计带给我很多感触，包括在学习上的收获，在生活上的习惯，还有对未来的一些小规划。

要谈到这次的课程设计不足之处的话就是设计对仿真软件的不够熟练，电气总图是找别人帮忙做的，但是我现在对一些专业软件已经开始慢慢了解了，相信在以后的日子里，我会慢慢攻破这个关卡，做到更好。

最后在这里感谢课程设计的老师，感谢你们让我们有一次这样锻炼自己的机会，感谢你们在百忙之中还抽空出来。谢谢!

参考文献

电力电子技术王兆安机械工业出版社

电力电子技术问答颜世钢机械工业出版社

电力电子电路设计钟炎平华中科技大学出版社

附录