1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三相橋式全控整流電路課程設計湖 南 工 學 院電力電子技術課程設計說明書 三相橋式全控整流電路 系 、 部： 電氣與信息工程系 專 業： 自動化 1717目錄第1章 緒論01. 電子技術的發展趨勢12. 本人的主要工作2第2章 主電路的設計及原理21. 總體框圖32. 主電路的設計原理32.1帶電阻負載時42.2阻感負載時73. 觸發電路84. 保護電路95. 參數計算105.1 整流變壓器的選擇105.2 晶閘管的選擇115.3 輸出的定量分析11第3章 MATLAB的仿真121. MATLAB仿真軟

2、件的簡介122. 仿真模擬圖133. 仿真結果13第4章 結束語15參考文獻16第1章 緒論1. 電子技術的發展趨勢 當今世界能源消耗增長十分迅速。目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經過電力電子設備的轉換才到使用者手中。預計十年后，電力能源中的80%要經過電力電子設備的轉換，電力電子技術在21世紀將起到更大作用。 電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的學科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發展，電力電子技術由于和現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相

3、關，已逐步發展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科。 電力電子技術作為一門高技術學科，由于其在節能、減小環境污染、改善工作條件等方面有著重要的作用，現在已廣泛的應用于傳統工業(例如：電力、機械、交通、化工、冶金、輕紡等)和高新技術產業(例如：航天、現代化通信等)。下面著重討論電力電子技術在電力系統中的一些應用。 在高壓直流輸電(HVDC)方面的應用 直流輸電在技術方面有許多優點：(1)不存在系統穩定問題，可實現電網的非同期互聯;(2)可以限制短路電流;(3)沒有電容充電電流;(4)線路有功損耗小;(5)輸送相同功率時，線路造價低;(6)調節速度快，運行可靠;(7)適宜于海下輸電。隨著大功率電

4、子器件(如：可關斷的晶閘管、MOS控制的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等)開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的出現和投入應用，高壓直流輸電設備的性能必將進一步得以改善，設備結構得以簡化，從而減少換流站的占地面積、降低工程造價。 在柔性交流輸電系統(FACTS)中的應用 20世紀80年代中期，美國電力科學研究院(EPRI)N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流輸電技術的概念。近年來柔性交流輸電技術在世界上發展迅速，已被國內外一些權威的輸電工作者預測確定為“未來輸電系統新時代的三項支持技術(柔性輸電技術、先進的控制中心技術和綜合自動化技術)之一”。現代電力電子技術、控制理論和通訊技術的

5、發展為FACTS的發展提供了條件。采用IGBT等可關斷器件組成的FACTS元件可以快速、平滑地調節系統參數，從而靈活、迅速地改變系統的潮流分布。 在電力諧波治理方面的應用 有源濾波是治理日益嚴重的電力系統諧波的最理想方法之一。有源濾波器的概念最早是在20世紀70年代初提出來的，即利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而實現實時補償諧波電流的目的。隨著中國電能質量治理工作的深入開展，使用以瞬時無功功率理論為理論基礎的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市場潛力。 在不間斷電源(UPS)中的應用 UPS緊急供電系統是電力自動化系統安全可靠

6、運行的根本保證，是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。現代UPS普遍采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,降低了電源的噪聲,提高了效率和可靠性。 電力電子技術已迅速發展成為一門獨立的技術、學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業部門。毫無疑問，它將成為新世紀的關鍵支撐技術之一。電力電子技術擁有許多微電子技術所具有的特征，比如發展迅速、滲透力強、生命力旺盛，并且能與其它學科相互融合和相互發展。2. 本人的主要工作（1）設計一個三相橋式全控整流電路。 （2）把設計的電路圖進行仿真，分析并調試，使輸出得到所要求的到的值。（3）

7、用軟件MATLAB ，畫出設計原理圖。（4）完成設計報告。第2章 主電路的設計及原理1. 總體框圖交流源±220V主變壓器觸發脈沖主電路保護電路 圖2-1-1 總電路的總體框圖2. 主電路的設計原理在三相橋式全控整流電路中，對共陰極組和共陽極組是同時進行控制的，控制角都是。由于三相橋式整流電路是兩組三相半波電路的串聯，因此整流電壓為三相半波時的兩倍。很顯然在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大反向電壓，可比三相半波線路中的晶閘管低一半。 為了分析方便，使三相全控橋的六個晶閘管觸發的順序是1-2-3-4-5-6，晶閘管是這樣編號的：晶閘管KP1和KP4接a相，晶閘管KP3和K

8、P6接b相，晶管KP5和KP2接c相。晶閘管KP1、KP3、KP5組成共陰極組，而晶閘管KP2、KP4、KP6組成共陽極組。 為了搞清楚變化時各晶閘管的導通規律，分析輸出波形的變化規則，下面研究幾個特殊控制角，先分析=0的情況，也就是在自然換相點觸發換相時的情況。圖1是電路接線圖。為了分析方便起見，把一個周期等分6段（見圖2）。在第（1）段期間，a相電壓最高，而共陰極組的晶閘管KP1被觸發導通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管KP6被觸發導通。這時電流由a相經KP1流向負載，再經KP6流入b相。變壓器a、b兩相工作，共陰極組的a相電流為正，共陽極組的b相電流為負。加在負載上的整流電壓為ud=

9、ua-ub=uab 經過60°后進入第(2)段時期。這時a相電位仍然最高，晶閘管KPl繼續導通，但是c相電位卻變成最低，當經過自然換相點時觸發c相晶閘管KP2，電流即從b相換到c相，KP6承受反向電壓而關斷。這時電流由a相流出經KPl、負載、KP2流回電源c相。變壓器a、c兩相工作。這時a相電流為正，c相電流為負。在負載上的電壓為ud=ua-uc=uac再經過60°，進入第(3)段時期。這時b相電位最高，共陰極組在經過自然換相點時，觸發導通晶閘管KP3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管KP2因電位仍然最低而繼續導通。此時變壓器bc兩相工作，在負載上的電壓為ud=ub-uc=

10、ubc2.1帶電阻負載時 a=0°時的情況假設將電路中的晶閘管換做二極管驚醒分析對于共陰極組的三個晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個導通對于共陽極組的三個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的導通認識時刻共陽極組和共陰極組中各有一個晶閘管處于導通狀態。從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導通時，Ud1為相電壓的正包絡線，共陽極組導通時，Ud2為相電壓的負包絡線，Ud=Ud1-Ud2是兩者的差值，為為線電壓在正半周的包絡線直接從線電壓波形看，Ud為線電壓中最大的一個，因此Ud波形為線電壓的包絡線。 圖2-2-1 三項橋式全控整流電路帶電阻負載a=0時的波形由上述三相橋式全控整流電路的工作過程可以

11、看出：1.三相橋式全控整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，另一個是共陽極組的，只有它們能同時導通，才能形成導電回路。2. 三相橋式全控整流電路就是兩組三相半波整流電路的串聯，所以與三相半波整流電路一樣，對于共陰極組觸發脈沖的要求是保證晶閘管KPl、KP3和KP5依次導通，因此它們的觸發脈沖之間的相位差應為120°。對于共陽極組觸發脈沖的要求是保證晶閘管KP2、KP4和KP6依次導通，因此它們的觸發脈沖之間的相位差也是120°。3.由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發，共陽極組是在負半周觸發，因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發脈沖的相位應該相差

12、180°。4. 三相橋式全控整流電路每隔60°有一個晶閘管要換流，由上一號晶閘管換流到下一號晶閘管觸發，觸發脈沖的順序是：1234561，依次下去。相鄰兩脈沖的相位差是60°。5.由于電流斷續后，能夠使晶閘管再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時有觸發脈沖。為了達到這個目的，可以采取兩種辦法；一種是使每個脈沖的寬度大于60°（必須小于120°），一般取80°100°，稱為寬脈沖觸發。另一種是在觸發某一號晶閘管時，同時給前一號晶閘管補發一個脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個應導通的晶閘管上都有觸發脈沖，相當于兩個窄脈沖等效

13、地代替大于60°的寬脈沖。這種方法稱雙脈沖觸發。6、整流輸出的電壓，也就是負載上的電壓。整流輸出的電壓應該是兩相電壓相減后的波形，實際上都屬于線電壓，波頭uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均為線電壓的一部分，是上述線電壓的包絡線。相電壓的交點與線電壓的交點在同一角度位置上，故線電壓的交點同樣是自然換相點，同時亦可看出，三相橋式全控的整流電壓在一個周期內脈動六次，脈動頻率為6 × 50=300赫，比三相半波時大一倍。7、晶閘管所承受的電壓。三相橋式整流電路在任何瞬間僅有二臂的元件導通，其余四臂的元件均承受變化著的反向電壓。例如在第(1)段時期，KP1和KP6導通，

14、此時KP3和KP4,承受反向線電壓uba=ub-ua。KP2承受反向線電壓ubc=ub-uc。KP5承受反向線電壓uca=uc-ua。晶閘管所受的反向最大電壓即為線電壓的峰值。當從零增大的過程中，同樣可分析出晶閘管承受的最大正向電壓也是線電壓的峰值。當a=60°時的情況：當觸發角a改變時，電路的工作情況將發生變化。從wt1角開始把一周期等分為六段，每段60度。在VT1處于通態的120度期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的Ud波形相同，在VT4處于通態的120度期間，ia波形的形狀也與同時段的Ud波形相同，但為負值。當a<60°時，Ud波形均連續，對于電阻負載，id

15、波形與Ud波形形狀一樣，也連續。Ud波形每60°中有一段為零，Ud波形不能出現負值。帶電阻負載時三項橋式全控整流電路a角的移相范圍是120°。 圖2-2-2 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a=60度時的波形2.2阻感負載時當a<60°時，Ud波形連續，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，個晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓Ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區別在于負載不同，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同，電阻負載時id波形與Ud波形形狀一樣。而足感負載時，由于電感的作用，似的負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波

16、形可近似的為一條水平線。圖2-2-3為三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=0°時的波形。 圖 2-2-3 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=0°時的波形當a>60時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時Ud波形不會出現負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，Ud波形會出現負的部分。圖2-2-4為三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=90°時的波形。 圖 2-2-4 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a=90°時的波形3. 觸發電路觸發脈沖的寬度應保證晶閘管開關可靠導通（門極電流應大于擎柱電流），觸發脈沖應有足夠的幅度，不超過門極電壓、電流和功率

17、，且在可靠觸發區域之內，應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離晶閘管可控整流電路，通過控制觸發角a的大小即控制觸發脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發脈沖。晶閘管相控電路，習慣稱為觸發電路。大、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發電路應用最多。可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便。晶閘管觸發電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。此處就是采用集成觸發產生觸發脈沖。KJ004組成分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環

18、節。KJ004觸發電路為模擬的觸發電路,其組成為：3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大,即可得到完整的三相全控橋觸發電路。三相全控橋整流電路的集成觸發電路如圖2-3-1所示。圖2-3-1 三相全控橋整流電路的集成觸發電路4. 保護電路為了保護設備的安全，必須設置保護電路。此設計電路必須對經晶閘管、交流側、直流側進行電路的保護設計。1、 晶閘管的過電流保護：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護措施。對于晶閘管初開通引起的較大電流上升率，可在晶閘管的陽極回流串聯電感進行抑制；對于整流橋內部原因引起的過流以及逆變器負載回路接地時可以采用接

19、入熔斷器進行保護。 圖2-4-1串聯電感及熔斷器抑制回路2、晶閘管的過電壓保護：晶閘管的過電壓保護主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復前，將在反向電壓作用下流過相當大的反向恢復電流。當阻斷能力恢復時，因反向恢復電流很快截止，通過恢復電流的電感會因高電流變化率產生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯RC電路。 圖2-4-2并聯RC電阻電容吸收回路5. 參數計算5.1 整流變壓器的選擇 由系統要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V。由變壓器三角形心形接法可知變壓器二次側相電壓為： （2-1）變化為： 變壓器一次側和二次側的相電

20、流計算公式為： （2-2） 而在三相橋式全控中： （2-3）所以變壓器的容量分別如下:變壓器次級容量為： （2-4）變壓器初級容量為： （2-5）變壓器容量為： （2-6）即：變壓器參數歸納如下：初級繞組三角形接法U1=380V.I1=82.96A;次級繞組星形接法，U2=127V,I2=248.88A:容量選擇為10Kw。5.2 晶閘管的選擇1、 晶閘管的額定電壓 由三相全控橋整流電路的波形分析知，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值： （2-7）故橋臂的工作幅值為： 考慮欲量，則額定電壓為： 2、 晶閘管的額定電流 晶閘管電流的有效值為： （2-8）考慮欲量，故晶閘管的額定電流

21、為： 5.3 輸出的定量分析在以上的分析中已經說明，整流輸出電壓Ud的波形在一周期內脈動六次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈沖進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得到整流輸出電壓連續時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a<60°時）的平均值為： （2-9） 帶電阻負載且a>60°時，整流電壓平均值為 （2-10）輸出電流的平均值為： 。第3章 MATLAB的仿真1. MATLAB仿真軟件的簡介Matlab控制系統仿真軟件是當今國際控制界公認的標準軟件，1999年春Matlab5.3版問世，使Matlab擁有更豐富的數

22、據類型和結構，更友善的面向對象、更加快速精良的圖形可視、更廣博的數學和數據分析資源、更多的應用開發工具，特別是SIMULINK這一個交互式操作的動態系統建模、仿真、分析集成環境的出現，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設的非線性因素、隨機因素，從而及時學生沒有對非線性動態系統進行分析研究的數學基礎，仍可通過仿真來認知非線性對系統動態的影響。2. 仿真模擬圖 圖3-2-1 仿真模擬圖3. 仿真結果 此仿真結果都為組感性負載時的仿真時運行的結果，且電感的阻值很大。此設計的仿真結果仿真了0°、30°、90°時的Ud、Id的波形圖，分別如圖3-3-1、3-3-2、3-3-3所示，其中上面的圖形為Ud的輸出波形圖，下面的圖形為Id的輸出波形圖。1、當觸發角a=0°時 圖3-3-1 觸發角為0°時的Ud、Id