电力电子三相桥式全控整流电路的设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书1三相桥式全控整流电路的设计1主电路的设计与原理说明1.1主电路图的确定习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。此主电路要求带反电动势负载，此反电动势E=60V，电阻R=10Ω，电感L无穷大使负载电流连续。其原理如图1所示。1.2主电路原理为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况就也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。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。在分析du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1du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2du为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压du1du2du是两条包络线间的差值，将其对应到线图1三相桥式全控整理电路原理图武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压du为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压du波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端所接的电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几乎为一条直线。其电路工作波形如图2所示。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为060，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1可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。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ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ubua-ucub-ucub-uauc-uauc-ub=uab=uac=ubc=uba=uca=ucb图2带阻感负载α=0o时的波形武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3当触发角α改变时，电路的工作情况将发生变化。当α=030时，从1t角开始把一个周期等分为6段，每段为060与α＝00时的情况相比，一周期中du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表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了030,组成du的每一段线电压因此推迟030，du平均值降低。图3中给出了变压器二次侧a相电流ai的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ai为正，由于大电感的作用，di波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ai波形的形状也近似为一条直线，但为负值。当α=060时，电路工作情况仍可对照表1分析。du波形中每段线电压的波形继续向后移，du平均值继续降低，060时du出现了为零的点。由以上分析可见，当060时，du波形连续。对于带大电感的反电动势，di波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当060时，如090时电阻负载情况下的工作波形如图4所示，du平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得du的值出现负值，当电感足够大时，du中正负面积基本相等，du平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的角的移相范围为090。图3α=30o时的波形图4α＝90o时的波形武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书42触发电路的设计2.1触发电路的脉冲类型对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于060（一般取080～0100），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前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060，脉宽一般为020～030，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。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡。因此，常用的是双脉冲触发。2.2常用的集成触发电路常用的三相全控桥整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个KJ041集成块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。图5KJ004电路原理图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。电原理见图5：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，可获得不同的脉宽输出。KJ004的1112161151413943578R23+15V+15V+15VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10R11R14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1C2ubucous武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5同步电压为任意值。双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。图6三相全控桥整流电路的集成触发电路2.3触发电路的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15V+15V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1~6脚为6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)至VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6Ott1t2uaubucu2ua-图7三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书6为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将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，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是一致的。接下来就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。主电路电压与同步电压的关系如图7所示。对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电压au相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为+au，VT1的触发脉冲从00至0180的范围为1t～2t。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为0240，上升段起始的030和终了的030线性度不好，舍去不用，使用中间的0180。锯齿波的中点与同步信号0300位置对应。三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使0dU的触发角为090。当090时为整流工作，090时为逆变工作。将090确定为锯齿波的中点，锯齿波向前、向后各有090的移相范围。于是090与同步电压的0300对应，也就是00与同步电压的0210对应。对于其它五个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压0180。对于共阳极组的VT4、VT6和VT2，它们的阴极分别与au、bu和cu相连，可得简单表示它们的主电路电压分别为au、bu和cu。以为分析了同步电压与主电路电压的关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。图8给出了变压器接法的一种情况及相应的D,y11D,y5-11TRTSuAuBuCuaubuc-usa-usb-usc-usa-usb-uscUcUsc-UsaUbUsb-Usc-UsbUaUsaUAB图8同步变压器和整流变压器的接法及矢量图武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书7矢量图，其中主电路整流变压器为Dy11联结，同步变压器为Dy5y11联结。这时，同步电压选取的结果如表2所示。表2三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图8变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压aucubuaucubu同步电压sauscusbusauscusbu为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波滞后角为060时，同步电压选取结果如表3所示。表3三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波波滞后060）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压aucubuaucubu同步电压sbusauscusbusauscu当变流形式不同，或整流变压器、同步变压器接法不同时，可参照上述例子确定同步电压信号。3保护电路的设计3.1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。图9给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以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，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流民快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37图9过电流保护措施及配置位置武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书8措施。在选择快熔时