三相桥式整流电路电力电子.doc

摘 要电子技术的应用已深入到工农业经济建设、交通运输、空间技术、国防现代化、医疗、环保和亿万人们日常生活的各个领域,进入 21 世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。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的，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，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。三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路。这次设计主要是对三相桥式整理电路进行研究，研究其工作原理及其产生的波形。目 录1 选题背景.11.1 课题意义.11.2 要求.12 三相桥式全控整流电路工作原理.22.1 原理.22.2 工作特点.22.3 工作过程分析.33 参数计算及确定、晶闸管介绍.63.1 参数定量计算.63.2 晶闸管介绍.73.3 电源参数确定.94 仿真结果及其分析.124.1 仿真结果分析.124.2 波形分析.165 设计心得.176 参考文献1 选题背景1.1 课题意义电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子” 、 “电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中需要大小可调的直流电源,而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定,利用它可以方便地得到大中、小各种容量的直流电能,是目前获得直流电能的主要方法,得到了广泛应用。由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们选择三相桥式整流电路带阻感负载作为本次课程设计的课题。1.2 要求(a)设计出合理的整流电路图。(b)选择不同触发角度，仿真出波形并做计算。(c)给出详细仿真过程描述和详细的计算步骤和要求。2 三相桥式全控整流电路工作原理2.1 原理三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：图 2-1 三项全控整流电路主电路原理图如图 2-1 所示，为三相桥式全控带阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管称为共阳极组。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。晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为型接法。变压器二次侧接成星形得到Y零线，而一次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电网。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 。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。2.2 工作特点三相桥式全控整流电路带阻感负载主要是在不同阶段通过控制共阴极与共阳极的晶闸管导通与关断来实现整流作用的。现具体介绍不同阶段各晶闸管的工作情况，如表格 2-2 所示表 2-1 三相桥式全控整流电路阻感负载（触发角 =0°）时晶闸管工作情况 2 个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各 1 个，且不能为同一相器件。 对触发脉冲的要求：按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序，相位依次差 60°共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差 120°共阳极组 VT4、VT6、VT2 的脉冲也依次差 120°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°。 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。du 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。2.3 工作过程分析当 60 度时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压 ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形不同，电阻负载时 ud 波形与 id 的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图 2-2和图 2-3 分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载 =00和 =300的波形。图 2-2 中除给出 ud波形和 id波形外，还给出了晶闸管 VT1电流 iVT1 的波形，可时段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-ub =uabua-uc =ucub-uc =ubcub-ua =ubauc-ua =ucauc-ub =ucb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-ub =uabua-uc =ucub-uc =ubcub-ua =ubauc-ua =ucauc-ub =ucb时段时段I III IIIIIIIIIVIVV VVIVI共阴极组中导 通的晶闸管共阴极组中导 通的晶闸管VT1VT1VT1VT1VT3VT3VT3VT3VT5VT5VT5VT5共阳极组中导 通的晶闸管共阳极组中导 通的晶闸管VT6VT6VT2VT2VT2VT2VT4VT4VT4VT4VT6VT6整流输出电压ud整流输出电压udua-ub =uabua-ub =uabua-uc =ucua-uc =ucub-uc =ubcub-uc =ubcub-ua =ubaub-ua =ubauc-ua =ucauc-ua =ucauc-ub =ucbuc-ub =ucb与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管 VT1导通段，iVT1波形由负载电流 id 波形决定，和 ud波形不同。 图 2-2 触发角为 =0o时的波形图图 2-3 触发角为 =30o时的波形图图 2-4 触发角为 =60°时的波形图当 60 度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时 ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感 L 的作用，ud波形会出现负的部分。图 2-5给出了 =90 度时的波形。若电感 L 值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为 90 度。图 2-5 触发角为 =90°时的波形图3 参数计算、元器件选择3.1 定量计算当 时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，整流输60du出电压连续时的平均值为： 当 时，带电阻负载，整流电压平均值为： 60输出电流平均值为当整流变压器为星型接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图 2-3 所示，为正负半周各宽 120°，前沿相差 180°的矩形波，其有效值为：三相桥式全控整流电路接，反电动势阻感负载时，在负载阻感足够大足以使负载电流连续的情况下电路工作情况与电感性负载相似，电路中各处电压 电流波形均相同，仅在计算时有所不同，接反电动势阻感负载的为：dIdI晶闸管的参数：（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压考虑安26UUup全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的 23 倍。即 upUU）（额32（2）电流额定：通态平均电流，考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的VTI（1.52）倍，即)3cos(12.34Ut)(sin6322 3tdUUdcos2.34Ut)d(sin63122323tUUdRUId ddddIII816. 032)32)(-I32(I212 d2 dREUId d-（3）整流变压器的参数：很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。变压器的一、二次容量为223IUS 当 60°时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不du会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感 L 的作用，波形会出现负的部分。图 2-du4 给出了 =90°时的波形。若电感 L 值足够大，中正负面积将基本相等，平均dudu值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为 90°。3.2 元器件介绍晶闸管的介绍晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR） ，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20 世纪 80 年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz 以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。1)晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。晶闸管有螺栓型和平板型两种封装引出阳极 A、阴极 K 和门极（或称栅极）G 三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。内部结构:四层三个结。如图 1.157. 1)25 . 1 (VT NII图3-1 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形2)晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结 J1（P1N1） 、J2（N1P2） 、J3（P2N2） ，并分别从 P1、P2、N2引入 A、G、K 三个电极，如图 1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图 1.2（右）所示的两个晶闸管 T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。图 3-2 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率 du/dt 过高结温较高光直接照射硅片，即光触发：光控晶闸管只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。可关断晶闸管可关断晶闸管简称 GTO。可关断晶闸管的结构：GTO 的内部结构与普通晶闸管相同，都是 PNPN 四层结构，外部引出阳极、阴极和门极如图 1.3。和普通晶闸管不同， GTO 是一种多元胞的功率集成器件，内部包含十个甚至数百个共阳极的小GTO 元胞，这些 GTO 元胞的阴极和门极在器件内部并联在一起，使器件的功率可以到达相当大的数值。图 3-3 GTO 的结构、等效电路和图形符号可关断晶闸管的工作原理：GTO 的导通机理与 SCR 是完全一样的。 GTO 一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO 在关断机理上与 SCR 是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子） ，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。元器件清单元器件名称提取元器件路径 交流电源Electrical source/AC voltage source 三相电压-电流测量单元Measurements/Three-phaseV-I measurement 三相晶闸管整流器Extra library/three-phase library/6- pulse thyristor bridge RLC 负载Elements/series RLC bridge 6 脉冲发生器Extralibrary/controlblocks/synchronized 6-pulsegenerator 触发角设定Simulink/sources/constans表 3-1 三相整流电路模型主要元器件3.3 电源参数设定设置电源的参数为：三相交流电作为电源，每相相电压为 220V，频率为 50HZ，相角依次相差120°。如图 3-4,3-5,3-6,3-7：图 3-4图 3-5图 3-6图 3-7 仿真图中电源波形4 仿真结果及其分析4.1 仿真及结果晶闸管 VT1 的导通角从 60°开始，按照触发脉冲的要求，频率为 50Hz，晶闸管VT1 的导通角为 60°120°, 晶闸管 VT2 的导通角为 120°180°, 晶闸管 VT3 的导通角为 180°240°, 晶闸管 VT4 的导通角为 240°300°, 晶闸管 VT5 的导通角为300°360°, 晶闸管 VT6 的导通角为 360°420°。L=0.1H 如图 4-1,4-2 所示，L=0.01H 如图 4-3,4-4 所示。图 4-1 三相桥式全控整流电路触发角为 60°时仿真图图 4-2 =60°时各个参数的波形图 4-3 三相桥式全控整流电路触发角为 60°时仿真图图 4-4 =60°时各个参数的波形晶闸管 VT1 的导通角从 90°开始，按照触发脉冲的要求，频率为 50Hz，晶闸管VT1 的导通角为 90°150°, 晶闸管 VT2 的导通角为 150°210°, 晶闸管 VT3 的导通角为 210°270°, 晶闸管 VT4 的导通角为 270°330°, 晶闸管 VT5 的导通角为330°390°, 晶闸管 VT6 的导通角为 390°450°。图 4-3 三相桥式全控整流电路触发角为 90°时仿真图图 4-4 =90°时各个参数的波形4.2 波形分析对于感性的负载，当触发角小于 60°时，整流输出电压波形与纯阻性负载时基本相同，所不同的是，阻感性负载直流侧电流由于有电感的滤波作用而不会发生急剧的变化，输出波形较为平稳。而当触发角大于等于 60°小于 90°时，由于电感的作用，延长了管子的导通时间，使 Ud 波形出现负值，而不会出现断续，所以直流侧输出电压会减小，但是由于正面积仍然大于负面积，这时直流平均电压仍为正值。当触发角大于 90°时，由于 id 太小，晶闸管无法再导通，输出几乎为 0。工作在整流状态，晶闸管所承受的电压主要为反向阻断电压。移相范围为 090。电感能够使电流输出平稳；在没有续流二极管的情况下，晶闸管的导通时间得到延长，而当加入续流二极管后，电流通过二极管续流，二极管续流功率损耗较小，这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小，而输出电压相对来说却要大些。5 设计心得这次电力电子技术课程设计，我们通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的理论知识，检验了我们平时的学习效果。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。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对触发电路、保护电路等都有了更深刻的理解。在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。通过这次课程设计，使我懂得了只有课堂知识是远远不够的，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。我们的电力电子技术这本书虽然看起来很薄，但里面的包含的知识很多，同时有些地方讲的较简略，在自己独立学习时会遇到很大的困难。因此这本书在一个学期内讲完，学时太少，感觉学的太急，没有能力消化。建议此书用两个学期学完，在平时的教学过程中同时融入实际的训练，必将获得更好的效果。参 考 文 献【1】王兆安，刘进军.电力电子技术第 5 版，北京：机械工业出版社，2009.5【2】电力电子技术与 MATLAB 仿真，周渊深主编，北京：中国电力出版社，2005。