三相全控整流电路专业课程设计.doc

烟 台 南 山 学 院

电力电子技术课程设计

题目：三相全控整流电路

姓名：
所在学院：自动化工程学院
专业：电气工程及其自动化
班级：08级02班
学号：06709032
指导老师：王选诚
完成时间：-6-11

目录

摘要 1
Abstract 2
一．设计任务及要求 2
1.1设计任务 2
1.2设计要求 2
二.方案比较和论证 3
2.1．单相桥式全控整流 3
2.1.1电阻负载 3
电路分析 4
基础数量关系 4
2.1.2带阻感负载工作情况 5
电路分析 5
◆基础数量关系 6
2.2单相桥式半控整流 7
电路分析 7
三．总体电路功效框图及其说明 8
四．功效块及单元电路设计、计算和说明 9
4.1整流电路 9
4.2触发电路 10
1常见晶闸管触发电路 10
2晶闸管触发电路 10
五．保护电路 11
5.1过电流——过载和短路两种情况 11
5.2电力电子装置可能过电压——外因过电压和内因过电压 12
5.3保护方法 13
A、避雷器保护 13
B、利用非线性过电压保护元件保护 13
C、利用储能元件保护 13
D、利用引入电压检测电子保护电路作过电压保护 14
5.4.限制du/dt保护方法 14
5.5 限制di/dt保护方法 15
六．系统原理电路图 15
6.1所用全部元器件型号参数 16
七设计体会 17
八．参考文件 17

摘要
本文描述了单相桥式可控电路设计。。主电路采取晶闸管并联桥式整流，并将直流电传送到电动机，带动负载。晶闸管控制应用是锯齿波触发电路。电路中保护电路确保了电路工作时各个元件安全。主电路采取全控桥，确保了各项参数有很好精度

Abstract
This paper describes the design of single phase bridge type controlled rectifier circuit。The main circuit adopts bridge rectifier of thyristors parallel connection，and the DC.will be send to motor driving loads. Thyristors will be controlled by sawtooth wave trigger circuit. Protection circuit inside the main circuit ensure that every components’ safety in the running circuit. The main circuit adopts all controlled bridge, to make sure various parameters have good precision.

一．设计任务及要求
1.1设计任务
（1）．综合利用所学知识，进行电力电子电路和系统设计能力。
（2）．了解和熟悉常见电力电子电路电路拓扑、控制方法。
（3）．了解和掌握常见电力电子电路及系统主电路、控制电路和保护电路设计方法，掌握元器件选择计算方法。
（4）．含有一定电力电子电路及系统试验和调试能力。
（5）.培养学生综合分析问题.发觉问题.处理问题能力.

1.2设计要求
1).输入电压:22v交流电，50赫兹.
(2).输出功率:
(3).用集成电路组成触发电路.
(4).负载性质:电阻.电阻电感.
(5).对电路进行设计.计算和说明.
(6).计算全部元器件型号参数
二.方案比较和论证
2.1．单相桥式全控整流
2.1.1电阻负载
图3-5 单相全控桥式带电阻性负载波形
带电阻负载时电路及波形
u
(
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)
p
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0
0
0
i
2
u
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c)
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d
d
a
a
u
VT
1,4

电路分析
☞闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。
☞在u2正半周（即a点电位高于b点电位）
√若4个晶闸管均不导通，id=0,ud=0,
VT1、VT4串联承受电压u2。
√在触发角a处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。
☞当u2过零时，流经晶闸管电流也降到零，VT1和VT4关断。
☞在u2负半周，仍在触发角a处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。
☞到u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。

基础数量关系
晶闸管承受最大正向电压和反向电压分别为 和 。

整流电压平均值为：

α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。α=180°时，Ud=0。可见，α角移相范围为180°。

向负载输出直流电流平均值为：

流过晶闸管电流平均值 ：

流过晶闸管电流有效值为：

变压器二次侧电流有效值I2和输出直流电流有效值I相等，为

由式（3-12）和（3-13）可见：

不考虑变压器损耗时，要求变压器容量为S=U2I2

2.1.2带阻感负载工作情况

电路分析
在u2正半周期
触发角a处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2
负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线
u2过零变负时，因为电感作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。
wt=p+a时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2经过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4电流快速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。

2
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w
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O
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t
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1,4
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I
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2,3
i
VT
1,4
u

图3-6 单相桥式全控整流电流带阻感负载时电路及波形

◆基础数量关系
☞整流电压平均值为：

当a=0时，Ud0=0.9U2。a=90°时，Ud=0。晶闸管移相范围为90°。

☞晶闸管承受最大正反向电压均为 。

☞晶闸管导通角q和a无关，均为180°，其电流平均值和有效值分别为：

和 。

☞变压器二次侧电流i2波形为正负各180°矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id

2.2单相桥式半控整流

电路分析
每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管组成。
在u2正半周，a处触发VT1，u2经VT1和VD4向负载供电。
u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通，但因a点电位低于b点电位，电流是由VT1和VD2续流 ，ud=0。
在u2负半周，a处触发触发VT3，向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。
u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。
O
b)
2
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1
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4
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2
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3
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VD
R
u
图3-11 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时电路及波形

和全控桥式相同，假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态，在U2正半周，触发角α处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VT4向负载供电，u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通但因a点电位低于b点，使得电流从VD4转移至VD2，VD4，关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VD1和VD2续流。此阶段，忽略器件通态压降，则ud=0,不想全控桥电路那样出现ud为负情况
在u2负半周触发角α时刻触发VT3，VT3导通，则像VT1加反向电压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。U2过零变正时，VD4导通，VD2关断，VT3和VD4续流，ud又为零。以后反复以上过程
在实际应用中需加续流二极管若无续流二极管，则当a忽然增大至180°或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管连续导通而两个二极管轮番导通情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时波形，称为失控。
☞有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控现象。
☞续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。

综合比较：单相全控桥式整流电路含有输出电流较小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高优点。
三．总体电路功效框图及其说明
交流市电经过变压得到

四．功效块及单元电路设计、计算和说明

4.1整流电路

整流电压平均值为：

当a=0时，Ud0=0.9U2。a=90°时，Ud=0。晶闸管移相范围为90°。

晶闸管承受最大正反向电压均为 。

晶闸管导通角q和a无关，均为180°，其电流平均值和有效值分别为：

和 。

变压器二次侧电流i2波形为正负各180°矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。

4.2触发电路
1常见晶闸管触发电路

◆由V1、V2组成脉冲放大步骤和脉冲变压器TM和隶属电路组成脉冲输出步骤两部分组成。
◆当V1、V2导通时，经过脉冲变压器向晶闸管门极和阴极之间输出触发脉冲。
◆VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存能量而设。
◆为了取得触发脉冲波形中强脉冲部分，还需合适附加其它电路步骤。
2晶闸管触发电路
◆作用：产生符合要求门极触发脉冲，确保晶闸管在需要时刻由阻断转为导通。
◆晶闸管触发电路往往还包含对其触发时刻进行控制相位控制电路。
◆触发电路应满足下列要求
☞触发脉冲宽度应确保晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载变流器应采取宽脉冲或脉冲列触发。
☞触发脉冲应有足够幅度，对户外严寒场所，脉冲电流幅度应增大为器件最大触发电流3~5倍，脉冲前沿陡度也需增加，通常需达1~2A/ms。
☞触发脉冲应不超出晶闸管门极电压、电流和功率定额，且在门极伏安特征可靠触发区域之内。
☞应有良好抗干扰性能、温度稳定性及和主电路电气隔离。
（单结晶体管触发电路）

。

五．保护电路
5.1过电流——过载和短路两种情况
保护方法：

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

过电流保护方法及其配置位置

*同时采取多个过电流保护方法，提升可靠性和合理性。
*电子电路作为第一保护方法，快熔仅作为短路时部分 区段保护，直流快速断路器整定在电子电路动作以后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

*全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适适用于小功率装置或器件裕度较大场所。
*短路保护：快熔只在短路电流较大区域起保护作用

5.2电力电子装置可能过电压——外因过电压和内因过电压
§ 外因过电压：关键来自雷击和系统操作过程等外因
Ø 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引发
Ø 雷击过电压：由雷击引发
§ 内因过电压：关键来自电力电子装置内部器件开关过程
Ø 换相过电压：晶闸管或和全控型器件反并联二极管在换相结束后，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。
Ø 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流快速降低而由线路电感在器件两端感应出过电压。

5.3保护方法
A、避雷器保护
B、利用非线性过电压保护元件保护

C、利用储能元件保护
阻容过电压保护连接方法

RCD过电压吸收电路

D、利用引入电压检测电子保护电路作过电压保护
晶闸管变流装置过电压保护关键方法及设置位置
A─ 避雷器；B─ 接地电容，C─ 阻容保护；D─ 整流式阻容保护； E─ 压敏电阻保护；F─ 器件侧阻容保护

5.4.限制du/dt保护方法
(1) 产生电压上升率du／dt原因
§ 由电网侵入过电压。
§ 因为晶闸管换相时造成du／dt过大。
(2) 电压上升率du／dt限制方法
在晶闸管两端并联一个RC或RCD吸收电路
5.5 限制di/dt保护方法
(1) 变换器中产生过大di／dt 原因
§ 在晶闸管开通时，和晶闸管并联阻容保护中电容忽然向晶闸管放电。
§ 交流电源经过晶闸管向直流侧保护电容放电。
§ 直流侧负载忽然短路。
(2) 电流上升率di／dt限制方法
§ 在阻容保护中选择适宜电阻。
§ 在每个桥臂上和晶闸管串联一个约几到几十微亨小电感。
六．系统原理电路图

6.1所用全部元器件型号参数
电动机型号为Z2-11，额定功率：0.4KW 额定电压：220v 额定电流：2.68A
晶闸型号：KK350 额定电压：350V
电容型号：CZ32D33μ
熔断器型号：HC150

七设计体会
又有了这个机会，自己动手，自己动脑，查资料，用CAD绘图，自己策划做课程设计。每次课程设计全部能使自己提升不少，这次也不例外。经过对单相桥式可控整流电路研究，更了解了整流电路线路、原理，知道了很多触发电路，加深了对触发电路功效了解，还要保护电路，认识保护电路关键，并对其深入了研究。其次，我还学习了电气CAD,虽不很专业，但也了解不少，对word文档也复习了一遍，更深层了解了。在课程设计中，我们分组合作，真正体会到团体力量，一个团体绝不是个人事，合作很关键。最终，很感谢那些无私将资料共享好友们，最关键是老师和同学帮助，是我在这次设计中学到很多

八．参考文件
王兆安，刘进军主编 《电力电子技术》 第五版 机械工业出版社 .7

叶斌主编 《电力电子应用技术》 清华大学出版社 .5

唐志宏韩振振主编 《数字电路和系统》 北京邮电大学出版社 .2