三相全控桥式整流及有源逆变电路的设计.doc

电力电子技术课程设计报告

有源逆变电路的设计

姓 名
学 号
年 级 20级
专 业 电气工程及其自动化
系（院）
指导教师

2012年 12 月 10 日

课程设计任务书

课 程 《电力电子技术》
题目
有源逆变电路的设计
引言
任务：
在已学的《电力电子技术》课程后，为了进一步加强对整流和有源逆变电路的认识。可设计一个三相全控桥式整流电路及有源逆变电路。分析两种电路的工作原理及相应的波形。通过电路接线的实验手段来进行调试，绘制相关波形图
要求：
a. 要有设计思想及理论依据
b. 设计出电路图即整流和有源逆变电路的结构图
c. 计算晶闸管的选择和电路参数
d. 绘出整流和有源逆变电路的ud(t)、id(t)、uVT(t)的波形图
e. 对控制角α和逆变β的最小值的要求

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设计题目 三相全控桥式整流及有源逆变电路的设计
一．设计目的
1．更近一步了解三相全控桥式整流电路的工作原理，研究全控桥式整流电路分别工作在电阻负载、电阻—电感负载下Ud, Id及Uvt的波形，初步认识整流电路在实际中的应用。
2．研究三相全控桥式整流逆变电路的工作原理，并且验证全控桥式电路在有源逆变时的工作条件，了解逆变电路的用途。
二．设计理念与思路
晶闸管是一种三结四层的可控整流元件，要使晶闸管导通，除了要在阳极—阴极间加正向电压外，还必须在控制级加正向电压，它一旦导通后，控制级就失去控制作用，当阴极电流下降到小于维持电流，晶闸管回复阻断。因此，晶闸管的这一性能可以充分的应用到许多的可控变流技术中。
在实际生产中，直流电机的调速、同步电动机的励磁、电镀、电焊等往往需要电压可调的直流电源，利用晶闸管的单向可控导电性能，可以很方便的实现各种可控整流电路。当整流负载容量较大时，或要求直流电压脉冲较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源提供。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。三相半波可控电路 只用三只晶闸管，接线简单，但晶闸管承受的正反向峰值电压较高，变压器二次绕组的导电角仅120°，变压器绕组利用率较低，并且电流是单向的，会导致变压器铁心直流磁化。而采用三相全控桥式整流电路，流过变压器绕组的电流是反向电流，避免了变压器铁芯的直流磁化，同时变压器绕组在一个周期的导电时间增加了一倍，利用率得到了提高。
逆变是把直流电变为交流电，它是整流的逆过程，而有源逆变是把直流电经过直-交变换，逆变成与交流电源同频率的交流电反送到电网上去。逆变在工农业生产、交通运输、航空航天、办公自动化等领域已得到广泛的应用，最多的是交流电机的变频调速。另外在感应加热电源、航空电源等方面也不乏逆变电路的身影。
在很多情况下，整流和逆变是有着密切的联系，同一套晶闸管电路即可做整流，有能做逆变，常称这一装置为“变流器”。
三．关键词
晶闸管，三相全控桥式，整流，有源逆变，波形
四．设计主要设备
1.MCL系列教学试验台主控制屏；
2．NMCL-002电源控制屏；
3.NMCL-001交直流仪表；
4.NMCL-33触发电路和晶闸管主回路；
5.NMEL-03三相电阻器；
6.NMEL-05开关板；
7.NMCL-331平波电抗器；
8.双踪示波器；
9.万用电表。
五．设计电路图及工作原理
1.电路结构
三相全控桥式整流电路是利用晶闸管的单向可控导电性能，实现直流电变交流电，电路结构采用共阴极接法的三相半波（VT1,VT3,VT5）和共阳极接法的三相半波（VT4,VT6,VT2）的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；而共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流。因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流通过，提高了变压器的利用率。共阴极组的输出电压是输入电压的正半周，共阳极组的输出电压是输入电压的负半周，总的输出电压是正负两个输出电压的串联。
电压型逆变电路有以下主要特点： 1） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本 无脉动，直流回路呈现低阻态。 2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与 负载阻抗角无关。 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗角情况不 同而不同。 3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率， 直流侧电容起缓冲无功能 量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥 各臂都并联了反馈二极管。 1.4 三相电压型桥式逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中， 应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。 采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型 桥式逆变电路如图 3 所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。 图 3 三相电压型桥式逆变电路 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的 两个电容器并标出假想中点 N ′ 。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型 桥式逆变电路的基本工作方式也是 180° 导电方式，即每个桥臂的导电角度为 180° ，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相 差 120° 。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两 个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上
逆变电路逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从 而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由 4 个 IGBT 管（VT1、VT2、 VT3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图 2 所示。 + VT1 VT2 直直电直 VT4 L1 VT3 C 三三 - 图 2 逆变电路 当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接 和负载连接时，称为无源逆变。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分 为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型 5 武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书 逆变电路。本次课程设计任务要求为电压型逆变电路的设计。
有源逆变是将直流电变成和电网同频率的交流电并送回到交流电网中去。逆变的两个条件，一是要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压，因此主电路图采用了一个用整流二极管VD1~VD6组成三相不可控整流电路来提供一个直流电动势，为了保证其值大于变流电路直流侧的平均电压，应该给变流电路直流侧加一个变压器来满足条件；二是晶闸管的控制角ɑ>90°（即0<β<90°）,使Ud为负值。只有同时满足这两个条件，才能实现逆变。
三相全控桥式整流及有源逆变主电路图

图 1
2.电路工作原理
⑴整流电路
在上图所示的三相全控桥式整流电路中，设ωL>>Rd,在ɑ=0°时，其对应的各电压、电流波形如下图所示：
根据晶闸管的导通条件可知，对共阴极组来说，哪相电位较其他两相高时，就触发该相晶闸管使其导通；对共阳极组来说，哪相的电位较其他两相低时，就触发该相晶闸管使其导通。为保证整流电流id有通路，必须保证在同一时刻里共阴极组和共阳极组中各有一个晶闸管导通。即电流的通路为：变压器二次绕组→共阴极组的某相→负载→共阳极的某相→变压器二次绕组。
整流输出电压为
Ud=Ud1-Ud2
其中，ud1为共阴极组输出电压瞬时值；ud2为共阳极组输出电压瞬时值。如果共阴极组和共阳极组控制角相同，则两组整流电压平均值相等，三相全控桥式整流电路的整流电压应为三相半控时的两倍。

图 2
在一个周期内，晶闸管的导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→ VT6。在这里只分析ɑ=0°时的工作 情况如上图所示，将一个周期相电压分为六个区间：
①在ωt1～ωt2区间：U相电压最高，VT1被触发导通。V相电压最低，VT6被触发导通，加在负载上的输出电压Ud=Uu-Uv=Uuv。
②在ωt2～ωt3区间：U相电压最高，VT1被触发导通。W相电压最低，VT2被触发导通，加在负载上的输出电压Ud=Uu-Uw=Uuw。
③在ωt3～ωt4区间：V相电压最高，VT3被触发导通。W相电压最低，VT2被触发导通，加在负载上的输出电压Ud=Uv-Uw=Uvw。
④在ωt4～ωt5区间：V相电压最高，VT3被触发导通。U相电压最低，VT4被触发导通，加在负载上的输出电压Ud=Uv-Uu=Uvu。
⑤在ωt5～6ωt区间：W相电压最高，VT5被触发导通。U相电压最低，VT4被触发导通，加在负载上的输出电压Ud=Uw-Uu=Uwu。
⑥在ωt6～ωt7区间：W相电压最高，VT5被触发导通。V相电压最低，VT6被触发导通，加在负载上的输出电压Ud=Uw-Uu=Uwu。
⑵整流电路的工作特点
①任何时候共阴极和共阳极组各有一个元件同时导通才能形成电流通路。每个晶闸管导通角为120°；
②共阴极组晶闸管VT1,VT3,VT5，按相序依次触发导通，相位相差120°，共阳极组晶闸管VT2，VT4,VT6,相位相差120°，也按相序依次触发导通，同一相得晶闸管相位差180°.
③输出电压由六段电压组成，每周期脉动六次。
④晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它至于晶闸管的导通情况有关，其波形由三段组成。一段为零，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
⑤变压器二次绕组流过正、负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了利用率。
⑥对触发脉冲宽度的要求。整流桥正常工作时，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60°；另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发一个脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以采用双脉冲触发。
ɑ>0°时，晶闸管不在自然换相电换流，而是从自然换相点后移ɑ角度开始换流，工作过程与ɑ=0°基本相同。电阻性负载ɑ≤60°时的Ud波形连续，ɑ>60°时Ud波形连续，ɑ=120°时，输出电压为零，因此三相全控桥式整流电路电阻性负载相移范围为0°～ 120°。

⑶逆变电路
图 1为三相桥式有源逆变电路的原理图。为满足逆变条件，左端桥式不可控整流电路为逆变提供了上正下负的电动势。
六．电路调试
1.校正双踪示波器，两个探头同时夹在示波器自带的方波发生器上，如果方波的正负面积相等，则示波器正常，否则就要校正好示波器。
2.按电路原理图接线，未上主电源前，检查电源相序及晶闸管的脉冲是否正常。
⑴．打开NMCL-002电源开关，给定电压有电压显示。
⑵．确定电源相序——双踪示波器法。三相整流电路是按一定顺序工作的，故保证相序正确是非常重要的。测定相序可采用双踪示波器法，指定一根电源线为U相，再用示波器观察，比U相落后120°者为V相，超前120°者为W相。
⑶．用示波器观察NMCL-33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲。
⑷．检查相序，用示波器观察“1”,“2”单脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲60°，则相序正确，否则应该调整出入电源。
⑸．用双踪示波器的一根接在U相电源上，另一根接在脉冲孔“1”上，注意观察正弦波与脉冲的位置，脉冲孔在ɑ=150°(β=30°)的位置上，则相序正确，否则应该调节RP和示波器。
⑹用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V-2V的脉冲。

3. 研究三相全控桥式整流电路供电给电阻负载时的工作
把开关S1,S2扳向接有导线的一端，合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv，Uvw，Uwv，从0V调至220V：

⑴改变控制电压Uct，观察在不同触发移相角ɑ时，全控整流电路的输出电压波形Ud，输出电流波形Id及晶闸管电压波形Uvt，并记录相应的Ud，Id，Uct值，填与表1。

表 1

0°
30°
60°
90°
Ud(V)
144
120
67
12
Id(A)
0.154
0.131
0.072
0.016
Uuv(V)
110
110
110
110
⑵记录ɑ=30°，60°，90°时的Ud, Id及Uvt的波形图。
ɑ=30°时，Ud, Id波形

ɑ=30°时，Uvt波形

ɑ=60°时，Ud, Id波形

ɑ=60°时，Uvt波形

ɑ=90°时，Ud, Id波形

4.研究三相全控桥式整流电路供电给电阻-电感性负载时的工作
断开主电源，把开关S1扳向接有电感负载的一端，合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv，Uvw，Uwv，从0V调至220V，然后调节RP，使其逐渐减小，监视电流，不宜超过0.8A(若超过0.8A，可用导线把负载电阻短路)：
⑴改变控制电压Uct，观察在不同触发移相角ɑ时，全控整流电路的输出电压波形Ud，输出电流波形Id及晶闸管电压波形Uvt，并记录相应的Ud，Id，Uct值，填与表2

0°
30°
60°
Ud(V)
136
112
46
Id(A)
0.460
0.372
0.154
Uuv(V)
110
110
110
⑵记录ɑ=30°，60°时的Ud, Id及Uvt的波形图。
ɑ=30°时Ud，Id的波形

ɑ=30°时Uvt的波形图

ɑ=60°时Ud的波形

ɑ=60°时Id的波形

ɑ=60°时Uvt的波形图

5. 研究三相全控桥式逆变电路的工作
断开主电源，把开关S2扳向接有不可控电路的一端，RP调至最大合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv，Uvw，Uwv，从0V调至220V。
⑴改变控制电压Uct，使逆变角β的范围在30°~60°之间，观察全控逆变电路的输出电压波形Ud，输出电流波形Id及晶闸管电压波形Uvt，并记录相应的Ud，Id值，填与表3中。
表 3

0°
30°
60°
90°
Ud(V)
-137
-97
-23
40
Id(A)
0.14
0.2
0.27
0.34
Uuv(V)
110
110
110
110
⑵记录β=30°，60°(即ɑ=150°，120°)时的Ud,id及Uvt的波形图。
β=30°时Ud的波形

β=30°时id的波形

β=30°时Uvt的波形

β=60°时Ud的波形

β=60°时id的波形

β=60°时Uvt的波形

七．注意事项
1.整流及逆变电路与三相电源连接时，一定要注意相序。
2.整流电路的负载电阻不易过小，应使Id不不超过0.8A，同时负载电阻不宜过大，保证Id超过0.1A，避免晶闸管时断时续。
3.为防止逆变颠覆，逆变角必须安置在30°≤β≤90°范围内。
4.示波器的使用必须注意，两根地线必须接在等电位点，防止造成短路。
八．最小逆变角的确定
为保证逆变能正常工作，使晶闸管的换相能在电压负半波换相区之内完成换相，触发脉冲必须超前一定的角度，也就是说，逆变角β必须要有严格的限制。
1.换相重叠角γ。由于整流变压器存在漏抗，使晶闸管在换相时存在换相重叠角γ。γ值随电路形式、工作电流大小不同而不同，一般选取15°～25°电角度。
2.晶闸管关断时间Tg所对应的电角度δ。晶闸管从导通到完全关断需要一定的时间，这个时间Tg一般由管子的参数决定，通常为200～300μs，折合到电角度δ约为4°～5.4°。
3.安全余量角θ。由于触发电路各元件的工作状态会发生变化，使触发脉冲的间隔出现不均匀既不对称现象，再加上电源电压的波动，波形畸变等因素，因此必须留有一定的安全余量角θ，一般为10°左右。
综合以上因素，最小逆变角β≥γ+δ+θ=30°～35°。

九．心得体会
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个课程设计的过程做一下简单的总结。
第一，接到任务以后进行选题。选题是课程设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。因此，选题时一定要考虑好了。
第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做课程设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去，虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。
第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。
第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。
通过这次设计，使我对三相全控桥式整流电路及有源逆变电路的工作原理了解更加深刻了，通过理论与实际的结合去分析问题，如在理论上电感的值是无穷大，脉冲角度为90°时Ud的波形不会出现断续，但在实际中，电感大会影响人身安全，因此观察的实际波形就会出现失真。
在整个课程设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立创新的能力，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创新过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个设计还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，为以后的毕业设计打下了很好的基础，使我终身受益。
十．参考文献
[1] 电力电子技术【M】 张涛主编 电子工业出版社
[2] 电力电子技术【M】 刘卫民 施金良主编 重庆大学出版社
[3] 电力电子技术【M】 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社
[4] 电力电子技术【M】 王云亮主编 电子工业出版社
[5] 电力电子技术与MATLAB仿真【M】 周渊深主编 中国电力出版社