三相橋式整流電路電力電子.docVIP

1摘 要 電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、交通運(yùn)輸、空間技術(shù)、國(guó)防現(xiàn)代化、醫(yī)療、環(huán)保和億萬(wàn)人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域,進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對(duì)電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來(lái)越多電力電子應(yīng)用在國(guó)民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家,經(jīng)過(guò)電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。整流電路尤其是三相橋式可控整流電路是電力電子技術(shù)中最為重要的，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領(lǐng)域。三相可控整流電路中應(yīng)用最多的是三相橋式全控整流電路。這次設(shè)計(jì)主要是對(duì)三相橋式整理電路進(jìn)行研究，研究其工作原理及其產(chǎn)生的波形。目 錄1選題背景11.1課題意義11.2要求12 三相橋式全控整流電路工作原理22.1原理22.2工作特點(diǎn)22.3工作過(guò)程分析33 參數(shù)計(jì)算及確定、晶閘管介紹63.1參數(shù)定量計(jì)算63.2 晶閘管介紹73.3電源參數(shù)確定94仿真結(jié)果及其分析124.1 仿真結(jié)果分析12 4.2波形分析.165 設(shè)計(jì)心得.176 參考文獻(xiàn)17三相橋式整流電路11選題背景1.1課題意義電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對(duì)電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支，或者說(shuō)是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)新興工程技術(shù)學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來(lái)越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處，因此要學(xué)好這門課就必須做好實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，因而我們進(jìn)行了此次課程設(shè)計(jì)。又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛，而鋸齒波移相觸發(fā)三相晶閘管全控整流電路又有利于夯實(shí)基礎(chǔ)，故我們選擇三相橋式整流電路帶阻感負(fù)載作為本次課程設(shè)計(jì)的課題。1.2要求 (a)設(shè)計(jì)出合理的整流電路圖。 (b)選擇不同觸發(fā)角度，仿真出波形并做計(jì)算。 (c)給出詳細(xì)仿真過(guò)程描述和詳細(xì)的計(jì)算步驟和要求。2 三相橋式全控整流電路工作原理2.1原理 三相橋式全控整流電路圖是應(yīng)用最為廣泛的整流電路，其電路圖如下： 圖2-1 三項(xiàng)全控整流電路主電路原理圖 如圖2-1所示，為三相橋式全控帶阻感負(fù)載。習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陽(yáng)極組。共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。在三相橋式全控整流電路中，對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組是同時(shí)進(jìn)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(lián)，因此整流電壓為三相半波時(shí)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。2.2工作特點(diǎn)三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載主要是在不同階段通過(guò)控制共陰極與共陽(yáng)極的晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)整流作用的?，F(xiàn)具體介紹不同階段各晶閘管的工作情況，如表格2-2所示 表2-1三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載（觸發(fā)角=0）時(shí)晶閘管工作情況 2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1個(gè)，且不能為同一相器件。 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2的脈沖也依次差120同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。 一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣, 故該電路為6脈波整流電路。 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。2.3工作過(guò)程分析 當(dāng)60度時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流 id 波形不同，電阻負(fù)載時(shí) ud 波形與 id 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖2-2和圖2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=00和=300的波形。 圖2-2中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流 iVT1 的波形，可與帶電阻負(fù)載時(shí)的情況進(jìn)行比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導(dǎo)通段，iVT1波形由負(fù)載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 圖2-2 觸發(fā)角為=0o時(shí)的波形圖 圖2-3 觸發(fā)角為=30o時(shí)的波形圖 圖2-4 觸發(fā)角為=60時(shí)的波形圖 當(dāng)60度時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-5給出了=90度時(shí)的波形。若電感L值足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。這說(shuō)明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。 圖2-5 觸發(fā)角為=90時(shí)的波形圖3 參數(shù)計(jì)算、元器件選擇3.1定量計(jì)算 當(dāng)時(shí)，波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值為： 當(dāng)時(shí)，帶電阻負(fù)載，整流電壓平均值為： 輸出電流平均值為 當(dāng)整流變壓器為星型接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形如圖2-3所示，為正負(fù)半周各寬120，前沿相差180的矩形波，其有效值為： 三相橋式全控整流電路接，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載阻感足夠大足以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下電路工作情況與電感性負(fù)載相似，電路中各處電壓 電流波形均相同，僅在計(jì)算時(shí)有所不同，接反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載的為： 晶閘管的參數(shù)：（1）電壓額定：晶閘管在三相橋式全控整流過(guò)程中承受的峰值電壓考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時(shí)所承受峰值電壓的23倍。即 （2）電流額定：通態(tài)平均電流，考慮安全裕量，應(yīng)選用的通態(tài)平均電流為計(jì)算的（1.52）倍，即（3）整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時(shí)又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。變壓器的一、二次容量為 當(dāng)60時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4給出了=90時(shí)的波形。若電感L值足夠大，中正負(fù)面積將基本相等，平均值近似為零。這說(shuō)明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90。3.2 元器件介紹晶閘管的介紹晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代; 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型-普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。1) 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。晶閘管有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。內(nèi)部結(jié)構(gòu):四層三個(gè)結(jié)。如圖1.1圖3-1 晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形a) 晶閘管外形 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號(hào) d)模塊外形2) 晶閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導(dǎo)體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個(gè)結(jié)J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分別從P1、P2、N2引入A、G、K三個(gè)電極，如圖1.2(左)所示。由于具有擴(kuò)散工藝，具有三結(jié)四層結(jié)構(gòu)的普通晶閘管可以等效成如圖1.2（右）所示的兩個(gè)晶閘管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。圖3-2晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過(guò)門極只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管才被稱為半控型器件。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)：光控晶閘管只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段?？申P(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管簡(jiǎn)稱GTO。可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)：GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相同，都是PNPN四層結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極如圖1.3。和普通晶閘管不同， GTO是一種多元胞的功率集成器件，內(nèi)部包含十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元胞，這些GTO元胞的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，使器件的功率可以到達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值。圖3-3 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號(hào) 可關(guān)斷晶閘管的工作原理：GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是完全一樣的。 GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號(hào)是可以撤除的，在制作時(shí)采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不像普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。 GTO在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流（即抽出飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子），強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。元器件清單元器件名稱提取元器件路徑交流電源Electrical source/AC voltage source三相電壓-電流測(cè)量單元Measurements/Three-phaseV-I measurement三相晶閘管整流器Extra library/three-phase library/6-pulse thyristor bridgeRLC負(fù)載Elements/series RLC bridge6脈沖發(fā)生器Extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegenerator觸發(fā)角設(shè)定Simulink/sources/constans 表3-1 三相整流電路模型主要元器件3.3電源參數(shù)設(shè)定設(shè)置電源的參數(shù)為：三相交流電作為電源，每相相電壓為220V，頻率為50HZ，相角依次相差120。如圖3-4,3-5,3-6,3-7：圖3-4圖3-5圖3-6圖3-7 仿真圖中電源波形4 仿真結(jié)果及其分析4.1 仿真及結(jié)果 晶閘管VT1的導(dǎo)通角從60開始，按照觸發(fā)脈沖的要求，頻率為50Hz，晶閘管VT1的導(dǎo)通角為60120, 晶閘管VT2的導(dǎo)通角為120180, 晶閘管VT3的導(dǎo)通角為180240, 晶閘管VT4的導(dǎo)通角為240300, 晶閘管VT5的導(dǎo)通角為300360, 晶閘管VT6的導(dǎo)通角為360420。L=0.1H如圖4-1,4-2所示，L=0.01H如圖4-3,4-4所示。圖4-1三相橋式全控整流電路觸發(fā)角為60時(shí)仿真圖 圖4-2 =60時(shí)各個(gè)參數(shù)的波形圖4-3 三相橋式全控整流電路觸發(fā)角為60時(shí)仿真圖圖4-4 =60時(shí)各個(gè)參數(shù)的波形 晶閘管VT1的導(dǎo)通角從90開始，按照觸發(fā)脈沖的要求，頻率為50Hz，晶閘管VT1的導(dǎo)通角為90150, 晶閘管VT2的導(dǎo)通角為150210, 晶閘管VT3的導(dǎo)通角為210270, 晶閘管VT4的導(dǎo)通角為270330, 晶閘管VT5的導(dǎo)通角為330390, 晶閘管VT6的導(dǎo)通角為390450。圖4-3三相橋式全控整流電路觸發(fā)角為90時(shí)仿真圖 圖4-4 =90時(shí)各個(gè)參數(shù)的波形4.2波形分析 對(duì)于感性的負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角小于60時(shí)，整流輸出電壓波形與純阻性負(fù)載時(shí)基本相同，所不同的是，阻感性負(fù)載直流側(cè)電流由于有電感的濾波作用而不會(huì)發(fā)生急劇的變化，輸出波形較為平穩(wěn)。而當(dāng)觸發(fā)角大于等于60小于90時(shí)，由于電感的作用，延長(zhǎng)了管子的導(dǎo)通時(shí)間，使Ud波形出現(xiàn)負(fù)值，而不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)，所以直流側(cè)輸出電壓會(huì)減小，但是由于正面積仍然大于負(fù)面積，這時(shí)直流平均電壓仍為正值。當(dāng)觸發(fā)角大于90時(shí)，由于id太小，晶閘管無(wú)法再導(dǎo)通，輸出幾乎為0。工作在整流狀態(tài)，晶閘管所承受的電壓主要為反向阻斷電壓。移相范圍為090。電感能夠使電流輸出平穩(wěn)；在沒有續(xù)流二極管的情況下，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間得到延長(zhǎng)，而當(dāng)加入續(xù)流二極管后，電流通過(guò)二極管續(xù)流，二極管續(xù)流功率損耗較小，這時(shí)輸出電流相對(duì)來(lái)說(shuō)就較不加續(xù)流二極管時(shí)要小，而輸出電壓相對(duì)來(lái)說(shuō)卻要大些。5 設(shè)計(jì)心得 這次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我們通過(guò)對(duì)知識(shí)的綜合利用，進(jìn)行必要的分析，比較，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識(shí)，檢驗(yàn)了我們平時(shí)的學(xué)習(xí)效果。雖然此次課程設(shè)計(jì)與實(shí)際操作分析還有很大的差距，但是它提高了我們