1、 7/7三相全控橋式整流及有源逆變電路的設(shè)計(jì) 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 有源逆變電路的設(shè)計(jì) 姓名 學(xué)號(hào) 年級(jí) 20級(jí) 專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化 系（院） 指導(dǎo)教師 2012年 12 月 10 日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程電力電子技術(shù) 題目 有源逆變電路的設(shè)計(jì) 引言 任務(wù)： 在已學(xué)的電力電子技術(shù)課程后，為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)整流和有源逆變電路的認(rèn)識(shí)?？稍O(shè)計(jì)一個(gè)三相全控橋式整流電路及有源逆變電路。分析兩種電路的工作原理及相應(yīng)的波形。通過(guò)電路接線的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)進(jìn)行調(diào)試，繪制相關(guān)波形圖 要求： a. 要有設(shè)計(jì)思想及理論依據(jù) b. 設(shè)計(jì)出電路圖即整流和有源逆變電路的結(jié)構(gòu)圖 c. 計(jì)算晶閘管的選擇和電路參數(shù) d. 繪出

2、整流和有源逆變電路的ud(t)、id(t)、uVT(t)的波形圖 e. 對(duì)控制角和逆變的最小值的要求 設(shè)計(jì)題目三相全控橋式整流及有源逆變電路的設(shè)計(jì) 一設(shè)計(jì)目的 1更近一步了解三相全控橋式整流電路的工作原理，研究全控橋式整流電路分別工作在電阻負(fù)載、電阻電感負(fù)載下Ud, Id 及Uvt的波形，初步認(rèn)識(shí)整流電路在實(shí)際中的應(yīng)用。 2研究三相全控橋式整流逆變電路的工作原理，并且驗(yàn)證全控橋式電路在有源逆變時(shí)的工作條件，了解逆變電路的用途。二設(shè)計(jì)理念及思路 晶閘管是一種三結(jié)四層的可控整流元件，要使晶閘管導(dǎo)通，除了要在陽(yáng)極陰極間加正向電壓外，還必須在控制級(jí)加正向電壓，它一旦導(dǎo)通后，控制級(jí)就失去控制作用，當(dāng)陰極

3、電流下降到小于維持電流，晶閘管回復(fù)阻斷。因此，晶閘管的這一性能可以充分的應(yīng)用到許多的可控變流技術(shù)中。 在實(shí)際生產(chǎn)中，直流電機(jī)的調(diào)速、同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁、電鍍、電焊等往往需要電壓可調(diào)的直流電源，利用晶閘管的單向可控導(dǎo)電性能，可以很方便的實(shí)現(xiàn)各種可控整流電路。當(dāng)整流負(fù)載容量較大時(shí)，或要求直流電壓脈沖較小時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源提供。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路。三相半波可控電路只用三只晶閘管，接線簡(jiǎn)單，但晶閘管承受的正反向峰值電壓較高，變壓器二次繞組的導(dǎo)電角僅120，變壓器繞組利用率較低，并且電流是單向的，會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵心直

4、流磁化。而采用三相全控橋式整流電路， 流過(guò)變壓器繞組的電流是反向電流，避免了變壓器鐵芯的直流磁化，同時(shí)變壓器繞組在一個(gè)周期的導(dǎo)電時(shí)間增加了一倍，利用率得到了提高。 逆變是把直流電變?yōu)榻涣麟?，它是整流的逆過(guò)程，而有源逆變是把直流電經(jīng)過(guò)直-交變換，逆變成及交流電源同頻率的交流電反送到電網(wǎng)上去。逆變?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航空航天、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，最多的是交流電機(jī)的變頻調(diào)速。另外在感應(yīng)加熱電源、航空電源等方面也不乏逆變電路的身影。 在很多情況下，整流和逆變是有著密切的聯(lián)系，同一套晶閘管電路即可做整流，有能做逆變，常稱這一裝置為“變流器”。 三關(guān)鍵詞 晶閘管，三相全控橋式，整流，有源

5、逆變，波形 四設(shè)計(jì)主要設(shè)備 1.MCL系列教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)主控制屏； 2NMCL-002電源控制屏； 3.NMCL-001交直流儀表； 4.NMCL-33觸發(fā)電路和晶閘管主回路； 5.NMEL-03三相電阻器； 6.NMEL-05開(kāi)關(guān)板； 7.NMCL-331平波電抗器； 8.雙蹤示波器； 9.萬(wàn)用電表。 五設(shè)計(jì)電路圖及工作原理 1.電路結(jié)構(gòu) 三相全控橋式整流電路是利用晶閘管的單向可控導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)直流電變交流電，電路結(jié)構(gòu)采用共陰極接法的三相半波（VT1,VT3,VT5）和共陽(yáng)極接法的三相半波（VT4,VT6,VT2）的串聯(lián)組合，由于共陰極組在正半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的是正向電流；而共陽(yáng)極組在負(fù)半周導(dǎo)

6、電，流經(jīng)變壓器的是反向電流。因此變壓器繞組中沒(méi)有直流磁通，且每相繞組正負(fù)半周都有電流通過(guò)，提高了變壓器的利用率。共陰極組的輸出電壓是輸入電壓的正半周，共陽(yáng)極組的輸出電壓是輸入電壓的負(fù)半周，總的輸出電壓是正負(fù)兩個(gè)輸出電壓的串聯(lián)。 電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)： 1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻態(tài)。 2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且及負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗角情況不同而不同。 3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提

7、供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 1.4 三相電壓型橋式逆變電路用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖 3 所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖 3 三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但 為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)N 。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180 導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180 ，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度以此相差120 。這

8、樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上 逆變電路逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負(fù)載上得到的實(shí)際電壓為正弦波，逆變電路是由 4 個(gè) IGBT 管（VT1、VT2、 VT3、VT4）組成的全橋式逆變電路組成，如圖 2 所示。 + VT1 VT2 直直電直 VT4 L1 VT3 C 三三 - 圖 2 逆變電路當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無(wú)源逆變。此外，逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為

9、電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱為電流型 5 武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書逆變電路。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求為電壓型逆變電路的設(shè)計(jì)。 有源逆變是將直流電變成和電網(wǎng)同頻率的交流電并送回到交流電網(wǎng)中去。逆變的兩個(gè)條件，一是要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)的平均電壓，因此主電路圖采用了一個(gè)用整流二極管VD1VD6組成三相不可控整流電路來(lái)提供一個(gè)直流電動(dòng)勢(shì)，為了保證其值大于變流電路直流側(cè)的平均電 壓，應(yīng)該給變流電路直流側(cè)加一個(gè)變壓器來(lái)滿足條件；二是晶閘管的控制角90（即0Rd,在=0時(shí)，其對(duì)應(yīng)的各電壓、電流波形如下圖所示： 根據(jù)晶閘管的導(dǎo)通條件可知，對(duì)共

10、陰極組來(lái)說(shuō)，哪相電位較其他兩相高時(shí)，就觸發(fā)該相晶閘管使其導(dǎo)通；對(duì)共陽(yáng)極組來(lái)說(shuō)，哪相的電位較其他兩相低時(shí)，就觸發(fā)該相晶閘管使其導(dǎo)通。為保證整流電流id有通路，必須保證在同一時(shí)刻里共陰極組和共陽(yáng)極組中各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。即電流的通路為：變壓器二次繞組共陰極組的某相 負(fù)載共陽(yáng)極的某相變壓器二次繞組。 整流輸出電壓為 Ud=Ud1-Ud2 其中，ud1為共陰極組輸出電壓瞬時(shí)值；ud2為共陽(yáng)極組輸出電壓瞬時(shí)值。如果共陰極組和共陽(yáng)極組控制角相同，則兩組整流電壓平均值相等，三相全控橋式整流電路的整流電壓應(yīng)為三相半控時(shí)的兩倍。 圖 2 在一個(gè)周期內(nèi)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1VT2VT3VT4VT5 VT6。在

11、這里只分析=0時(shí)的工作情況如上圖所示，將一個(gè)周期相電壓分為六個(gè)區(qū)間： 在t1t2區(qū)間：U相電壓最高，VT1被觸發(fā)導(dǎo)通。V相電 壓最低，VT6被觸發(fā)導(dǎo)通，加在負(fù)載上的輸出電壓Ud=Uu-Uv=Uuv。 在t2t3區(qū)間：U相電壓最高，VT1被觸發(fā)導(dǎo)通。W相電 壓最低，VT2被觸發(fā)導(dǎo)通，加在負(fù)載上的輸出電壓Ud=Uu-Uw=Uuw。 在t3t4區(qū)間：V相電壓最高，VT3被觸發(fā)導(dǎo)通。W相電壓最低，VT2被觸發(fā)導(dǎo)通，加在負(fù)載上的輸出電壓Ud=Uv-Uw=Uvw。 在t4t5區(qū)間：V相電壓最高，VT3被觸發(fā)導(dǎo)通。U相電壓最低，VT4被觸發(fā)導(dǎo)通，加在負(fù)載上的輸出電壓Ud=Uv-Uu=Uvu。 在t56t區(qū)間

12、：W相電壓最高，VT5被觸發(fā)導(dǎo)通。U相電壓最低，VT4被觸發(fā)導(dǎo)通，加在負(fù)載上的輸出電壓Ud=Uw-Uu=Uwu。 在t6t7區(qū)間：W相電壓最高，VT5被觸發(fā)導(dǎo)通。V相電壓最低，VT6被觸發(fā)導(dǎo)通，加在負(fù)載上的輸出電壓Ud=Uw-Uu=Uwu。 整流電路的工作特點(diǎn) 任何時(shí)候共陰極和共陽(yáng)極組各有一個(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通才能形成電流通路。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角為120； 共陰極組晶閘管VT1,VT3,VT5，按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，相位相差120，共陽(yáng)極組晶閘管VT2，VT4,VT6,相位相差120，也按相序依次觸發(fā)導(dǎo)通，同一相得晶閘管相位差180. 輸出電壓由六段電壓組成，每周期脈動(dòng)六次。 晶閘管承受的電壓波形及三相

13、半波時(shí)相同，它至于晶閘管的導(dǎo)通情況有關(guān)，其波形由三段組成。一段為零，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。 變壓器二次繞組流過(guò)正、負(fù)兩個(gè)方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了利用率。 對(duì)觸發(fā)脈沖寬度的要求。整流橋正常工作時(shí)，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖的寬度大于60；另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個(gè)晶閘管時(shí)，向小一個(gè)序號(hào)的晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以采用雙脈沖觸發(fā)。 0時(shí)，晶閘管不在自然換相電換流，而是從自然換相點(diǎn)后移角度開(kāi)始換流，工作過(guò)程及=0基本相同。電阻性負(fù)載60時(shí)的U

14、d波形連續(xù)，60時(shí)Ud波形連續(xù)，=120時(shí)，輸出電壓為零，因此三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載相移范圍為0120。 逆變電路 圖 1為三相橋式有源逆變電路的原理圖。為滿足逆變條件，左端橋式不可控整流電路為逆變提供了上正下負(fù)的電動(dòng)勢(shì)。 六電路調(diào)試 1.校正雙蹤示波器，兩個(gè)探頭同時(shí)夾在示波器自帶的方波發(fā)生器上，如果方波的正負(fù)面積相等，則示波器正常，否則就要校正好示波器。 2.按電路原理圖接線，未上主電源前，檢查電源相序及晶閘管的脈沖是否正常。 打開(kāi)NMCL-002電源開(kāi)關(guān)，給定電壓有電壓顯示。 確定電源相序雙蹤示波器法。三相整流電路是按一定順序工作的，故保證相序正確是非常重要的。測(cè)定相序可采用雙蹤示

15、波器法，指定一根電源線為U相，再用示波器觀察，比U相落后120者為V相，超前120者為W相。 用示波器觀察NMCL-33的雙脈沖觀察孔，應(yīng)有間隔均勻，幅度相同的雙脈沖。 檢查相序，用示波器觀察“1”,“2”單脈沖觀察孔，“1”脈沖超前“2”脈沖60，則相序正確，否則應(yīng)該調(diào)整出入電源。 用雙蹤示波器的一根接在U相電源上，另一根接在脈沖孔“1”上，注意觀察正弦波及脈沖的位置，脈沖孔在=150(=30)的位置上，則相序正確，否則應(yīng)該調(diào)節(jié)RP和示波器。 用示波器觀察每只晶閘管的控制極，陰極，應(yīng)有幅度為1V-2V 的脈沖。 3. 研究三相全控橋式整流電路供電給電阻負(fù)載時(shí)的工作 把開(kāi)關(guān)S1,S2扳向接有導(dǎo)

16、線的一端，合上主電源，調(diào)節(jié)主控制屏輸出電壓Uuv，Uvw，Uwv，從0V調(diào)至220V： 改變控制電壓Uct，觀察在不同觸發(fā)移相角時(shí)，全控整流電路的輸出電壓波形Ud，輸出電流波形Id及晶閘管電壓波形Uvt，并記錄相應(yīng)的Ud，Id，Uct值，填及表1。 表 1 0306090Ud(V)1441206712 Id(A)0.1540.1310.0720.016 Uuv(V)110110110110 記錄=30，60，90時(shí)的Ud, Id及Uvt的波形圖。 =30時(shí)，Ud, Id波形 =30時(shí)，Uvt波形 =60時(shí)，Ud, Id波形 =60時(shí)，Uvt波形 =90時(shí)，Ud, Id波形 4.研究三相全控橋式

17、整流電路供電給電阻-電感性負(fù)載時(shí)的工作 斷開(kāi)主電源，把開(kāi)關(guān)S1扳向接有電感負(fù)載的一端，合上主電源，調(diào)節(jié)主控制屏輸出電壓Uuv，Uvw，Uwv，從0V調(diào)至220V，然后調(diào)節(jié)RP，使其逐漸減小，監(jiān)視電流，不宜超過(guò)0.8A(若超過(guò)0.8A，可用導(dǎo)線把負(fù)載電阻短路)： 改變控制電壓Uct，觀察在不同觸發(fā)移相角時(shí)，全控整流電路的輸出電壓波形Ud，輸出電流波形Id及晶閘管電壓波形Uvt，并記錄相應(yīng)的Ud，Id，Uct值，填及表2 03060 Ud(V)13611246 Id(A)0.4600.3720.154 Uuv(V)110110110 記錄=30，60時(shí)的Ud, Id及Uvt的波形圖。 =30時(shí)Ud

18、，Id的波形 =30時(shí)Uvt的波形圖 =60時(shí)Ud的波形 =60時(shí)Id的波形 =60時(shí)Uvt的波形圖 5. 研究三相全控橋式逆變電路的工作 斷開(kāi)主電源，把開(kāi)關(guān)S2扳向接有不可控電路的一端，RP調(diào)至最大合上主電源，調(diào)節(jié)主控制屏輸出電壓Uuv，Uvw，Uwv，從0V調(diào)至220V。 改變控制電壓Uct，使逆變角的范圍在3060之間，觀察全控逆變電路的輸出電壓波形Ud，輸出電流波形Id及晶閘管電壓波形Uvt，并記錄相應(yīng)的Ud，Id值，填及表3中。 表 3 0306090 Ud(V)-137-97-2340 Id(A)0.140.20.270.34 Uuv(V)110110110110 記錄=30，60

19、(即=150，120)時(shí)的Ud,id及Uvt的波形圖。 =30時(shí)Ud的波形 =30時(shí)id的波形 =30時(shí)Uvt的波形 =60時(shí)Ud的波形 =60時(shí)id的波形 =60時(shí)Uvt的波形 七注意事項(xiàng) 1.整流及逆變電路及三相電源連接時(shí)，一定要注意相序。 2.整流電路的負(fù)載電阻不易過(guò)小，應(yīng)使Id不不超過(guò)0.8A，同時(shí)負(fù)載電阻不宜過(guò)大，保證Id超過(guò)0.1A，避免晶閘管時(shí)斷時(shí)續(xù)。 3.為防止逆變顛覆，逆變角必須安置在3090范圍內(nèi)。 4.示波器的使用必須注意，兩根地線必須接在等電位點(diǎn)，防止造成 短路。 八最小逆變角的確定 為保證逆變能正常工作，使晶閘管的換相能在電壓負(fù)半波換相區(qū)之內(nèi)完成換相，觸發(fā)脈沖必須超前

20、一定的角度，也就是說(shuō)，逆變角必須要有嚴(yán)格的限制。 1.換相重疊角。由于整流變壓器存在漏抗，使晶閘管在換相時(shí)存在換相重疊角。值隨電路形式、工作電流大小不同而不同，一般選取1525電角度。 2.晶閘管關(guān)斷時(shí)間Tg所對(duì)應(yīng)的電角度。晶閘管從導(dǎo)通到完全關(guān)斷需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間Tg一般由管子的參數(shù)決定，通常為200300s，折合到電角度約為45.4。 3.安全余量角。由于觸發(fā)電路各元件的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，使觸發(fā)脈沖的間隔出現(xiàn)不均勻既不對(duì)稱現(xiàn)象，再加上電源電壓的波動(dòng)，波形畸變等因素，因此必須留有一定的安全余量角，一般為10左右。 綜合以上因素，最小逆變角+=3035。 九心得體會(huì) 課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。下面我對(duì)整個(gè)課