1、1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 2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 u
2、d(t)、i d(t)、u VT(t)的波形图e. 对控制角 和逆变 的最小值的要求3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
3、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
4、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 4晶闸管，三相全控桥式，整流，有源逆变，波形四设计
5、主要设备1.MCL 系列教学试验台主控制屏；2NMCL-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
6、。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
7、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5三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
8、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
9、：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 VD1VD6 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 90（即 0Rd,在 =0时，其对应的各电压、电流波形如下图所示：根
10、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。7图 2在一个周期内，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2V
11、T3VT4VT5 VT6。在这里只分析 =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：在 t1t2 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。在 t2t3 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。在 t3t4 区间：V 相电压最高，VT3 被触发导通。W 相电压最低，8VT2 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uv-Uw=Uvw。在 t4t5 区间：V 相电压最高，VT3 被触发导通。U 相电压最低，VT4
12、 被触发导通，加在负载上的输出电压 Ud=Uv-Uu=Uvu。在 t56t 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。在 t6t7 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。整流电路的工作特点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；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
13、发导通，同一相得晶闸管相位差 180.输出电压由六段电压组成，每周期脉动六次。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。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。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。0时，
14、晶闸管不在自然换相电换流，而是从自然换相点后移 角度开始换流，工作过程与 =0基本相同。电阻性负载 60时的 Ud 波形连续，60时 Ud 波形连续，=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。9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。打开 NMCL-002 电源开关，给定电压有
15、电压显示。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。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。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。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 =150(=30)的位置上，则相序正确，否则应该调节 RP 和示波器。用示
16、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：改变控制电压 Uct，观察在不同触发移相角 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。10表 10 30 60 90Ud(V) 144 120 67 12Id(A) 0.154 0.131 0.072 0.016Uuv(V) 110 110 110 110记录 =30，60，90时的 Ud, Id 及 Uvt 的波形图。=30时，Ud, Id 波形=30时，Uvt 波形=60时，Ud, Id 波形
