1 晶闸管整流装置的谐波分析
谐波电流注入电网，使供电系统各处电压产生谐波分量，有可能和供电系统形成并联谐振或串联谐振，所在供电系统接入大功率的整流装置之前，应进行谐波分析，预测谐波量的大小及产生的危害，并提出相应的抑制措施。
整流装置所产生的谐波，有特征谐波和非特征谐波之分。特征谐波是指整流装置运行在正常条件下所产生的谐波，所谓正常条件是指：（1）网侧电压各相对称且为正弦波；（2）变压器、整流臂（阀）的参数和整流延迟角也对称；（3）直流侧电流为理想恒定值。特征谐波具有离散性的幅值频谱，可利用数学方法进行比较准确的计算。下面以中国铝业河南分公司水电厂（以下简称：河电）整流直降工程中的整流装置为例来分析晶闸管整流产生的高次谐波的特征。
1.1 晶闸管整流设备的概况
河电整流所现装备4组整流直降机组，4台整流变压器参数如下：
A
I kVA
S V
kV U ZHSFP
N N N )142802/(74.249:49588:1005/115:?型号：
接线方式：N d n I I U d d Y %23.0%;84.10;/115==Φ
移相角分别为： 5.22,5.7,5.7,5.22++--
4台整流柜参数如下： 输入电压：V 1000~3 AC
接线方式：同相逆并联
额定输出：40.25MW
输出电压：1120V DC
输出电流：35000A DC
其接线方式如图1
所示
每台整流变阀侧共有两组（共6相）交流绕组，以#
1变为例，即分别输出111111c b a 、、和121212c b a 、、两组三相对称交流电压，同相之间互差 180电角度，与网侧绕组分别组成11/d Y n 和5/d Y n 的接线组别，考虑到4台整流变相邻之间有 15的移相角（即从 5.22~5.7~5.7~5.22--++）则整流变阀侧电压相序如图2所示。
整流柜采用同相逆并联的接线方式，组成两组三相桥式全控整流电路，其整流柜接线如图3（以整流柜接线为例，每个桥臂上有四个晶闸管并联使用，图中只画出一个）所示。
从图1~图3的分析可知：河电直降整流系统，在4台整流机组同时运行时，对于110kV 的网侧来说，等效于一个整流相数为24相，整流脉波数P=48的整流线路。则该整流系统在网侧所产生的高次谐波的谐波次数n 由下式决定：
1±=kp n
式中：
整流脉波数
；
、、自然数，取谐波次数；
------p k n (321)
可见，当k 取自然数时，该系统所产生的谐波次数n=47、49、95......。以上的结论，是基于这样的一个条件，即4台机组同时运行并且接在一条母线上组成一个等效24相、对称的整流系统。但在实际应用中，如若4台机组中有一台退出运行，或者是4台机组不在同一条母线上运行时，情况就不同了，此时，整流机组所产生的谐波量将大大增加，且所产生的特征谐波也只能由三相桥式整流方式来决定了。
1.2 晶闸管整流装置的谐波分析
如图3中，设整流柜输出直流电流为d I ，以整流变阀侧A 相为例，设A 相电流为a i ，若设晶闸管触发延迟角
0=α，则a i 的波形如图4所示：
a i 的表达式为：
?????????<≤<≤<≤--<≤---<≤-==ππππππππππwt wt I wt wt I wt wt f i d
d a 6/506/56/6/6/0
6/6/56/50)(
从a i 的函数表达式及a i 的图形中可清晰地看出：该函数)(wt f i a =的周期是π2，每只晶闸管在一个整流周期内导通3/2π，并且符合狄利克雷收敛定理的条件，那么，该函数a i 一定能用傅里叶级数来表达。根据该函数a i 的特点，a i 的傅里叶级数展开式为：
新能源与动力工程学院用simulink对三相桥式全控整流电路仿真和谐波分析 专业电力工程与管理 班级电力工程与管理1101 姓名李宁军 学号201110844 指导教师董海燕 2014年11 月2日
用simulink 对三相桥式全控整流电路仿真和谐波分析 摘要：随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统 和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab 提供的可视化仿真工具可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink 对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、负载情况下进行了仿真分析，既进一步了解三相桥式全控整流电路的工作原理，同时进行了FFT 谐波分析，这对于评估电力电子装置对电网的危害和影响有非常重要的作用。对三相桥式全控整流电路交流侧产生的谐波进行仿真分析，从而证明了仿真研究的有效性在在现代电力电子技术中具有很重要的作用和很广泛的应用。 1. 工作特点和电路的构成： 三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O 时，输出电压Ud 一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高1倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。 d n VT2 VT4VT6图1
半导体变流技术与可控硅整流装置 一. 概述 半导体变流技术是近代工业发展到半导体时代最典型的技术之一，他不仅在发电机励磁系统方面得到广泛的应用，在冶金、化工、机械制造、交通运输等各方面都得到广泛的应用。可以说，现代生活、生产无处不存在变流技术。 半导体变流技术是现代励磁系统最基本的技术之一。在发电机励磁系统上他不仅取代了传统的直流励磁机，而且在励磁调节方面取代了传统的磁放大器、相复励变压器和整流器，甚至在灭磁方面也部分取代了磁场断路器和灭磁电阻的作用。现代发电机励磁系统中，从电源的变换到发电机励磁能量的提供，无处不存在变流技术的应用。 本课程主要就半导体变流技术的几种典型应用和具体电路进行分析，同时介绍能达公司生产的STR系列整流装置的基本性能和技术指标。另外还利用一定的篇幅根据整流装置在现场的应用介绍一些装置的故障判断和处理方法。希望通过本课程能够对本公司生产人员在变流技术方面提供一定的帮助。 二. 变流技术的种类 根据变流技术的应用和具体电路，我们将变流技术分成如下几类： 单相半波整流 单相全波整流不可控整流 单相桥式整流 单相整流 单相半波可控整流 单相桥式半控整流可控整流 单相桥式全控整流半导体变流 三相零式整流不可控整流 三相桥式整流三相整流 三相半控桥可控整流 三相全控桥
上面的分类只是按照应用最多的情况进行的分类，实际应用中远较上面的要多。比如六相整流、十二相整流等等。由于这些电路在励磁系统中应用的较少，我们在分类时就没有将他们列入。实际上，在早期的模拟式自动励磁调节器的电压测量回路中，为了保证测量电压的纹波系数，六相和十二相整流电路应用的还是很普遍的，只是现代微机励磁调节器采用交流电压采样方式以后，对测量电压的纹波要求相对降低了而不怎么采用了。 三. 单相整流电路 3.1单相半波整流电路 单相半波整流电路接线图及波形图见图一 单相半波整流是半导体变流技术中最基本的电路。他是利用半导体二极管的单向导电性，将交流电转换为直流电最基本的方法。由于二极管的单向导电性，变压器二次电压只有正方向电流才能够通过二极管而施加到负载上，而负方向由于二极管的阻断作用而不能施加到负载上，因此，负载上获得的平均电压仅为变压器二次电压的一半。由于存在二极管导通压降和变压器二次绕组的压降，故电路中： 245.0U U d = 由于在电路的输出侧装有滤波电容器，负载上的最高电压将可以达到变压器二次电压的峰值电压，即22u u d = ；同时，由于电容器的放电作用，在变压器二次电压下降时，负载 上的电压并不随二次电压下降而下降，而是由电容器的放电曲线所决定。单相半波整流电路的波形图见图一（b ）。图中：兰色曲线为变压器二次电压，红色曲线为无滤波电容器时的整流输出电压，棕色曲线为有滤波电容器时负载上的电压。 当整流二极管换为可控硅，电路变化为可控单相整流电路时，负载上的平均整流电压由： 2 cos 145.0)(sin 221 2 2α ωωπ π α +== ?U t td U U d 决定。
整流装置交流侧谐波电流的相位 ⒈ 确定谐波电流相位的要点 ⑴ 不同次数（频率）谐波电流相互间无向量关系，不能进行向量计算。 ① 不同次数谐波的周期用时间来表示是不相等的： 不同次数谐波的频率1f n f n ?=，不同次数谐波的周期用时间表示则为： 1 11f n f T n n ?== 基波频率Z H f 501= 基波的周期s f T 02.011 1==。 5次谐波的周期s f T 004.0155==； 7次谐波的周期s f T 003.017 7≈=。 ② 不同次数谐波的周期用角度来表示是相同的： ππ?22=??=n n n T f ⑵ 在等效p 相整流系统中，1+=pK n 次谐波电流的相序为正序；1-=pK n 次谐波电流的相序为负序。对于正序，顺时针方向为滞后；对于负序，顺时针方向为超前。 当整流变压器网侧绕组△联结时，正序及负序谐波的线电流均较相应同次谐波的相电流滞后30°，这30°的相位移对于不同次谐波所代表的时间是不相等的。另外，虽然正序及负序谐波的线电流均滞后相应同次谐波的相电流滞后30°，但是它们向量图的画法却不相同。 ()BL n i ()CA n i ()CL n i ()AL n i ()CL n i ()BL n i B ()AL n 图1 网侧绕组△联结时正序谐波线、相电流相位关系
()CL n i ()CA n i ()BL n i ()AL n i ) ()BL n i ()CL n i C ()AL n 图2 网侧绕组△联结时负序谐波的线、相电流相位关系 ⑶ 整流装置阀侧交流电压对于网侧交流电压相位上是有所移动的，若确定 装置网侧交流电流的相位关系时，应注意以下两点： ① 整流变压器阀侧电流基波相位在不控整流时与阀侧电压相位是一致 的。因此网侧交流电流与阀侧交流电流相位差等于阀侧电压与网侧电压的相位差。在绘制不同次谐波的向量图时，该相位差均为同一数值，不因谐波次数而异，也与移相方式无关。 ② 若整流变压器阀侧电压滞后网侧电压一个角度时，则按阀侧电流相位 确定网侧电流的相位，即在阀侧电流相位的基础上向超前方向转动同一角度。反之，若阀侧电压超前网侧电压一个角度，在确定网侧电流的相位时，则在阀侧电流相位的基础上向滞后方向转动这一角度。 ⒉ 谐波电流相位确定之例1：采用双绕组双分裂结构的整流变压器，一组为Dd0联结的三相桥式系统；另一组为Dy11联结的三相桥式系统，构成12脉波整流。确定两组三相桥式系统中5、7、11、13、17、19、23、25次谐波的相位关系。 讨论：⑴ 以Dd0联结为基准。因为Dy11联结的阀侧电压相位是要超前于网
关于整流装置设备运行时产生的高次谐波对电网的影响 摘要：介绍了关于整流装置设备运行时产生的高次谐波对电网的影响，并分析和总结了各种整流装置谐波治理方法的特点和应用前景。 关键词：整流装置谐波抑制 1 引言 为解决日益严重的能源和环境问题，人们普遍追求新的能源供给以及高效的供电设备和节能的用电方式。这些变化在电力系统侧体现为新能源发电方式、灵活的电网控制FACTS装置技术的研究和实现。而在负载端则以高效能的电力电子用电设备的广泛流行为标志。然而新的电源形式大多数都是以非额定频率或非正弦形式提供电能，同时新的节能负载也不是以传统的基频正弦方式用电。但传统公用电网是以工频正弦运行方式来设计的，这就需要将新的电源电能变换为工频正弦电能以连接于公用电网或将公用电网的电能进行变换来供给负荷。通常，电能的变换是靠电力电子装置实现，而整流装置在其中占很大比例。对于整流装置的谐波消除工作，很多学者也进行了广泛的研究。主要有以下三种思路： （1）采用额外装置的注入电流式的补偿方法，主要是采取无源滤波器、有源滤波器和三次谐波注入方法； （2）高功率因数PWM整流装置； （3）采用多重化、多脉波的移相叠加整流技术。 2 注入式电流补偿技术 2.1无源滤波技术 无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，因其设计方法稳定可靠、结构简单、可靠性高、经济高效、运行功率大等优点，是目前最常用的整流装置谐波抑制措施，被广泛应用于高压直流输电、大功率整流设备的谐波抑制等工业场合。无源滤波器由电容、电感，有时候还包括电阻组成。通过将电容和电感调谐到某一次谐波频率，对该次谐波形成低阻抗支路或高阻抗支路，以分流谐波或阻止谐波进入电网。 整流负载通常被视为谐波电流源，通常所用的整流负载无源滤波装置都是并联在整流负载和电网之间。它通过为整流负载产生的谐波电流提供一个低阻抗的通路，将整流负载的谐波电流分流，使其不流入电网。滤波器对整流装置谐波的抑制主要是通过改变电网的阻抗频率特性实现的。因此，滤波器安装处系统的阻抗频率特性对滤波器的滤波效果会产生很大的影响，这是无源滤波器的一大缺点。串联或并联在电网上的无源滤波器还很有可能与电网发生串、并联谐振。
电力电子技术课程设计报告题目：单相全控桥式晶闸管整流电路的设计
目录 第1章绪论 (3) 1.1 电力电子技术的发展 (3) 1.2 电力电子技术的应用 (3) 1.3 电力电子技术课程中的整流电路 (4) 第2章系统方案及主电路设计 (5) 2.1 方案的选择 (5) 2.2 系统流程框图 (6) 2.3 主电路的设计 (7) 2.4 整流电路参数计算 (9) 2.5 晶闸管元件的选择 (10) 第3章驱动电路设计 (12) 3.1 触发电路简介 (12) 3.2 触发电路设计要求 (12) 3.3 集成触发电路TCA785 (13) 3.3.1 TCA785芯片介绍 (13) 3.3.2 TCA785锯齿波移相触发电路 (17) 第4章保护电路设计 (18) 4.1 过电压保护 (18) 4.2 过电流保护 (19) 4.3 电流上升率di/dt的抑制 (19) 4.4 电压上升率du/dt的抑制 (20) 第5章系统仿真 (21) 5.1 MATLAB主电路仿真 (21) 5.1.1 系统建模与参数设置 (21) 5.1.2 系统仿真结果及分析 (22) 5.2 proteus 触发电路仿真 (26) 设计体会 (28) 参考文献 (29) 附录A 实物图 (30) 附录B 元器件清单 (31)
第1章绪论 1.1 电力电子技术的发展 晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。并且，其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。 1.2 电力电子技术的应用 电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。 在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、
1.概述 1.1基本要求和技术指标 63MW晶闸管整流电源是大功率电弧加热设备的主要组成部分，主要为专用大功率电弧加热设备提供电源。该电源由主回路、控制系统构成。 主回路由交流进线部分、晶闸管整流器、直流回路等部分构成。 控制系统由模型计算机、整流器控制器、信号检测装置、触发隔离电路、保护电路等部分构成。 整流电源的主要数据为 额定输入电压：10 kV 额定输出电流：3 kA 输出功率：63MW 分组数量： 4 单组最大功率：16MV A 单组额定输出：3000A，5500V 主要技术指标 恒流特性输出时要求 调压范围：0-空载电压连续可调 恒流偏差：1 电流调节响应时间：20ms～40ms(能人工设定) 调节时间：300mS-3000mS(能人工设定) 电流调节超调量：<20% 调节过程中动态偏差：<5% 回升时间：100mS 晶闸管整流电源其它功能要求 （1）供电特性 电源输出电压能够自动平滑调节; 电源的整体控制能满足加热设备不同工艺要求; 电流给定，起弧电压给定以及各反馈环节工作可靠，性能稳定，相同状态下电参数应准确重复;
（2）运行工况 63MW电源采取负极接地方式。可分为两套独立的电源同时或单独运行。并满足以下运行工况： （3）机组组合和运行方式 整流机组可以通过串、并联输出满负荷运行，供电参数如下指标： 也能满足电弧加热器的主要工作点
单组运行时构成12相或以上整流，全系统构成24相或更多相整流。 多机组串联运行时，应允许在试验过程中一组或多组退出运行，允许若干组机组交流侧不供电投运，该机组作为其它机组串联运行通道使用。允许在实验过程中，投入新的机组 多机组串并联运行时，电源调节方式应满足以下要求： a.加热设备启动时采取等α角控制; b.运行过程中（含启动过程），允许一组机组定α角运行（即恒压运行）其
大功率整流装置产生的谐波对电力系统的影响 摘要：由于非线性负载以及电力电子器件的应用，大功率整流系统在实际运行 中必然产生大量的谐波电流，从而给功率计量与系统效率提升带来一系列影响。 这不但对电网自身重要电气设备造成重大影响，而且给广大用户带来严重的危害，甚至已经影响到企业的正常生产和产品质量。基于此，本文主要对大功率整流装 置产生的谐波对电力系统的影响进行分析探讨。 关键词：大功率；整流装置；产生谐波；电力系统；影响 1、前言 在现代诸多工业生产工艺中，如电解金属工艺、串接石墨化工艺等，采用大 功率整流装置供电已经相当普遍，即将220kV、110kV、35kV以及10kV等电压等 级的高压交流电源进线，通过调压变压器-整流变压器组降压调压，再通过可控硅或二极管整流装置为生产系统输出0～1500V电压可调、电流最高可达350kA的 直流电。这样大功率的整流装置，对当地电力电网的影响是不可忽视的。文中就 大功率整流装置产生的谐波对电力系统的各种影响和危害做出定性分类，为电力 系统和大功率整流装置用户进行谐波治理提供些许帮助。 2、谐波的不良影响 供电系统存在高次谐波造成的影响和危害是多方面的，下面从两个方面来分 别加以阐述： 2.1整流装置的负荷特性及其对电力系统的影响 2.1.1供电点的功率因数问题 大功率整流装置的投入，若负荷内部没有充足的无功补偿容量，就会从系统 吸收大量的无功功率，造成系统供电点处的功率因数下降。 2.1.2电力系统电压稳定性问题 当大功率整流装置的工况处于变化较大时，如整流变压器组的调压变压器处 于调压状态，整流装置的功率便会发生一定范围的波动。尽管这个功率波动与大 功率冲击性负荷相比对电力系统是一个微扰，但是如果上级电力系统存在无功功 率缺陷，而整流装置调压变压器的有载分接头控制又缺乏“柔性智能”的策略，即 不能在线识别系统的无功状态而单方面保持供电点处的电压水平，则势必将无功 缺额转移到供电的主电压网，从而使主网电压严重下降，甚至发展成为“电压崩溃”。 2.2整流装置的谐波特性及其对电力系统的影响 2.2.1特征谐波和非特征谐波 大功率整流负荷产生的谐波在理论上主要分布在信号频谱的高频部分，且谐 波的幅值很小。但考虑到整流装置的实际运行情况，如从整流桥的网侧向系统看，交流系统电压总不会完全平衡和没有畸变；整流变压器三相的系统阻抗不会完全 相等；因此还必须考虑其产生的相当比率的非特征谐波。 2.2.2谐波对用户的影响 1）对用户并补电容器正常投运的影响。电力系统的不少用户内部装有功率因数补偿电容器，大功率整流负荷用户自身产生的谐波有可能使其供电系统内部的中、低压电容器因谐波过负荷而不能正常投运，进而使用户从力率受奖变为力率 受罚。同时由于无功补偿电容器不能正常投运，造成用户内部电压下降，影响生产，经济效益降低。 2）对用户馈电点电动机群的影响。由于用户的内部供电系统中每个馈电点都
上次课内容 1、集成功放及应用。（了解） 2、变压器耦合功放的分析。（理解） 3、功放管的散热。（了解） 4、功率放大器一章习题课。 本次课内容（2学时）（可视学时情况选择讲授或不讲） 第七章 直流电源 §7-1 可控硅及其伏安特性 7-1-1 可控硅的结构和符号 图1 可控硅的结构 全称是硅可控整流元件,又名晶闸管。外形有平面型、螺栓型,还有小型塑封型等几种。图1（a）是常见的螺栓型外形，有三个电极：阳极a、阴极k 和控制极g。图1（b）是可控硅的符号。图1（c）是内部结构示意图。 图1（c）:可控硅由、、、四层 半导体组成。从引出的是阳极a、从引出的 是阴极k、从引出的是控制极g；内部有三个结，分别用、和表示。 7-1-2 可控硅的工作原理 1P 122N P N 1P 2N 2P PN 1J 2J 3J 图2 可控硅工作特点的实验 演示电路如图2（a），阳极a 接电源正极、阴极k 接电源负极；开关S 断开，H 不亮，可控硅不导通。S 闭合，即控制极g 加正向电压，如图2（b），灯H 亮，可控硅导通。可控硅导通后，将S 断开，灯仍亮，如 图2（c），表明可 控硅仍导通，说明 可控硅一旦导通 后，控制极就失去 了控制作用。要关 断可控硅，可去掉正向电压或减小正向电流到可控硅难以维持导通,则可控硅关断。
如可控硅加反向电压，则无论是否加控制极电压，可控硅均不会导通。若控制极加反向电压，则无论可控硅阳极与阴极之间加正向还是反向电压，可控硅均不会导通。 可控硅的工作特点： 1、可控硅导通必须具备两个条件：一是可控硅阳极与阴极间必须接正向电压，二是控制极与阴极之间也要接正向电压； 2、可控硅一旦导通后，控制极即失去控制作用； 3、导通后的可控硅要关断，必须减小其阳极电流使其小于可控硅的维持电流。 H I 图3 可控硅工作原理分析 图3为可控硅的内部结构示意图: 可控硅可以看成由一只NPN 型三极管 与一只PNP 型三极管组成。如仅在阳 极a 和阴极k 之间加上正向电压，由 于三极管发射结无正偏电压而无 法导通。若a、k 间加上正向电压，并 在管的基极g 加上正向电压，使产生基极电流，此电流经管放 大以后，在集电极上产生2T 1T 1 T G I 1T 1T G I 1β的电流，又因为的集电极电流就是的基极电流，所以经过再次放大，在管的集电极电流就达到1T 2T 2T 2T G I 21ββ，而此电流又重新反馈到管作为的基极电流又一次被放大，如此反复下去，与两管之间因为有如此强烈的正反馈，使两只三极管迅速饱和导通，即可控硅阳极a 与阴极k 之间完全导通。以后由于基极上自动维持的正反馈电流，所以即使去掉基极g 上的正向电压，和仍能继续保持饱和导通状态。可控硅导通时，、饱和导通总压降约1V 左右，如果阳、阴极之间正向电压太低，使流过阳极的电流难以维持导通，、就截止，从而可控硅关断。 1T 1T 1T 1T 2T 1T 1T 1T 2T 1T 2T 1T 2T 可控硅控制极的电压、电流比较低（电压只有几伏，电流只有几十至几百毫安），但被控制的器件可以承担很大的电压和通过很大的电流（电压可达几千伏，电流可大到几百安以上）。可控硅是一种可控的单向导电开关，常用于以弱电控制强电的各类电路中。 7-1-3可控硅的主要参数 1、额定正向平均电流 在规定的环境温度和散热条件下，允许通过阳极和阴极之
目录 1.引言 (3) 2.原始资料和数据 (3) 3.电路组成和分析 (4) 3.1工作原理 (4) 3.2对触发脉冲的要求 (5) 3.3晶闸管的选型 (6) 3.4参数计算 (7) 3.5二次相电压U2 (7) 3.6一次与二次额定电流及容量计算 (8) 4.触发电路的设计 (9) 5保护电路的设计 (10) 5.1电力电子器件的保护 (10) 5.2过电压的产生及过电压保护 (11) 5.3过电流保护 (11) 6.缓冲电路的设计 (12) 7.总结 (14) 参考文献 (15) 晶闸管可控整流技术直流电机调速系统设计 摘要:可控整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的可控整流主电路，其输出端的负载，可以是电阻性负载、大电感性负载以及反电动势负载。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发 电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交 流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。 该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对直流电动机进行了简单的介绍。 关键词:可控整流晶闸管触发电路缓冲电路保护电路 1.引言 当今,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用,直流调速系统是自动控制系统的主要形式。 由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统(简称KZ—D系统)和旋转变流机组及其它静止变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。 可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运行，必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施。为此，在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护；在直流负载侧并联电阻和电容构成直流侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过流保护作用。 随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能10%～40%，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节 2.原始数据： 1、输入交流电源：
1.引言 电力电子技术中, 把交流电能变成直流电源的过程称为整流，整流电路的作用是将交变电能变为直流电能供给直流用电设备。本文研究的单相桥式不控整流电路也属于整流电路。在本电路中，按照负载性质的不同，可以分为有电容滤波和无电容滤波两类。如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把交流电能经过交—直变换，转变成直流电能。 本文主要对单相桥式不控整流电路的原理与性能进行讨论,并分析其谐波。侧重点在于借助Matlab 的可视化仿真工具 Simulink 对单相桥式不控整流电路进行建模,选取合适的元件参数，实现电路的功能,并观察不同元件参数改变时波形及谐波的变化情况，并得出相应的仿真结果。 2.Matlab 软件简介 Matlab 提供了系统模型图形输入工具——Simulink 工具箱。在 Matlab 中的电力系统模块库PSB以Simulink 为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成:电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。在这6 个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便，本次仿真正是以Matlab中的Simulink 工具箱为基础进行的。 3.单相桥式不控整流电路的工作原理 3.1单相桥式不控整流电路带电阻性负载的工作原理 桥式整流电路如图1所示。它是由电源变压器、四只整流二极管VD1-4和负载电阻R组成。四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。在u 2 正半周，VD1和VD4导通，其作 用相当于导线，此时电流经VD1、R、VD4回到电源。在u 2 负半周，VD2和VD3导通，其作用相当于导线，此时电流经VD2、R、VD3回到电源。在R上各得到半个整流电压波形。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即 U L = 0.9U 2 I L = 0.9 U 2 /R 流过每个二极管的平均电流为 I d = I L /2 = 0.45U 2 /R
目录 1 绪论 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介 (1) 1.3 课题设计要求 (1) 1.4 课题主要内容 (2) 2 主电路设计 (3) 2.1 总体设计思路 (3) 2.2 系统结构框图 (3) 2.3 系统工作原理 (4) 2.4 对触发脉冲的要求 (5) 3 主电路元件选择 (6) 3.1 晶闸管的选型 (6) 4 整流变压器额定参数计算 (8) 4.1 二次相电压U2 (9) 4.2 一次与二次额定电流及容量计算 (13) 5 触发电路的设计 (15) 6 保护电路的设计 (18) 6.1 过电压的产生及过电压保护 (18) 6.2 过电流保护 (19) 7 缓冲电路的设计 (20) 8 总结 (23)
1 绪论 1.1 课题背景 当今,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用,直流调速系统是 自动控制系统的主要形式。 由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统(简称KZ—D系统)和旋转变流机组及其它静止变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大 提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。 可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运 行，必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施。为此，在 变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护；在直流负载侧并联 电阻和电容构成直流侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可 控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过 流保护作用。 随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛。由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电 能10%～40%，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环 节。 1.2 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介 该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、 移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。同时考虑了 保护电路和缓冲电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型。 1.3 课题设计要求 1、输入交流电源： 2、三相140V f=50Hz 3、直流输出电压：50~150V 5、直流输出电流额定值50A 6、直流输出电流连续的最小值为5A
整流电路的谐波和功率因数 随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reac tive power)问题日益严重，引起了关注。 无功的危害：? a 导致设备容量增加。 b 使设备和线路的损耗增加。 c线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害： a 降低设备的效率。 b 影响用电设备的正常工作。 c引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。 d 导致继电保护和自动装置的误动作。 e 对通信系统造成干扰 (1) 谐波和无功功率分析基础 正弦波电压可表示为： 对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数：基波（fundamental）——频率与工频相同的分量 谐波——频率为基波频率大于1整数倍的分量 谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以H RI n（H armonic Ratio for I n）表示 电流谐波总畸变率T HDi（Total Harmonic distortion）定义为 在正弦电路中，电路的有功功率就是其平均功率： 视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=U I 在非正弦电路中，有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由式 ??=c os λ定义为有功功率P和视在功率S的比值：此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：功率因数是由电压和电流的相位差φ决定的： ??功率因 数c os?无功功率定义为：Q=UIs in 定义。 1功率因数：基波因数：n?不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。非正弦电路的有功功率： P=UI1 cos =I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 1功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的。非正弦电路的无功功率：?位移因数（基波功率因数）：c os 1?无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受。忽略电压中的谐波时有：Q f =U I1 s in 在非正弦情况下，因此引入畸变功率D，使得：Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。(2)带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析a、单相桥式全控整流电路忽略换相过程和电流脉动，在阻感负载且电感L足 够大时电流i2的波形见下图。 （2-36） 其中： 由变压器二次侧电流谐波分析可知：电流中仅含奇次谐波。 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。基波电流有效值为：? i2的有效值I=I d，结合上式可 得基波因数为： 电流基波与电压的相位差就等于控制角a，故位移因数为 所以，功率因数为：b、三相桥式全控整流电路
可控硅整流器的原理、结构及用途 发布日期：2012-06-08 浏览次数：459 核心提示：可控硅整流器，是一种以晶闸管(电力电子功率器件)为基础，以智能数字控 制电路为核心的电源功率控制电器。具有效率高、无机械 可控硅整流器，是一种以晶闸管(电力电子功率器件)为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。 晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器(Silicon Controll ed Rectifier——SCR)，以前被简称为可控硅。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。 自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极〔图2(a)〕：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号〔图2(b)〕可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 可控硅整流器的工作原理 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic 2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 可控硅整流器的结构 ◆从外形上来看，可控硅整流器也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。
1 晶闸管整流装置的谐波分析 谐波电流注入电网，使供电系统各处电压产生谐波分量，有可能和供电系统形成并联谐振或串联谐振，所在供电系统接入大功率的整流装置之前，应进行谐波分析，预测谐波量的大小及产生的危害，并提出相应的抑制措施。 整流装置所产生的谐波，有特征谐波和非特征谐波之分。特征谐波是指整流装置运行在正常条件下所产生的谐波，所谓正常条件是指：（1）网侧电压各相对称且为正弦波；（2）变压器、整流臂（阀）的参数和整流延迟角也对称；（3）直流侧电流为理想恒定值。特征谐波具有离散性的幅值频谱，可利用数学方法进行比较准确的计算。下面以中国铝业河南分公司水电厂（以下简称：河电）整流直降工程中的整流装置为例来分析晶闸管整流产生的高次谐波的特征。 1.1 晶闸管整流设备的概况 河电整流所现装备4组整流直降机组，4台整流变压器参数如下： A I kVA S V kV U ZHSFP N N N )142802/(74.249:49588:1005/115:?型号： 接线方式：N d n I I U d d Y %23.0%;84.10;/115==Φ 移相角分别为： 5.22,5.7,5.7,5.22++-- 4台整流柜参数如下： 输入电压：V 1000~3 AC 接线方式：同相逆并联 额定输出：40.25MW 输出电压：1120V DC 输出电流：35000A DC 其接线方式如图1 所示
每台整流变阀侧共有两组（共6相）交流绕组，以# 1变为例，即分别输出111111c b a 、、和121212c b a 、、两组三相对称交流电压，同相之间互差 180电角度，与网侧绕组分别组成11/d Y n 和5/d Y n 的接线组别，考虑到4台整流变相邻之间有 15的移相角（即从 5.22~5.7~5.7~5.22--++）则整流变阀侧电压相序如图2所示。 整流柜采用同相逆并联的接线方式，组成两组三相桥式全控整流电路，其整流柜接线如图3（以整流柜接线为例，每个桥臂上有四个晶闸管并联使用，图中只画出一个）所示。 从图1~图3的分析可知：河电直降整流系统，在4台整流机组同时运行时，对于110kV 的网侧来说，等效于一个整流相数为24相，整流脉波数P=48的整流线路。则该整流系统在网侧所产生的高次谐波的谐波次数n 由下式决定： 1±=kp n 式中： 整流脉波数 ； 、、自然数，取谐波次数； ------p k n (321)
《计算机仿真技术》课程大作业 自动化112 雷禧生 1102100409 3、假设调速系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，直流电动机：220V ， 14A ，1500r/min ，C e =0.12V/（r/min ），允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置：K s =80；电枢回路总电阻：R=6.5Ω；时间常数：T 1=0.02s ，T m =0.25s ，反馈系数：α=0.004V/(r/min)，β=0.4V/A ；反馈滤波时间常数：T oi =0.005s ，T on =0.005s ，对系统进行仿真。 4、要求参照例14.4.1 完成仿真实验，记录仿真结果，并计算转速超调量。 1、基本原理 （1）电动机数学模型 他励直流电动机的回路电压和转矩平衡的微分方程为： E dt dI L RI U d d d ++=0 dt dn GD T T L e ? =-3752 2）晶闸管整流装置的数学模型 晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，考虑到失控时间很小，忽略其高次项，则其传递函数可近似成一阶惯性环节。
()()1 0+≈ s T K s U s U s ct d （3）双闭环调速系统的数学模型 2、控制器设计 双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器即ASR 和ACR ，均采用PI 调节器。 其中取1i T τ=，1 ,2I s oi i i K T T T T ==+∑ ∑ ，I i i s K R K K τβ= 电流调节器： ()1 i ACR i i s W s K s ττ+=转速调节器： ()1 n ASR n n s W s K s ττ+=其中取5n n T τ=?∑，2on n i T T T =+∑∑，()12e m n n h C T K haRT β+=∑
三相桥式整流电路的谐波分析及对策研究 石庆鑫,卢艺丹 (浙江大学电气工程学院,杭州310027) 摘要:简要论述了谐波对电气设备的危害以及电力电子装置中谐波的产生原因,并且以目前应用较广的三相整流电路为例,推导了其谐波电流的数学模型,分析了谐波与功率因数的关系。然后分析了实际应用的三相整流电路中各个元件对谐波的抑制作用。最后利用M atlab中的Si m uli nk仿真功能,记录了基于I GBT的三相桥式整流电路的电压、电流波形。通过改进前和改进后的三相整流电路输出波形的对比,初步验证了谐波抑制的原理,提出了三相整流电路的改进建议。 关键词:三相整流电路;谐波;功率因数 中图分类号:TM711文献标识码:B文章编号:1003-9171(2010)11-0007-04 Anal ysis on Harmonic of Three-phase Ful-l bri dge Rectifier Circuit and Counterm eas ure Shi Q ing-x in,Lu Y-i dan (College of Eletri ca l Eng i neering,Zhejiang U ni versity,H angzhou310027,Ch i na) Abstract:This paper gives a brief summ ar y on the detrm i ent of har mon i c to w ards electrical equ i p m ents asw ell as the reason of generation of har mon ic in electrical equi pm e nts.T aking t he exa mple of currently used dev i ce three-phase f ul-l bri dge rect ifier circuit,t he paper then gives a basic de m onstrat i on of its math m atical m odel and an analysis on the rel ationshi p be wteen har mon ic and po wer factor.The n,the paper g i ves an analysis on ho w the co m ponents o f the practical three-phase rect ifiers hel p reduce har mon ic i n the circuit.A t last,by usi ng the sm i uli nk ofM atlab as a for m of sm i ulation,the w avefor m s,both vo ltage and c urrent,of t hree-phase rect ifier based on I GBT is observed.By co m-pari ng the w avefor m of unm i proved three-phase rectifier and the m i proved one,t he pri nciple of har mon ic reduci ng is de m onstrated.Further more,the paper suggests the m i prov i ng strategy of three-phase rectifier. K ey words:three-phase ful-l bri dge rect ifier circuit;har m onic;po wer factor 0引言 环境保护与可持续发展是当今世界的热点问题,同样,与人类生产生活密不可分的电力系统也是一种/环境0,也面临着污染。公用电网中的谐波(包括电流谐波和电压谐波)就是一种严重的污染源。因此,随着电力系统的日益发展,如直流输电(换流器运行中产生谐波),谐波抑制与无功功率补偿(简称无功补偿)就变得越来越重要,它是涉及电力电子技术、电力系统、自动化等领域的重大问题。近年来,电力电子技术的发展日新月异,由于电力电子装置本身可以产生谐波或将其放大,又可以作为滤波器抑制谐波。因此,要使电力电子设备发挥对谐波的抑制作用,就要对传统的电力电子设备进行一些必要的改进。 本文简要总结了谐波对电气设备的危害以及电力电子装置中谐波的产生原因。进而以现在应用较广的三相桥式整流电路为例,初步推导了其谐波电流的数学模型,分析了电路中各个元件对谐波抑制的作用,并通过M atlab仿真,验证了谐波抑制的原理。 1谐波的危害 关于谐波的研究之所以如此重要,是因为它的危害非常严重。谐波对电力系统和电气设备的危害主要有以下4点: (1)谐波使电力电子元件产生附加的谐波损耗,降低了发电、输电和用电设备的效率,尤其是大量的3次谐波还会使电气设备因过热而烧毁。 (2)谐波除了引起设备的附加损耗外,还会