三相全控整流用電路設(shè)計

1、三相橋式整流電路摘要：本文主要介紹三相橋式全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路圖,由工頻三相電壓380v經(jīng)升壓變壓器后由scr(可控硅)再整流為直流供負(fù)載用。但是由于工藝要求大功率,大電流,高電壓,因此控制比較復(fù)雜,特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應(yīng),否則輸出的電壓波動大甚至還有可能短路造成設(shè)備損壞。 本電路圖主要由芯片c8051-f020微控制器來控制并在不同的時刻發(fā)出不同的脈沖信號去控制6個scr。在負(fù)載端取出整流電壓,負(fù)載電流到c8051-f020模擬口,然后由mcu處理后發(fā)出信號控制scr的導(dǎo)通角的大小。 在本課題設(shè)計開發(fā)過程中,我們使用keil-c開發(fā)軟件,c8051開發(fā)系統(tǒng)及

2、protel-99,并最終實現(xiàn)電路改造設(shè)計,并達到預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞：電力電子、三相、整流 目 錄摘要11、設(shè)計任務(wù)書32、設(shè)計方案33、主電路圖44、 驅(qū)動電路和保護電圖45、 電路參數(shù)計算和元器件選擇清單66、 主電路和驅(qū)動電路的原理分析87、 主要節(jié)點電壓和波形138、 參考文獻151 設(shè)計任務(wù)書1. 將三相380v交流電源通過三相橋式全控整流電路變成可調(diào)的直流電壓2. 進行方案比較，并選定設(shè)計方案3. 完成主電路設(shè)計，各主要器件的選擇4. 驅(qū)動電路和保護電路設(shè)計，各主要器件的選擇5. 繪制控制角度為30 60度時電路中主要節(jié)點電壓和電流波形6. 負(fù)載為阻感負(fù)載三相星型連接l=300mh

3、，r=5002 設(shè)計方案三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進入電網(wǎng)的諧波成分。保護電路采用rc過電壓抑制電路進行過電壓保護，利用快速熔斷器進行過電流保護。采用鋸齒波同步kj004集成觸發(fā)電路，利用一個同步變壓器對觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶動直流電動機運轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。整個設(shè)計主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護電路三個部分。框圖中沒有表明保護電路。當(dāng)接通電源時，三相橋式全控整流電路主

4、電路通電，同時通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通工作，經(jīng)過整流后的直流電通給直流電動機，使之工作。電源三相橋式全控整流電路直流電動機同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號觸發(fā)模塊三相橋式全控整流結(jié)構(gòu)圖3 主電路圖三相全控整流電路總電路圖: 4 驅(qū)動電路和保護電路圖驅(qū)動電路圖晶閘管保護電路 串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路 并聯(lián)rc電路阻容吸收回路交流側(cè)保護電路5 電路參數(shù)計算及元器件選擇清單1.基本計算公式當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載a60時）的平均值為：帶電阻負(fù)載且a 60時，整流電壓平均值為：2.整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、

5、二次線電壓分別為380v和220v，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： （公式1） 變比為： （公式2變壓器一次和二次側(cè)的相電流計算公式為： 公式3 公式4而在三相橋式全控中 公式5 公式6所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級容量為： 公式7變壓器初級容量為： 公式8變壓器容量為： 公式9即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級繞組三角形接法，；次級繞組星形接法，；容量選擇為9.46989kw。3.晶閘管的選擇 晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形（圖2-4）分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 公式10故橋臂的工作電壓幅值為： 公式11 考慮裕量，則額定電壓為： 公式

6、12 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為： 公式13考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：公式146 主電路和驅(qū)動電路工作原理分析1. 主電路 的晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為vt1、vt3、vt5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接3個晶閘管分別為vt4、vt6、vt2。如下圖，晶閘管的導(dǎo)通順序為 vt1vt2vt3vt4vt5vt6。 帶電阻負(fù)載時的工作情況晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況：此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說

7、負(fù)得最多）的一個導(dǎo)通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2所示。=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。 從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。將波形中的一個周期等分

8、為6段，每段為60度，如圖下圖所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示。由該表可見，6個晶閘管的導(dǎo)通順序為vt1vt2vt3vt4vt5vt6。 時 段 1 2 3 4 5 6共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管vt1vt1vt3vt3vt5vt5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管vt6vt2vt2vt4vt4vt6整流輸出電壓ud ua-ub=uab ua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb由圖得：6個晶閘管的脈沖按vt1vt2vt3vt4vt5vt6的順序，相位依次差60o；共陰極組和陽極組依次差120o；同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180o。

9、 整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大， 繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯(lián)

10、使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。0o時晶閘管承受的電壓波形如圖所示。 圖中還給出了晶閘管vt1流過電流 ivt 的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120o處于通態(tài)，240o處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時的電流波形與相應(yīng)時段的ud波形相同。 當(dāng)觸發(fā)角改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。當(dāng)=30o時。從t1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時刻推遲了30o,組成 ud 的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中

11、同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，該波形的特點是，在vt1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在vt4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負(fù)值。 當(dāng)=60o時，電路工作情況仍可參考上圖分析，ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。60o時ud出現(xiàn)了為零的點。由以上分析可見，當(dāng)60o時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。當(dāng)60o時，如90o時電阻負(fù)載情況下，此時ud波形每60o中有30o為零，這是因為電阻負(fù)載時 id 波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降

12、至零，流過晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。 如果繼續(xù)增大至120o，整流輸出電壓ud波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120o。 阻感負(fù)載工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負(fù)載時的情況，對于帶反電動勢阻感負(fù)載的情況，只需在阻感負(fù)載的基礎(chǔ)上掌握其特點，即可把握其工作情況。 當(dāng)60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，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，同

13、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 id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。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。 當(dāng)60o時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感l(wèi)的作用，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。若電感l(wèi)值足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負(fù)載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90o。2. 驅(qū)動電路 本系統(tǒng)中選擇模擬

14、集成觸發(fā)電路kj004，kj004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。kj004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。kj004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。kj004的電路原理為kj004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。v1v4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓us經(jīng)限流電阻r20加到v1、v2基極。在us的正半周，v1導(dǎo)通，電流途徑為(+15vr3vd1v1地)；在us負(fù)半周，v2、v3導(dǎo)通，電流途徑

15、為(+15vr3vd2v3r5r21(15v)。因此，在正、負(fù)半周期間。v4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|us|0.7v時，v1v3截止，v4從電源十15v經(jīng)r3、r4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容c1接在v5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在v4導(dǎo)通時，c1經(jīng)v4、vd3迅速放電。當(dāng)v4截止時，電流經(jīng)(+15vr6c1r22rp1(15v)對c1充電，形成線性增長的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過r22、rp1的充電電流和電容c1的大小。根據(jù)v4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。v6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uc5、

16、偏移電壓ub、移相控制電壓uc分別經(jīng)r24、r23、r26在v6基極上疊加。當(dāng)ube6+0.7v時，v6導(dǎo)通。設(shè)uc5、ub為定值，改變uc，則改變了v6導(dǎo)通的時刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。v7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。v7經(jīng)電阻r25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容c2由電源+15v經(jīng)電阻r7、vd5、v7基射結(jié)充電。當(dāng) v6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，c2所充電壓通過 v6成為 v7基極反向偏壓，使v7截止。此后c2經(jīng) （+15vr25v6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4v時，v7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在v7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時間常數(shù)r25和c2決定。v8、v12為脈沖分選環(huán)節(jié)。

17、在同步電壓一個周期內(nèi)，v7集電極輸出兩個相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進行。如在us正半周v1導(dǎo)通，v8截止，v12導(dǎo)通，v12把來自v7的正脈沖箝位在零電位。同時，v7正脈沖又通過二極管vd7，經(jīng)v9v11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，v8導(dǎo)通，v12截止，v7正脈沖經(jīng) v13v15放大后輸出負(fù)相脈沖。說明：1) kj004中穩(wěn)壓管vs6vs9可提高v8、v9、v12、v13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管vd1、vd2、vd6vd8為隔離二極管。2) 采用kj004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管vd1vd12組成六個或門形成六路脈沖，

18、并由三極管v1v6進行脈沖功率放大。3) 由于 v8、v12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接成d，yn11及同步變壓器也接成d，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓usa、usb、usc分別與同步變壓器的usa、usb、usc相接 rp1rp3為鋸齒波斜率電位器，rp4rp6為同步相位。 三相橋式全控觸發(fā)電路由3個kj004集成塊和1個kj041集成塊（kj041內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可，分別連到vt1，