三相全控整流用電路設計

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,因此控制比較復雜,特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應,否則輸出的電壓波動大甚至還有可能短路造成設備損壞。 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。在負載端取出整流電壓,負載電流到C8051-F020模擬口,然后由MCU處理后發(fā)出信號控制SCR的導通角的大小。 在本課題設計開發(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)電路改造設計,并達到預期的效果。關鍵詞：電力電子、三相、整流 目 錄摘要11、設計任務書32、設計方案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 設計任務書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，并選定設計方案3. 完成主電路設計，各主要器件的選擇4. 驅(qū)動電路和保護電路設計，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. 負載為阻感負載三相星型連接L=300mH

3、，R=5002 設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)。結構框圖如下圖所示。整個設計主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護電路三個部分?？驁D中沒有表明保護電路。當接通電源時，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構圖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.基本計算公式當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60時）的平均值為：帶電阻負載且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，晶閘管的導通順序為 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 帶電阻負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、負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負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關系看出，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，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。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個晶閘管的導通順序為VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 時 段 1 2 3 4 5 6共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管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)，由于負載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時的電流波形與相應時段的ud波形相同。 當觸發(fā)角改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。當=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段線電壓構成，每一段導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，但為負值。 當=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60o時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。當60o時，如90o時電阻負載情況下，此時ud波形每60o中有30o為零，這是因為電阻負載時 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，晶閘管關斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負值。 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，可見帶電阻負載時三相橋式全控整流電路角的移相范圍是120o。 阻感負載工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，對于帶反電動勢阻感負載的情況，只需在阻感負載的基礎上掌握其特點，即可把握其工作情況。 當60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，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)別在于負載不同時，同

13、樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流 id 波形不同，電阻負載時 id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流 id 波形決定，和ud波形不同。 當60o時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。若電感L值足夠大，ud中正負面積將基本相等，ud平均值近似為零。這表明，帶阻感負載時，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，可以方便地構成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負載能力大、移相性能好、正負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導通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在uS負半周，V2、V3導通，電流途徑

15、為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負半周期間。V4基本上處于截止狀態(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通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導通時，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當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導通的情況可知，在同步電壓正、負半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關系。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ube6+0.7V時，V6導通。設uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導通的時刻，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獲得基極電流而導通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結充電。當 V6由截止轉(zhuǎn)為導通時，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，當其充電電壓uc2+1.4V時，V7又恢復導通。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半周進行。如在us正半周V1導通，V8截止，V12導通，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。在同步電壓負半周，情況剛好相反，V8導通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負相脈沖。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個二極管構成的6個或門）及部分分立元件構成，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，