三相桥式全控整流电路课程设计报告.pdf

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1、电力电子技术电力电子技术课程设计课程设计题目院系专业姓名年级指导教师年月摘要电子技术的应用已深入到工农业经济建设 ,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入 21 世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上。 本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压 380V 经升压变压器后由 SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率 ,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是

2、触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。 本电路图主要由芯片 C8051-F020 微控制器来控制并在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制6 个 SCR。在负载端取出整流电压 ,负载电流到C8051-F020 模拟口,然后由 MCU 处理后发出信号控制 SCR 的导通角的大小。在本课题设计开发过程中,我们使用KEIL-C 开发软件 ,C8051 开发系统及PROTEL-99,并最终实现电路改造设计,并达到预期的效果。关键字：MCU ; SCR; 电力电子; 导通角; KEIL-C2目录摘要21、 原理及方案42、 主电路的设计及器件选择5 2.1 三相全控桥的

3、工作原理 52.2参数计算 73、触发电路设计103.1 集成触发电路 103.2 KJ004 的工作原理103.3 集成触发器电路图 114、保护电路的设计134.1 晶闸管的保护电路 134.2 交流侧保护电路 144.3 直流侧阻容保护电路 155、MATLAB 建模与仿真 165.1 MATLAB 建模 165.2 MATLAB 仿真 185.3 仿真结构分析19课程设计体会 2131原理及方案三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接， 经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网

4、的谐波成分。保护电路采用 RC 过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。 采用锯齿波同步 KJ004 集成触发电路， 利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致， 触发晶闸管， 使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。结构框图如图 1-1 所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。框图中没有表明保护电路。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作， 经过整流后的直流电通给直流电动机， 使之工作。电源三相桥式全控整流电路直流电动机触发模块同

5、步电路触发信号集成触发器图 1-1 三相桥式全控整流电路结构图42主电路的设计及器件选择实验参数设定负载为 220V、305A 的直流电机，采用三相整流电路，交流测由三相电源供电，设计要求选用三相桥式全控整流电路供电，主电路采用三相全控桥。2.1 三相全控桥的工作原理如图 2-1 所示，为三相桥式全控带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。 习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中与 a、b、c三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3

6、 个晶闸管分别为 VT4、 VT6、 VT2。 晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为Y型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电网图 2-1 三相桥式全控整流电路带电动机（阻感）负载原理图2.1.1 三相全控桥的工作特点 2 个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组 各 1 个，且不能为同 1 相器件。 对触发脉冲的要求：按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序，相位依次差 60 。共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差 120 。5共阳极组 VT4、VT6、VT2 也依次差 120。同一相的

7、上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4，VT3 与 VT6， VT5 与 VT2，脉冲相差 180。 ud 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样, 故该电路为 6 脉波整流电路。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2.1.2 阻感负载时的波形分析三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电 （即用于直流电机传动） ，下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。当 60 度时，ud 波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压 ud 波形、 晶闸管承受的电

8、压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形不同，电阻负载时 ud 波形与 id 的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 图 2-2 和图 2-3 分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载 =0 度和 =30 度的波形。图 2-2 中除给出 ud 波形和 id 波形外， 还给出了晶闸管 VT1 电流 iVT1 的波形，可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管 VT1 导通段，iVT1 波形由负载电流 id 波形决定，和 ud 波形不同。图 2-3

9、 中除给出 ud 波形和 id 波形外， 还给出了变压器二次侧 a 相电流 ia的波形，在此不做具体分析。6图 2-2 触发角为 0 度时的波形图图 2-3 触发角为 30 时的波形图当 60 度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时 ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感 L 的作用，ud 波形会出现负的部分。图 2-4 给出了 =90 度时的波形。若电感 L 值足够大，ud 中正负面积将基本相等，ud 平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为 90 度。图 2-4 触发角为 90 时的波形图2.2 参数计算2.2.1 整流变压器的选

10、择由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为 380V 和 220V，由变压器为Y接法可知变压器二次侧相电压为：U2220V127V（公式 1）3变比为：7K U1380 3.0（公式 2U2127变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：I1KI1Id公式 3KI2 KI 2Id公式 4而在三相桥式全控中KI1 KI22 0.816公式 53Id 305A公式 6所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：S1 3U2I2公式 7变压器初级容量为：S2 3U1I1公式 8变压器容量为：S S1 S2公式 92即：S 31270.81630533803050.81623.0 9.46989kW

11、变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法U1 380V，I1 82.96A；次级绕组星形接法，U2127V，I2 248.88A；容量选择为 9.46989kW。2.2.2 晶闸管的选择 晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形（图 2-4）分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值UFMURM6U2故桥臂的工作电压幅值为：Um6 127 311.1V公式 118公式 10考虑裕量，则额定电压为：UN2 3Um2 3311.1622.2 933.3V公式 12 晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为：IVTId max36003 346.4A公式 13考虑裕量，故晶闸管的额定电

12、流为：IVT(AV )1.5 2IVT346.41.5 2330.97 441.30A公式 141.571.572.2.3 平波电抗器的选择为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续， 整流器电路中常要串联平波电抗器。对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有：L 0.693U2公式 15Id min其中， （单位为 mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。由题目要求：当负载电流降至20A 时电流仍连续。所以Id min取 20A。所以有：L 0.693U2127 0.693 4.40mH公式 16202093触发电路设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲， 常用的触

13、发电路有单结晶体管触发电路，设计利用 KJ004 构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。3.1 集成触发电路本系统中选择模拟集成触发电路 KJ004，KJ004 可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。 KJ004 器件输出两路相差 180 度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004 电路具有输出负载能力大、 移相性能好、 正负半周脉冲相位均衡性好、 移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：图 3-1 KJ004 的电路原理图3.2 KJ004 的工作原理如图 3-1 KJ004 的电路原

14、理图所示，点划框内为KJ004 的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4 等组成同步环节，同步电压 uS 经限流电阻 R20 加到 V1、V2 基极。在 uS 的正半周，V1 导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在 uS 负半周，V2、V3 导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。 V4 基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|0.7V 时，V1V3 截止，V4 从电源十15V 经 R3、R4 取得基极电流才能导通。电容 C1 接在 V5 的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。10在 V4 导通

15、时，C1 经 V4、VD3 迅速放电。当 V4 截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对 C1 充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过 R22、RP1 的充电电流和电容 C1 的大小。根据 V4 导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6 及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压 UC 分别经 R24、R23、R26 在 V6 基极上叠加。当 ube6+0.7V 时，V6 导通。设 uC5、Ub 为定值，改变 UC，则改变了 V6 导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7 等组成了脉冲形成环节。V

16、7 经电阻 R25 获得基极电流而导通，电容 C2由电源+15V 经电阻 R7、VD5、V7 基射结充电。当 V6 由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6 成为 V7 基极反向偏压，使 V7 截止。此后 C2 经 （+15VR25V6地） 放电并反向充电， 当其充电电压 uc2+1.4V 时， V7 又恢复导通。这样，在 V7 集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数 R25 和C2 决定。V8、V12 为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7 集电极输出两个相位差为 180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在 us 正半周V1 导通，V8 截止，V12 导通，V1

17、2 把来自 V7 的正脉冲箝位在零电位。同时，V7 正脉冲又通过二极管 VD7， 经 V9V11 放大后输出脉冲。 在同步电压负半周，情况刚好相反，V8 导通，V12 截止，V7 正脉冲经 V13V15 放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004 中稳压管 VS6VS9 可提高 V8、V9、V12、V13 的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管 VD1、VD2、VD6VD8 为隔离二极管。2) 采用 KJ004 元件组装的六脉冲触发电路，二极管 VD1VD12 组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管 V1V6 进行脉冲功率放大。3) 由于 V8、 V12 的脉冲分选作用， 使得同步电压在

18、一周内有两个相位上相差的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成 D，yn11 及同步变压器也接成 D，yn11 情况下，集成触发电路的同步电压 uSa、uSb、uSc 分别与同步变压器的 uSA、uSB、uSC 相接 RP1RP3 为锯齿波斜率电位器，RP4RP6 为同步相位3.3 集成触发器电路图11三相桥式全控触发电路由 3 个 KJ004 集成块和 1 个 KJ041 集成块（KJ041内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲， 再由六个晶体管进行脉冲放大即可， 分别连到 VT1， VT2，

19、 VT3， VT4， VT5，VT6 的门极。6 路双脉冲模拟集成触发电路图如图 3-2 所示：图 3-2 集成触发电路图124保护电路的设计为了保护设备安全， 必须设置保护电路。 保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如 R-C 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行

20、保护设电路的设计。4.1 晶闸管的保护电路、晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。 对于晶闸管初开通时引起的较大的 di/dt， 可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制； 对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图 4-1 所示：图 4-1 串联电感及熔断器抑制回路、晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受

21、换相过电压的危害，一般在元件的两端并联 RC 电路。如图 4-2 所示：13图 4-2 并联 RC 电路阻容吸收回路4.2 交流侧保护电路晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图 4-3 所示的反向阻断式过电压抑制 RC 保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 、 放电，将储存的电场能量

22、释放，逐渐将电压恢复到正常值。图 4-3 反向阻断式过电压抑制RC 电路144.3 直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-4 中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压， 尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。图 4-4 直流侧阻容保护155 MATLAB 建模与仿真5.1 MATLAB 建模 三相桥式全控整流器的建模、参数设置三相桥式全控整流器的建模可以直接

23、调用通用变换器桥（6-pulse thyristor）仿真模块。参数设定如图 5-1 所示：图 5-1 通用桥参数设置图 同步电源与 6 脉冲触发器的封装同步电源与 6 脉冲触发器模块包括同步电源和 6 脉冲触发器两个部分，6 脉冲触发器需要三相线电压同步， 所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。具体步骤如下： 建立一个新的模型窗口，命名为 TBCF； 打开相应的模块组，复制 5 个 int1（系统输入端口） 、一个 out1（系统输出端口、3 个 voltage Measurement（电压测量模块）、1 个 6-Pulse Generator（脉冲触发器）。按图 5-2

24、连线。16图 5-2 触发器模块连接图 进行封装，封装图如图 5-3 所示。图 5-3 封装图 三相桥式全控整流电路的建模、参数设置建立一个新的模型窗口，命名为 ban2。将三相桥式全控整流器和同步 6 脉冲触发器子系统复制到 ban2 模型窗口中。通过合适的连接，最后连接成如图 5-4 所示的命名为修改版的三相桥式全控整流器电路仿真模型。相关参数说明：交流电压源 Ua、 Ub、 Uc 等于 U2 为 179.6V， 频率为 50Hz， Ua 相序为 0 度， Ub 相序为-120度，Uc 相序为-240 度。RC 中的参数为：R 为 1 欧，L 为 0H，C 为（1e-6）F。RL中的参数为

25、：R 的参数为 0.721 欧，L（平波电抗器）的参数为 4.4mH。DC 的参数为-220V 可设为任意值。17图 5-4 三相桥式全控整流电路仿真图5.2 MATLAB 仿真打开仿真参数窗口，选择 ode123tb 算法，将相对误差设置 1e-3，仿真开始时间设置为 0，停止时间设置为 0.04 秒。在下面的仿真图中 Ud、Id 为负载电压（V）和负载电流（A） 。 触发角为 0 度是的波形图 5-5 触发角为 0 度时 ud、id 的波形图18 触发角为 30 度时的波形图 5-6 触发角为 30 度时 ud、id 的波形图 触发角为 90 度时的波形图 5-7 触发角为 90 度时 u

26、d、id 的波形图5.3 仿真结构分析由仿真出的触发角分别为 0 度、30 度和 90 度的 Ud、Id 波形图和图 2-2、图192-3、图 2-4 比较可知，三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，在负载电感足够大以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同、仅在计算 Id 时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id 为：IdUd E公式 17R20课程设计体会我知道电力电子技术是一门基础性和支持很强的技术， 但我真正体会到这一点却是在这次课设的过程中。通过本次课程设计 ，我对电力电子技术这门课有了很深的了解，对各个知识点有个更好的掌握。本次设计， 我所设计的是三相桥式全控整流电路，开始设计时我遇到了很多的问题，特别是在用 MTALAB 对整流电路进行仿真时，我有种很深的无助感。好在后来经过仔细查阅资料，各类图书，以及老师和同学的帮助，我顺利完成了课设中的任务。在此我要感谢我的指导老师王老师对我的悉心指导， 感谢王老师在白忙之中给我的帮助。 在课程设计的过程中我培养了自己独立工作的能力，给自己的未来树立了信心，我相信它会对我今后的工作、学习、生活产生重要影响，我相信这次的课程设计会让我终身收益！21