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1、 三相桥式可控整流电路 院 、 部: 电气与信息工程学院 学生姓名: 指导教师: 肖文英 职称 副教授 专 业: 自动化 班 级: 完成时间: 2014年5月26日 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
2、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-C ABSTRACT Th
3、e application of electronic technology has deep into the agricultural economic construction, transportation, space technology, national defense modernization,medical, environmental protection, and the daily life of people in various fields ofapplication, enter after twenty-first Century power electr
4、onic technology more widely, so the research on power electronic technology is more important. In recent years . In recent years more and more application in the national power electronics industry, some advanced technologies of the country, afterprocessing of electric power electronic technology ha
5、s been more than half the total energy. This paper mainly introduces the main circuit of three-phase full bridge controlled rectifier circuit and trigger circuit principle and control circuit, by the power frequency three-phase voltage 380V by the step-up transformer bySCR (silicon controlled rectif
6、ier) and DC supply load. But because the technologyrequirements of high power, high current, high voltage, so the control is more complex, especially the trigger circuit must be one one corresponding voltage fluctuation, otherwise output high and even short circuit cause equipment damage. The circui
7、t is composed of chip C8051-F020 microcontroller to controland of the pulse signal at different times to control 6 SCR. In the load is taken from the rectifier voltage, load current to the C8051-F020 simulation, and thenprocessed by MCU sends signals to control the SCR turn-on angle. In this paperth
8、e design and development process, we use KEIL-C software, C8051 systemand PROTEL-99, and finally realize the circuit design, and achieve the desired effect. Keywords: MCU; SCR; power electronics; conduction angle; KEIL-C目 录 第1章 三相桥式可控整流电路设计11.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案11.1.1方案的选择11.1.2系统原理方框图21.2具体电路设计31.2.
9、1主电路设计32.1 三相全控桥的工作原理52.1.1 三相全控桥的工作特点52.1.2 阻感负载时的波形分析62.2 参数计算72.2.1 整流变压器的选择72.2.2 晶闸管的选择82.2.3 平波电抗器的选择9第3章 触发电路设计103.1 集成触发电路103.3 集成触发器电路图11第4章 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15第5章 MATLAB 建模与仿真165.1 MATLAB建模165.2 MATLAB 仿真185.3 仿真结构分析20参考书目22致 谢23第1章 三相桥式可控整流电路设计1.1 三相桥式可控整流电
10、路总体设计方案1.1.1方案的选择三相可控整流电路有三相半波可控整流电路,三相半控桥式整流电路,三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相平衡的,输出的直流电压和电流脉动小,对电网影响小,同时三相可控整流电路的控制量可以很大,输出电压脉动较小,易滤波,控制滞后时间短,因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量,为此在应用中较少,所以采用三相桥式全控整流电路,可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少,但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直,当电感足够大时,负载电流波形
11、可以近似为一条水平线。在实际应用中,特别是小功率场合,较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时,考虑到三相负载的平衡,因而采用三相桥式全控整流电路。三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高,和三相半波电路相比,在电源电压相同、控制角一样时,输出电压又提高了一倍。又因为整流变压器二次绕组电流没有直流分量,不存在铁心被直流磁化问题,故绕组和铁心利用率高,所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统,以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。1.1.2系统原理方框图380V三相交流电源整流电路 保护电路触发电路负载电路图1.1系统原理方框图整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。根
12、据设计任务,在此设计中采用三相桥式可控整流电路接阻感性负载。1.2具体电路设计1.2.1主电路设计三相桥式可控整流电路的原理图1.2三相桥式可控整流电路根据本次设计要求,采用负载为阻感的主电路图如下:根据设计要求,输出电压Ud在0220V连续可调。根据三相桥式全控整流电路计算公式:Ud=2.34U2cos当=30时,使电压Ud有最大值Ud=2.34U2cos30=220V,从而得出U2=109V,可通过变压器获得。当=90时,使电压Ud有最小值Ud=2.34U2cos90=0V,从而实现输出电压Ud在0220V连续可调。整流输出电流最大值100A,Idmax=Umax/R=100A,所以R=2
13、20/100=2.2。综上可得触发角取值为3090。下图为三相桥式整流电路带阻感负载=30和90的波形图。 当a60,Ud波形连续,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、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于:由于负载不同,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。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1.3三相桥式全控整流电路阻感负载30度的波形当a60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
14、负载带阻感负载时,三相全控桥式整流电路的 角移相的范围是90。 图2.4三相全控桥式整流电路带阻感负载90度时的波形 第2章 三相桥式全控整流电路设计 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、V
15、T3、VT5, 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为型接法。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。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一
16、相的上下两个桥臂,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、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时,
17、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
18、此不做具体分析。 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,由变压器为接法可知变压器二次侧相电压为: (公式1) 变比为: (公式2
19、变压器一次和二次侧的相电流计算公式为: 公式3 公式4而在三相桥式全控中 公式5 公式6所以变压器的容量分别如下:变压器次级容量为: 公式7变压器初级容量为: 公式8变压器容量为: 公式9即:变压器参数归纳如下:初级绕组三角形接法,;次级绕组星形接法,;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 公式10故桥臂的工作电压幅值为: 公式11 考虑裕量,则额定电压为: 公式12 晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为: 公式13考虑裕量,故晶闸管的额定电流为:公式142.2
20、.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: 公式15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。所以取20A。所以有: 公式16第3章 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
21、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
22、,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。在V4导通时,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
23、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。V7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
24、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,V12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
25、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
26、体管进行脉冲放大即可,分别连到VT1,VT2,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 集成触发电路图第4章 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
27、闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。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
28、元件免受换相过电压的危害,一般在元件的两端并联RC电路。如图4-2所示: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,将储存的电场能量释放,逐渐将电压恢复
29、到正常值。图4-3反向阻断式过电压抑制RC电路4.3 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 直流侧阻容保护第5章 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调用通用变换器桥(6-pulse th
30、yristor)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连线。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
31、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: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。图5-4 三相桥式全控整流电路仿真图5.2 MATLAB 仿
32、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 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ud、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2-3、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
33、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: 公式17 课程设计总结 电力电子技术是一门基础性和支持性很强的技术,本学期我学习了这门课程,在学习过程中掌握了电力电子技术的一些基本原理。通过本次课程设计,我对这门课程有了更深的了解,以及对各个知识点有了更好的掌握。本次我的电力电子课程设计题目为三相桥式可控整流电路,通过多天的努力与同学间的探讨使我不仅掌握了晶闸管、触发电路的基本原来及其应用,也对这门学科有了更深的了解。也懂得了电力电子这门课程在实际生产中的应用将电力电子方面的知识应用到实际生产中,分析与复杂的数学计算,并力求将知识点与能力点紧密
34、结合,从而有助于我在工程应用能力上的培养。此次课程设计对于一名刚学习完电力电子技术的我来说有一定的难度,但是这对于我掌握,理解学习过的知识有很大的帮助,对于思维 、逻辑及其理论知识的运用等多方面有了更加进一步的掌握,在完成的过程中我查阅了很多老师的参考书通过参考及运用自己所掌握的知识完成了此次的设计,在这里我也感谢所有给予我关心帮助的老师和同学,希望以后有更多的机会来锻炼自己的综合素质,为以后的学习、生活打下良好的基础。虽然本次课程设计已经圆满的结束了,但我深深知道自己做的还不够,动手动脑的实践能力还有很大的提升空间,我会继续努力,学好专业知识,从而强化自己,为将来参加工作打好基础。 参考书目 1王兆安,黄俊主编电力电子技木第四版北京:机械工业出版社,2004年1月 2王云亮主编电力电子技术第一版北京:电子工业出版社,2004年8月 3梁廷贵主编现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册北京:科学技术文献出版社,2002年2月 致 谢 一次课程的设计让我如此疲惫,方知要珍惜别人的劳动成果。在此我要感谢我的同学们对我的关心、鼓励和支持还要感谢老师对我的悉心指导,也让我更加了解了团队合作的重要性,是他们帮助让我顺利地完成了本次课程设计,为了让他们的努力能够得到回报,在以后的日子里我会更加努力学习,增加自己的知识含量,实现自己的人生价值。