三相桥式全控整流电路课程设计报告

电力电子技术课程设计题目院系专业姓名年级指导教师年月2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-C3目录摘要……………………………………………………………………………………21、原理及方案…………………………………………………………………………42、主电路的设计及器件选择…………………………………………………………52.1三相全控桥的工作原理……………………………………………………52.2参数计算……………………………………………………………………73、触发电路设计……………………………………………………………………103.1集成触发电路……………………………………………………………103.2KJ004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……………………………………………………………165.1MATLAB建模………………………………………………………………165.2MATLAB仿真………………………………………………………………185.3仿真结构分析……………………………………………………………19课程设计体会………………………………………………………………………2141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。图1-1三相桥式全控整流电路结构图电源三相桥式全控整流电路直流电动机同步电路集成触发器触发信号触发模块52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个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。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⑴2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。⑵对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差。6共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。⑶ud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。⑷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α≤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，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α=0度和α=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，在此不做具体分析。7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α＞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α=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α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Y接法可知变压器二次侧相电压为：VVU12732202（公式1）变比为：80.312738021UUK（公式2﹚变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：KIKIdI11﹙公式3﹚dIIKI22﹙公式4﹚而在三相桥式全控中816.03221IIKK﹙公式5﹚AId305﹙公式6﹚所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：2213IUS﹙公式7﹚变压器初级容量为：1123IUS﹙公式8﹚变压器容量为：221SSS﹙公式9﹚即：kWS46989.920.3816.03053803305816.01273变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法VU3801，AI96.821；次级绕组星形接法，VU1272，AI88.2482；容量选择为9.46989kW。2.2.2晶闸管的选择⑴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26FMRMUUU﹙公式10﹚故桥臂的工作电压幅值为：VUm1.3111276﹙公式11﹚9考虑裕量，则额定电压为：VUUmN3.933~2.6221.3113~23~2﹙公式12﹚⑵晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为：AIIdVT4.34636003max﹙公式13﹚考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：AIIVTAVVT30.441~97.33057.14.3462~5.157.12~5.1)(﹙公式14﹚2.2.3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：min2693.0dIUL﹙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mindI取20A。所以有：mHUL40.420127693.020693.02﹙公式16﹚103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3-1KJ004的电路原理图3.2KJ004的工作原理如图3-1KJ004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。V1～V4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(+15V－R3－VD1－V1－地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―(―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，V1～V3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。11在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15V－R6－C1－R22－RP1－(－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。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（+15V－R25－V6－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，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