三相桥式全控整流电路优秀课程设计文稿.doc

湖北民族学院 三相桥式全控整流电路设计 学生姓名： 林 博 指导老师： 徐 超 专 业：电气工程及其自动化班 级： K0312416 学 号； K 摘 要电子技术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,环境保护,和亿万大家日常生活各个领域,进入二十一世纪后电力电子技术应用愈加广泛,所以对电力电子技术研究更为关键。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,部分技术优异国家,经过电力电子技术处理电能已得到总电能二分之一以上。 本文关键介绍三相桥式全控整流电路主电路和触发电路原理及控制电路图,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。不过因为工艺要求大功率,大电流,高电压,所以控制比较复杂,尤其是触发电路部分必需一一对应,不然输出电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。 本电路图关键由芯片C8051-F020微控制器来控制并在不一样时刻发出不一样脉冲信号去控制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导通角大小。 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,并达成预期效果。关键字：MCU ; SCR; 电力电子; 导通角; KEIL-C目 录摘要21、原理及方案42、主电路设计及器件选择5 2.1 三相全控桥工作原理5 2.2 参数计算73、触发电路设计103.1 集成触发电路103.2 KJ004工作原理103.3 集成触发器电路图114、保护电路设计134.1 晶闸管保护电路134.2 交流侧保护电路144.3 直流侧阻容保护电路155、MATLAB 建模和仿真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211 原理及方案三相桥式全控整流电路系统经过变压器和电网连接，经过变压器耦合，晶闸管主电路得到一个适宜输入电压，使晶闸管在较大功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还能够抑制由变流器进入电网谐波成份。保护电路采取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。采取锯齿波同时KJ004集成触发电路，利用一个同时变压器对触发电路定相，确保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。结构框图图1-1所表示。整个设计关键分为主电路、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，同时经过同时电路连接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同时电路集成触发器触发信号触发模块图1-1 三相桥式全控整流电路结构图2 主电路设计及器件选择试验参数设定负载为220V、305A直流电机，采取三相整流电路，交流测由三相电源供电，设计要求选择三相桥式全控整流电路供电，主电路采取三相全控桥。2.1 三相全控桥工作原理图2-1所表示，为三相桥式全控带阻感负载，依据要求要考虑电动机电枢电感和电枢电阻，故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起3个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中和a、b、c三相电源相接3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中和a、b、c三相电源相接3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。晶闸管导通次序为 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。 对触发脉冲要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6次序，相位依次差60。共阴极 组VT1、VT3、VT5脉冲依次差120。共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6， VT5和VT2，脉冲相差180。 ud一周期脉动6次，每次脉动波形全部一样, 故该电路为6脉波整流电路。 晶闸管承受电压波形和三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压关系也相同。2.1.2 阻感负载时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），下面关键分析阻感负载时情况，因为带反电动势阻感负载情况，和带阻感负载情况基础相同。 当60度时，ud波形连续，电路工作情况和带电阻负载时十分相同，各晶闸管通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受电压波形等全部一样。区分在于负载不一样时，一样整流输出电压加到负载上，得到负载电流 id 波形不一样，电阻负载时 ud 波形和 id 波形形状一样。而阻感负载时，因为电感作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时候，负载电流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 波形，可和带电阻负载时情况进行比较。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波形不一样。 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 波形，在此不做具体分析。 图2-2 触发角为0度时波形图 图2-3 触发角为30时波形图当60度时，阻感负载时工作情况和电阻负载时不一样，电阻负载时ud波形不会出现负部分，而阻感负载时，因为电感L作用，ud波形会出现负部分。图2-4给出了=90度时波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基础相等，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角移相范围为90度。图2-4 触发角为90时波形图2.2 参数计算2.2.1 整流变压器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变压器一次和二次侧相电流计算公式为： 公式3 公式4而在三相桥式全控中 公式5 公式6所以变压器容量分别以下：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：变压器参数归纳以下：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 晶闸管选择 晶闸管额定电压由三相全控桥式整流电路波形（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 晶闸管额定电流晶闸管电流有效值为： 公式13考虑裕量，故晶闸管额定电流为：公式142.2.3 平波电抗器选择为了限制输出电流脉动和确保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）中包含整流变压器漏电感、电枢电感和平波电抗器电感。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163 触发电路设计控制晶闸管导通时间需要触发脉冲，常见触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004组成集成触发器实现产生同时信号为锯齿波触发电路。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适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度移相脉冲，能够方便地组成全控桥式触发器线路。KJ004电路含有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同时电压要求低，有脉冲列调制输出端等功效和特点。原理图以下：图3-1 KJ004电路原理图3.2 KJ004工作原理图3-1 KJ004电路原理图所表示，点划框内为KJ004集成电路部分，它和分立元件同时信号为锯齿波触发电路相同。V1V4等组成同时步骤，同时电压uS经限流电阻R20加到V1、V2基极。在uS正半周，V1导通，电流路径为(+15VR3VD1V1地)；在uS负半周，V2、V3导通，电流路径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。所以，在正、负半周期间。V4基础上处于截止状态。只有在同时电压|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基极和集电极之间，组成电容负反馈锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3快速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增加锯齿波，锯齿波斜率取决于流过R22、RP1充电电流和电容C1大小。依据V4导通情况可知，在同时电压正、负半周全部有相同锯齿波产生，而且二者有固定相位关系。V6及外接元件组成移相步骤。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导通时刻，从而调整脉冲相位。V7等组成了脉冲形成步骤。V7经电阻R25取得基极电流而导通，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所充电压经过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。以后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。这么，在V7集电极就得到固定宽度移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。V8、V12为脉冲分选步骤。在同时电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180脉冲。脉冲分选经过同时电压正负半周进行。如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又经过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同时电压负半周，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可提升V8、V9、V12、V13门限电压，从而提升了电路抗干扰能力。二极管VD1、VD2、VD6VD8为隔离二极管。2) 采取KJ004元件组装六脉冲触发电路，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) 因为 V8、V12脉冲分选作用，使得同时电压在一周内有两个相位上相差 脉冲产生，这么，要取得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个和主电路同相同时电压。所以主变压器接成D，yn11及同时变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路同时电压uSa、uSb、uSc分别和同时变压器uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同时相位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个二极管组成6个或门）及部分分立元件组成，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，VT3，VT4，VT5，VT6门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图图3-2所表示：图3-2 集成触发电路图4 保护电路设计为了保护设备安全，必需设置保护电路。保护电路包含过电流和过电流保护，大致能够分为两种情况：一个是在合适地方安装保护器件，比如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一个则是采取电子保护电路，检测设备输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超出许可值时，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数值。本例中设计三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一个保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路设计。4.1 晶闸管保护电路、晶闸管过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采取多个保护方法。对于晶闸管初开通时引发较大di/dt，可在晶闸管阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引发过流和逆变器负载回路接地时能够采取接入快速熔短器进行保护。图4-1所表示：图4-1串联电感及熔断器抑制回路、晶闸管过电压保护：晶闸管过电压保护关键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，经过恢复电流电感会因高电流改变率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压危害，通常在元件两端并联RC电路。图4-2所表示：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操作过电压和雷击过电压侵袭，同时设备本身运行中和非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采取图4-3所表示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峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件发烧。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量通路，电容将吸收过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 、 放电，将储存电场能量释放，逐步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，因为直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能合适地保护这种过电压，仍会经过导通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5 MATLAB 建模和仿真5.1 MATLAB建模 三相桥式全控整流器建模、参数设置三相桥式全控整流器建模能够直接调用通用变换器桥（6-pulse thyristor）仿真模块。参数设定图5-1所表示：图5-1 通用桥参数设置图 同时电源和6脉冲触发器封装同时电源和6脉冲触发器模块包含同时电源和6脉冲触发器两个部分，6脉冲触发器需要三相线电压同时，所以同时电源任务是将三相交流电源相电压转换成线电压。具体步骤以下： 建立一个新模型窗口，命名为TBCF； 打开对应模块组，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，封装图图5-3所表示。图5-3 封装图 三相桥式全控整流电路建模、参数设置建立一个新模型窗口，命名为ban2。将三相桥式全控整流器和同时6脉冲触发器子系统复制到ban2模型窗口中。经过适宜连接，最终连接成图5-4所表示命名为修改版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中参数为：R为1欧，L为0H，C为（1e-6）F。RL中参数为：R参数为0.721欧，L（平波电抗器）参数为4.4mH。DC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度是波形图5-5 触发角为0度时ud、id波形图 触发角为30度时波形图5-6 触发角为30度时ud、id波形图5.3 仿真结构分析由仿真出触发角分别为0度、30度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情况下，电路工作情况和电感负载时相同，电路中各处电压、电流波形均相同、仅在计算Id时有所不一样，接反电动势阻感负载时Id为： 公式17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技术，但我真正体会到这一点却是在这次课设过程中。经过此次课程设计 ，我对电力电子技术这门课有了很深了解，对各个知识点有个愈加好掌握。此次设计，我所设计是三相桥式全控整流电路，开始设计时我碰到了很多问题，尤其是在用MTALAB对整流电路进行仿真时，我有种很深无助感。好在以后经过仔细查阅资料，各类图书，和老师和同学帮助，我顺利完成了课设中任务。在此我要感谢我指导老师王老师对我悉心指导，感谢王老师在白忙之中给我帮助。在课程设计过程中我培养了自己独立工作能力，给自己未来树立了信心，我相信它会对我以后工作、学习、生活产生关键影响，我相信这次课程设计会让我终生收益！