三相全控整流用電路設(shè)計(jì)解讀

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SCRpT控硅）再整流為直流供負(fù) 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(fù)雜，特別是觸發(fā) 電路部分必須一一對(duì)應(yīng)，否則輸出的電壓波動(dòng)大甚至還有可能短路造成設(shè)備損 壞。本電路圖主要由芯片C8051-F020微控制器來(lái)控制并在不同的時(shí)刻發(fā)出不同 的脈沖信號(hào)去控制6個(gè)SCR在負(fù)載端取出整流電壓，負(fù)載電流到C8051-F020模 擬口，然后由MCUt理后發(fā)出信號(hào)控制SCR的導(dǎo)通角的大小。在本課題設(shè)計(jì)開發(fā) 過(guò)程中,我們使用KEIL-C開發(fā)軟件,C8051開

2、發(fā)系統(tǒng)及PROTEL-99并最終實(shí)現(xiàn)電 路改造設(shè)計(jì)，并達(dá)到預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞：電力電子、三相、整流摘要11、設(shè)計(jì)任務(wù)書32、設(shè)計(jì)方案33、主電路圖44、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電圖45、電路參數(shù)計(jì)算和元器件選擇清單66、主電路和驅(qū)動(dòng)電路的原理分析 87、主要節(jié)點(diǎn)電壓和波形 138、參考文獻(xiàn) 151設(shè)計(jì)任務(wù)書1 .將三相380V交流電源通過(guò)三相橋式全控整流電路變成可調(diào)的直流電壓2 .進(jìn)行方案比較，并選定設(shè)計(jì)方案3 .完成主電路設(shè)計(jì)，各主要器件的選擇4 .驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路設(shè)計(jì)，各主要器件的選擇5 .繪制控制角度為30 60度時(shí)電路中主要節(jié)點(diǎn)電壓和電流波形6 .負(fù)載為阻感負(fù)載三相星型連接 L=300mH R

3、=50(n2設(shè)計(jì)方案三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過(guò)變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過(guò)變壓器的耦合，品閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓， 使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)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(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。 保 護(hù)電路采用RC過(guò)電壓抑制電路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，利用快速熔斷器進(jìn)行過(guò)電流保 護(hù)。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個(gè)同步變壓器對(duì)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鞒芍绷鳎?帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路三個(gè) 部分?？驁D中沒(méi)有表明保護(hù)電路。當(dāng)接通電源時(shí)，三相橋

4、式全控整流電路主電路 通電，同時(shí)通過(guò)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(dǎo)通工作，經(jīng)過(guò)整流后的直流電通給直流電動(dòng)機(jī)，使之工作。電源三相橋式全控整流電路直流電動(dòng)機(jī)觸發(fā)模塊觸發(fā)信號(hào)三相橋式全控整流結(jié)構(gòu)圖3主電路圖三相全控整流電路總電路圖：L?L?F?F?j F?Fuse 1Fuse 1Fuse 1Q?Q?Q?7L 7/SCR_nQ?Q?Q?-SCRSCR上SCRiF?F?i1 F?1Fuse 1Fuse 1Fuse 1Inductor 10mHInductor 10mHInductor 10mH L?R?Res1 1KL?Inductor 10mH4驅(qū)動(dòng)電路和保

5、護(hù)電路圖驅(qū)動(dòng)電路圖晶閘管保護(hù)電路串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路VT/-并聯(lián)RC電路阻容吸收回路交流側(cè)保護(hù)電路5電路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇清單1 .基本計(jì)算公式當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)(即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a060時(shí))的平均值為:一 2 二1U d =3、6U 2 sin td ( t) = 2.34 U 2 cos ;元 一+a帶電阻負(fù)載且a 60口時(shí)，整流電壓平均值為:Ud 6U 2 sin td ( t) = 2.34U 2冗111 + cos( 一 十 口)13一2.整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V,由變壓器為A -Y接法可知變壓器二次側(cè)相電壓

6、為:U2220V127V1)變比為:UiK 二U2127380 3.0變壓器一次和二次側(cè)的相電流計(jì)算公式為:IlKiild9.46989kW5)4)而在三相橋式全控中KI 1 - K I2 - i - 0.816, 3Id -305A所以變壓器的容量分別如下:變壓器次級(jí)容量為:Si =孫12變壓器初級(jí)容量為:S2 =3UJ器容量即:3 127 0.816 305 3 380 305 0.8163.0變壓器參數(shù)歸納如下：初級(jí)繞組三角形接法 Ui=380V, =82.96A;次級(jí)繞組星形接法，U2 =127V , I2 =248.88A;容量選擇為9.46989kW3.晶閘管的選擇品閘管的額定電壓

7、由三相全控橋式整流電路的波形（圖 2-4）分析知，品閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值U FM-U RM = 6U 2（公式10）故橋臂的工作電壓幅值為：(公式11 )Um = J6 127 311.1V考慮裕量，則額定電壓為:Un =(23Um = (2 3311.1 = (622.2 9333 V(公式 12)品閘管的額定電流品閘管電流的有效值為:I VTd max36003:346.4A（公式13）考慮裕量，故晶閘管的額定電流為:I VT(AV) = (1.5 2 )焉=(1.5 2)3464 = (330.97 441.30 人(公式 14 )6主電路和驅(qū)動(dòng)電路工作原理分

8、析1 .主電路的晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將品閘管按圖示的順序編號(hào)，即共 陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3 VT5,共陽(yáng) 極組中與a、b、c三相電源相接3個(gè)晶閘管分別為VT4 VT6 VT2如下圖，晶 閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1 VT2-VT3-VT4- VT5-VT&u、 丁 y 三-一5 j /汴 0帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況晶閘管觸發(fā)角a =00時(shí)的情況：此時(shí)，對(duì)于共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽(yáng)極所 接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共陽(yáng)極組的3個(gè)品閘管，則是陰極所接交 流電壓值最低（或者說(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰 極組中各有1個(gè)晶閘管

9、處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。 此時(shí) 電路工作波形如圖2所示。a =00時(shí)，各品閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與 線電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓 的交點(diǎn)。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn) n為參考點(diǎn)，共陰極組晶閘 管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)， 整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud = ud1 ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的 包絡(luò)線。將波形中的一個(gè)周期等分為 6段，每段為60度，如圖下圖所示，每一 段中導(dǎo)通

10、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(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1 VT2 VT3- VT4 VT5- VT&時(shí)段123456共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VTVTVT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘VT6VT2VT2VT4VT4VT6管整流輸出電壓udU a-U b = UabUa-U c = UacUb- U c = UbcUb- U a=UbaUc- U a=UcaUc-U b = Ucb由圖得：6個(gè)晶閘管的脈沖按 VT1 VT2 VT” VT4 VT- VT6的順序，相 位依次差60o；共陰極組和陽(yáng)極組依次差120o；同一相的上下兩個(gè)橋臂脈沖相差 180。整流輸出電壓u

11、d一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)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(dòng)過(guò)程中或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路的正常 工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)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60。，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個(gè)晶閘管 的同時(shí)，給序號(hào)緊前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。 即用兩個(gè)窄脈沖代替寬脈沖，兩個(gè) 窄脈沖的前沿相差60。，脈寬一般為20。30。，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較 復(fù)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(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對(duì)于晶閘管串

12、聯(lián)使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。a= 0。 時(shí)品閘管承受的電壓波形如圖所示。U/tA圖中還給出了晶閘管VT1流過(guò)電流iVT的波形，由此波形可以看出，品閘 管一周期中有120。處于通態(tài)，240。處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于 通態(tài)時(shí)的電流波形與相應(yīng)時(shí)段的 ud波形相同。當(dāng)觸發(fā)角a改變時(shí)，電路的工作情況將發(fā)生變化。當(dāng)a =30。時(shí)。從t1 角開始把一個(gè)周期等分為6段，每段為60。與a = 0。時(shí)的情況相比，一周期中 Ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30。,組成ud的每一段線電壓因此推遲30。，ud平均值降低。晶閘管電壓波

13、形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中同時(shí)給出 了變壓器二次側(cè)a相電流ia的波形，該波形的特點(diǎn)是，在VT1處于通態(tài)的120o 期間，ia為正，ia波形的形狀與同時(shí)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(shí)段的ud波形相同，但為負(fù)值。當(dāng)a =60。時(shí)，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。a =60o時(shí)ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)由以上分析可見，當(dāng)aW 60o時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形 與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。當(dāng)a 60。時(shí)，如a = 90。時(shí)電阻負(fù)載情況 下，此時(shí)ud波形每60o中有30。為零，這是因?yàn)殡?/p>

14、阻負(fù)載時(shí)id波形與ud波形 一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過(guò)晶閘管的電流即降至零，品閘管關(guān)斷， 輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。 如果繼續(xù)增大至120。，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(fù)載時(shí)三相橋式全 控整流電路a角的移相范圍是120。阻感負(fù)載工作情況三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動(dòng)），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，對(duì)于帶反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載 的情況，只需在阻感負(fù)載的基礎(chǔ)上掌握其特點(diǎn)，即可把握其工作情況。當(dāng)60。時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各品閘管的通斷情況、輸出整流電壓

15、ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負(fù) 載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上， 得到的負(fù)載電流id波形不同，電 阻負(fù)載時(shí)id波形與ud的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使 得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條 水平線。在晶閘管VT1導(dǎo)通段，iVT1波形由負(fù)載電流id波形決定，和ud波形 不同。 當(dāng)a 60。時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí) ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。若電感L值足包多大,ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。 這表明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋

16、式全控整流電路的a角移相范圍為90。2.驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(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(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004 電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍 寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。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(hào)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力口至ij VI、V2基極。在uS 的正半周，

17、V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15V R3 VD1- V1 地)；在uS負(fù)半周，V2、 V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15V-R3- VD2-V3- R5-R21 (15V)。因此，在正、 負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS| 移相控制電 壓UC分別經(jīng)R24 R2& R26在V6基極上疊加。當(dāng)ube6+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè) uC5 Ub為定值，改變UC則改變了 V6導(dǎo)通的時(shí)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(dǎo)通，電容 C2 由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5 V7基射結(jié)充電。當(dāng)V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所 充電壓通過(guò)V6成為V7基極反向

18、偏壓，使 V7截止。此后C2經(jīng)(+15V- R25- V6地)放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)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(shí)間常數(shù)R25和C2決定。V& V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位 差為180的脈沖。脈沖分選通過(guò)同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在 us正半周V1 導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來(lái)自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)， V7正 脈沖又通過(guò)二極管VD7經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況 剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng)V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說(shuō) 明：

19、1) KJ004中穩(wěn)壓管VSAVS9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 VD6-VD8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 VD卜VD12組成六個(gè)或 門形成六路脈沖，并由三極管 V1V6進(jìn)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(gè)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(gè)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 uSbx uSc分別與同步變壓器的uSA uSB uS