1、湖北民族学院 三相桥式全控整流电路的设计学生姓名： 指导教师： 专 业：电气工程及其自动化班 级： K0312416 学 号； K081241138 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
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; KEI
3、L-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103.2 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
4、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
5、之工作。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图 1-1 三相桥式全控整流电路结构图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
6、、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 VT1VT2 VT3VT4VT5VT6。变压器为 型接法。变压器二次侧接Y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。6共阳极组
7、 VT4、VT6 、VT2 也依次差 120。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。 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
8、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 =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
9、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 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 9
10、0 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：Y（公式 1） VU127302变比为：8（公式 20.31278UK变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：公式 3Id1公式 4dIK2而在三相桥式全控中公式 5816.0321II公式 6Ad5所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：公式 7213IUS变压器初级容量为：公式 812I变压器容量为：公式 921S即： kWS 4698.2038.5305816.0273 变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法 ， ；
11、次VU1AI.21级绕组星形接法， ， ；容量选择为 9.46989kW。VU172 AI8.422.2.2 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 1026FMRU故桥臂的工作电压幅值为：公式 11 Vm1.379考虑裕量，则额定电压为：公式 12VUmN 3.92.61.323 晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为：公式 13AIdVT4.360max考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：公式 14AIIVTAVT 30.4197.35.1462.57.12.)( 2.2.3 平波电抗器的选择为了限制
12、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 15min2693.0dIUL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mindI20A。所以有：公式 16HUL40.217693.02. 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
13、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(+15VR3 VD1V1地) ；在 uS 负半周，V2、V3 导通，电流途径为(+15VR3VD2 V3R5R21(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
