电力电子技术课程设计-三相桥式全控整流电路的研究.doc

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-C

ABSTRACT
The application of electronic technology has deep into the industrial and agricultural economy construction, transportation, space technology, national defense modernization, medical, environmental protection, and millions of People's Daily life in all areas, after 21 st century power electronic technology application more extensive, so the power electronic technology research is more important.In recent years more and more application in the national power electronics industry, some technical advanced countries, after power electronic technology processing power has been more than half of total power.This paper mainly introduces the three-phase bridge type all control the main circuit of rectifier circuit and trigger circuit principle and control circuit, the power frequency voltage 380 V the boost phase after transformer (SCR) again by SCR rectifier for dc load for use.But because the process requirement high power, large current, high voltage, and hence control is more complex, especially trigger circuit part must be exactly corresponding, otherwise the output voltage fluctuations and may have even large short-circuit equipment damage.The main circuit by chip C8051-F020 micro controller to control and in different time a different pulse signal to control six SCR. In both the load remove rectifier voltage, load current C8051-to F020 simulation mouth, then by MCU after processing signal control SCR conduction Angle of size.In this topic in the design process, we use the KEIL-C development software, C8051 development system and PROTEL-99, and finally realize the retrofit design of the circuit, and achieve the desired effect.

Keywords ： MCU; SCR; Power electronics; Conduction angles; KEIL-C

目 录

摘要……………………………………………………………………………………2
1、原理及方案……………………………………………………………………… 4
2、主电路的设计及器件选择……………………………………………………… 5
2.1 三相全控桥的工作原理……………………………………………………5
2.2 参数计算……………………………………………………………………7
3、触发电路设计……………………………………………………………………10
3.1 集成触发电路……………………………………………………………10
3.2 KJ004的工作原理…………………………………………………………10
3.3 集成触发器电路图………………………………………………………11
4、保护电路的设计…………………………………………………………………13
4.1 晶闸管的保护电路………………………………………………………13
4.2 交流侧保护电路…………………………………………………………14
4.3 直流侧阻容保护电路……………………………………………………15
5、MATLAB 建模与仿真……………………………………………………………16
5.1 MATLAB建模………………………………………………………………19
5.2 MATLAB 仿真………………………………………………………………20
5.3 仿真结构分析……………………………………………………………21
课程设计体会…………………………………………………………………… 22 参考文献…………………………………………………………………………… 231 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。
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

2 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
⑴ 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。
⑵ 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°。
同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。
⑶ 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。
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。

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，由变压器为接法可知变压器二次侧相电压为：

变比为：

变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：

而在三相桥式全控中

所以变压器的容量分别如下：
变压器次级容量为：

变压器初级容量为：

变压器容量为：

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
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

故桥臂的工作电压幅值为：

考虑裕量，则额定电压为：

⑵ 晶闸管的额定电流
晶闸管电流的有效值为：

考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：

[3] 综上所述我们选择晶闸管的型号：Kp400—8

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：

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：

3 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3-1 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(+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。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V9～V11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 V13～V15放大后输出负相脉冲。说明：
1) KJ004中稳压管VS6～VS9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、VD6～VD8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VD1～VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1～V6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 RP1～RP3为锯齿波斜率电位器，RP4～RP6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

4 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
⑴、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
⑵、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。电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使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

5 MATLAB 建模与仿真
5.1 MATLAB建模
⑴ 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 thyristor）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
⑵ 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：
① 建立一个新的模型窗口，命名为TBCF；
② 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
③ 进行封装，封装图如图5-3所示。

图5-3 封装图
⑶ 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）。
⑴ 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
⑵ 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
⑵ 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﹚

课程设计体会

这次电力电子技术课程设计，我们通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的理论知识，检验了我们平时的学习效果。虽然此次课程设计与实际操作分析还有很大的差距，但是它提高了我们综合解决问题的能力，为我们以后的学习打下了基础。
通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对触发电路、保护电路等都有了更深刻的理解。在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。
通过这次课程设计，使我懂得了只有课堂知识是远远不够的，只有把所学的知识综合起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会对自己的将来有帮助。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。

21
参考文献

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