三相橋式全控整流電路課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　三相橋式全控整流電路</p><p>　　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SCR(可控硅)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應(yīng),否則輸出的電壓波動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微控制器來控制并在不

2、同的時刻發(fā)出不同的脈沖信號去控制6個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MCU處理后發(fā)出信號控制SCR的導(dǎo)通角的大小。 在本課題設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,我們使用KEIL-C開發(fā)軟件,C8051開發(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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電力電子，三相、整流</p><p><b>　　引言&l

3、t;/b></p><p>　　電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè),交通運(yùn)輸,空間技術(shù),國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域,進(jìn)入21世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛,因此對電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來越多電力電子應(yīng)用在國民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國家,經(jīng)過電力電子技術(shù)處理的電能已得到總電能的一半以上。</p><p><b>　　1 課程設(shè)計(jì)目的

4、</b></p><p>　　合理運(yùn)用所學(xué)知識，進(jìn)行電力電子電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，理解和掌握常用的電力電子電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，掌握元器件的選擇計(jì)算方法。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p>

5、<p>　　設(shè)計(jì)一個三相可控整流電路使其輸入電壓:三相交流380伏 .50赫茲.</p><p><b>　　輸出功率:2KW</b></p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　使其輸入電壓:三相交流380伏 .50赫茲.輸，出功率:2KW</p><p>

6、;<b>　　負(fù)載為阻感性負(fù)載</b></p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　3.1主電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1.1電路的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極

7、組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號如圖1示，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　帶電阻負(fù)載時的工作情況</p><p>　　晶閘管觸

8、發(fā)角α=0o時的情況：此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個導(dǎo)通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2所示。</p><p>　　α=0o時，各晶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應(yīng)關(guān)系看出，各自然

9、換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時也是線電壓的交點(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，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽極組導(dǎo)通時，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。將波形中的一個周期等分為6段，每段為60度，如圖2-18所示，每一段中導(dǎo)通的晶閘管及輸出整流電壓的情況

10、如下表所示。由該表可見，6個晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。</p><p>　　由圖得：6個晶閘管的脈沖按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組和陽極組依次差120o；同一相的上下兩個橋臂脈沖相差180o。 整流輸出電壓ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的

11、正常工作，需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。為此，可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60o，稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o～30o，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，

12、脈沖前沿不夠陡，對于晶閘管串聯(lián)使用不利，故采用雙脈沖觸發(fā)。α＝0o時晶閘管承受的電壓波形如圖所示。 </p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　圖中還給出了晶閘管VT1流過電流 iVT 的波形，由此波形可以看出，晶閘管一周期中有120o處于通態(tài)，240o處于斷態(tài)，由于負(fù)載為電阻，故晶閘管處于通態(tài)時的電流波形與相應(yīng)時段的ud波形相同。</

13、p><p>　　當(dāng)觸發(fā)角α改變時，電路的工作情況將發(fā)生變化。當(dāng)α=30o時。從ωt1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與α＝0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導(dǎo)通時刻推遲了30o,組成 ud 的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應(yīng)發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，該波形

14、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段的ud波形相同，但為負(fù)值。</p><p>　　當(dāng)α=60o時，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。α＝60o時ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)。</p><p>　　由以上分析可見，當(dāng)α≤60o時，ud波形

15、均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形的形狀是一樣的，也連續(xù)。</p><p>　　當(dāng)α＞60o時，如α＝90o時電阻負(fù)載情況下，此時ud波形每60o中有30o為零，這是因?yàn)殡娮柝?fù)載時 id 波形與ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流過晶閘管的電流即降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，因此ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。</p><p>　　如果繼續(xù)增大至120o，整流輸出電壓ud

16、波形將全為零，其平均值也為零，可見帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路α角的移相范圍是120o。 </p><p><b>　　阻感負(fù)載工作情況</b></p><p>　　三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動勢阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動），下面主要分析阻感負(fù)載時的情況，對于帶反電動勢阻感負(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。

17、</p><p>　　當(dāng)α≤60o時，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓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，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 id 波形與 ud 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖6為電路帶阻

18、感負(fù)載α=0o的波形。 </p><p>　　圖6中除給出ud波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流 iVT1 的波形，可與圖2帶電阻負(fù)載時的情況進(jìn)行比較。由波形圖可見，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。 </p><p>　　當(dāng)α＜60o時，阻感負(fù)載時的工作情況與電阻負(fù)載時不同，電阻負(fù)載時ud波形不會出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時，由于電感L

19、的作用，ud波形會出現(xiàn)負(fù)的部分。若電感L值足夠大，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，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90o。</p><p><b>　　3.1.2定量分析</b></p><p>　　在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出的波形在一周期內(nèi)脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時，只需對一個脈波（即1/6周期

20、）進(jìn)行計(jì)算即可。此外，以線電壓的過零點(diǎn)為時間坐標(biāo)的零點(diǎn)，于是可得當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)</p><p>　　載α≤60o時）的平均值為</p><p>　　電阻負(fù)載且α>60o時，整流電壓平均值為 </p><p>　　輸出電流平均值為Id = Ud/R。</p><p>　　當(dāng)整流變壓器為圖1中所示采用

21、星形聯(lián)結(jié)，帶阻感負(fù)載時，變壓器二次側(cè)電流波形如圖7中所示，為正負(fù)半周各寬120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值為 </p><p>　　晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。 </p><p>　　晶閘管的參數(shù)：（1）電壓額定：晶閘管在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓Utn=U2考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時所承受峰值電壓的2～3倍。即 U額=(2～3

22、)Utn 。 </p><p>　　根據(jù)要求，輸出功率為2kw，負(fù)載電阻為20歐姆，理想變壓器二次側(cè)電壓U2=200∨，所以晶閘管的額定電壓U額=(2～3)U2=(2～3)×200∨.</p><p>　　（2）電流額定：通態(tài)平均電流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考慮安全裕量，應(yīng)選用的通態(tài)平均電流為計(jì)算的（1.5～2）倍。

23、計(jì)算得IVT(AV)=7.36A.</p><p>　?。?）對于晶閘管我們選用可關(guān)斷晶閘管CTO。它是具有門極正信號觸發(fā)導(dǎo)通和門極負(fù)信號關(guān)斷的全控型電力電子器件。她既具有普通晶閘管耐壓高、電流大的特點(diǎn)，同時又具有GTR可關(guān)斷的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　?。?）總上述，我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。</p><p>　　正向阻斷電壓:100

24、0～1500Ⅴ,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.5～2.5正向觸發(fā)電流：200～800MA，反向關(guān)斷電流：6～10A，開通時間：<6us,m關(guān)斷時間:<10us,工作頻率：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/us,正管壓降2～4V關(guān)斷增益：</p><p>　?。?）整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電

25、壓往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。</p><p>　　我們假設(shè)變壓器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。</p><p>　　3.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 主電路的過電

26、壓保護(hù)</p><p>　　抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。</p><p>　　對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護(hù)。使用RC吸收電路，這種保護(hù)可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端

27、電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。電路圖如圖3</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　3.2.2 晶閘管的過電壓保護(hù)</p><p>　　晶閘管的過電壓能力較差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通

28、，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護(hù)措施。</p><p>　　對于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)，電路圖如圖4</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　3.2.3 晶閘管的過電流保護(hù)</p><p&

29、gt;　　常見的過電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，過電流繼電器保護(hù)，直流快速開關(guān)過電流保護(hù)。</p><p>　　快速熔斷器保護(hù)是最有效的保護(hù)措施；過電流繼電器保護(hù)中過電流繼電器開關(guān)時間長（只有在短路電流不大時才有用；直流快速開關(guān)過電流保護(hù)功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。</p><p>　　因此，最佳方案是用快速熔斷器保護(hù)。如圖5</p><p><b&g

30、t;　　圖5</b></p><p>　　4觸發(fā)電路與主電路的同步</p><p>　　所謂的同步，就是要求觸發(fā)脈沖和加于晶閘管的電源電壓之間必須保持頻率一致和相位固定。為實(shí)現(xiàn)這個，利用一個同步變壓器，將其一側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終保持一致的。再是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以

31、保證觸發(fā)電路相位正確。</p><p>　　5 各元件參數(shù)的計(jì)算與選擇</p><p><b>　　5.1參數(shù)的計(jì)算</b></p><p>　　晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.1～1.5倍。晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表3所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.1～1.5倍。&l

32、t;/p><p>　　由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。</p><p>　　對于主電路的保護(hù)，電容C=6I0%SФ/U2/U2,電阻R≥2.3 U2* U2</p><p>　　對于晶閘管的過電流保護(hù)，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作

33、電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。</p><p>　　由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。</p><p>　　對于主電路的保護(hù)，電容C=6I0%SФ/U2/U2,電阻R≥2.3 U2* U2</p><p>　　對于晶閘

34、管的過電流保護(hù)，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。</p><p><b>　　5.2 參數(shù)的選擇</b></p><p

35、>　　我們選用國產(chǎn)50A GTO。參數(shù)如下.選用電阻20歐姆。</p><p>　　正向阻斷電壓:1000～1500Ⅴ,受反壓，陽極可關(guān)斷電流：30、50A擎柱電流0.5～2.5正向觸發(fā)電流：200～800MA，反向關(guān)斷電流：6～10A，開通時間：<6us,m關(guān)斷時間:<10us,工作頻率：<3KHz,允許du/dt>500V/us,允許di/dt>100A/us,正管壓降2～

36、4V關(guān)斷增益：5.</p><p>　　整流變壓器的參數(shù)：很多情況下晶閘管整流裝置所要求的變流供電壓與電網(wǎng)電壓往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。</p><p>　　我們假設(shè)變壓器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以變壓器的匝數(shù)比為380/85.5=760/171.變壓器一、二次容量為S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。<

37、;/p><p>　　晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按下表所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般選晶閘管額定電壓1.1～1.5倍。</p><p>　　由題意用電容為0.2UF，電容耐壓為900)V;電阻為40歐姆。</p><p>　　對于主電路的保護(hù)，電容C=6I0%SФ/U2/U2,電阻R≥2.3 U2* U2</p><p>　　對于晶閘管的過電流保

38、護(hù)，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充以石英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們選用國產(chǎn)RLS系列的RLS-50快速熔斷器。</p><p><b>　　6 總電路圖</b></p><p><b

39、>　　結(jié)束語</b></p><p>　　首先，我學(xué)到了不少東西。是我開闊了眼界，本次課程設(shè)計(jì)完美結(jié)束。同時我也意識到到自己的不足，覺得應(yīng)該好好學(xué)習(xí)，努力增加自己的知識含量。在設(shè)計(jì)中，我感到自己平時下功夫太少，以至于書到用時方恨少。同時，我覺得，一次課程設(shè)計(jì)是我如此疲憊，所以應(yīng)該珍惜別人勞動成果。還要感謝教我的老師，沒有他們，我這次課程設(shè)計(jì)無法完成。總之以后要好好學(xué)習(xí)，更加努力的汲取知識。<

40、;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.王兆安，黃俊主編．電力電子技木．第四版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008年1月</p><p>　　2.鄭忠杰，吳作海編.電力電子變流技術(shù).第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988年7月</p><p>　　3.劉志剛主編.電力電子學(xué).第一版.北京：清華大學(xué)出

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43、lt;/p><p>　　8.System, Kluwer Academic Publishers, Boston, 1998</p><p>　　9. [PKUNDUR]P. Kundur, Power System Stability and Control.</p><p>　　10. [KUNDUR90]P. Kundur, G.J. Rogers, D.Y.

44、 Wong, L. Wang, and M. G. Lauby, “A Comprehensive Computer Program Package for Small Stability Analysis of Power Systems”, IEEE Transactions on Power System, Vol. 5, No. 4, pp. 1076-1083, Nov. 1990</p><p>&l

45、t;b>　　致謝</b></p><p>　　謝謝**老師的細(xì)心指導(dǎo)，謝謝組員的合作，通過這次試驗(yàn)，讓我知道要想做好每件事，都需要自己的努力，以及整個團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，謝謝我的同學(xué)的幫助，使我盡快的完成了我的課程設(shè)計(jì)。在這次課程設(shè)計(jì)中，我有了太多的感慨，從中也學(xué)到了挺多。</p><p>　　通過這么多天的課程設(shè)計(jì)，我收獲了太多，在設(shè)計(jì)過程中也發(fā)現(xiàn)了自己有許多的不足，在以后的生