三相全控整流电路设计

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1、目录第一章 系统总体方案设计 11.1 主电路原理分析 11.2 系统总体设计 2第二章 硬件设计 32.1 主电路 32.2 触发电路 32.3 KJ004 的工作原理 42.5 保护电路 5第三章 软件设计 8第四章 系统的调试和仿真 94.1 仿真参数设计 94.2 仿真结果 114.3 波形分析及输出电流和电压的平均值124.4 主要谐波分析 12第五章 总结 14参考文献15附录 16第一章 系统总体方案设计1.1 主电路原理分析晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中 与 a 、b 、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1 、VT3 、

2、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。编号如图示，晶闸管的导通顺序为VT1 VT2VT3VT4VT5VT6。VT( VT. VT5 d图1-1主电路原理图其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因 此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同 时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于n / 3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率 大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔n /3换相一次， 换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的

3、 编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极 组VT1, VT3, VT5的脉冲依次相差2n /3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4, VT3 和VT6, VT5和VT2的脉冲相差n，给分析带来了方便；当a =0时，输出电压Ud 一周 期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比 三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉 动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。a 0时，Ud的波形出现 缺口，随着a角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当a =2n

4、/3时，输出电 压为零，所以电阻性负载时，a的移相范围是O2n /3；当OWa Wn /3时，电流 连续，每个晶闸管导通2n /3；当n /3Wa W2n /3时，电流断续，个晶闸管导通小 于2n /3。23a =n /3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。带阻感负载时，三相 桥式全控整流电路的 a 角移相范围为 90。1.2 系统总体设计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

5、，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，带动负载。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。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时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供给负载。电源严三相桥式全控整流电路阻感负载触发信号保护电路2-1图触 发 电 路第二章 硬件设计2.1 主电路主电路为带阻感负载的三相桥式电路,如下图所示:2.2 触发电路触发脉冲的宽度应保

6、证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉 冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好 的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离晶闸管可控整流电路，通过控制触发角 a 的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输 出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的 时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、 中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应 用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成 化已逐渐普及，已逐步取代分立式

7、电路。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。 KJ004 组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。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 2.2 完整触发电路图2.3 KJ004 的工作原理如图 2-2 KJ004 的电路原理图所示，点划框内为 KJ004 的集成电路部分，它与

8、分立 元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。VIV4等组成同步环节，同步电压Us经限 流电阻R20加到VI、V2基极。在Us的正半周，VI导通，电流途径为（+15V R3VD1 -V1-地）；在 uS 负半周，V2、V3 导通，电流途径为（+15V R3VD2V3 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 |V0.7V 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 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

9、时，电流经（+15V R6 Cl 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

10、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 R25V6 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

11、通过二极管 VD7,经V9VII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V13V15放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004中稳压管VS6VS9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、VD6VD8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 VD1VD12 组成六个或门形成 六路脉冲，并由三极管VIV6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

12、同相的同步电 压。因此主变压器接成D，ynll及同步变压器也接成D，ynll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RP1RP3为锯齿波 斜率电位器，RP4RP6为同步相位。2.5 保护电路我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的副值抑制到 安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产 过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压 的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压

13、的能量的保护。使用 RC 吸收电路， 这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由 于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能 量，并抑制LC回路的震动。如图2-4所示。J图 2-4 RC 吸收电路(1)晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被 反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅 使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压， 常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，

14、我们使用阻容保护，电路图 如图 2-5图 2-5 阻容保护电路(2)晶闸管的过电流保护 在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电 路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护， 直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种： 桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法 虽然简单，但保护效果不好。过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长(约几百毫秒)只有在短路电流不大 时才有用。

15、限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。直流快速开关过电流保护功能很好， 但造价高，体积大，不宜采用。总结的结果：最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。图 2-63) 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2-7 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。Lr ff整涼电路1VDIVIVi巧 HZ Z Z半d冬2-7反向阻断式过电压抑制RC电路氏r?：（4）直流侧阻容保护电路 N匸LJ直流侧也可能发生过电压，在图2-8中，当快速熔断器熔断或直流快速H 开关切断时,