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1、三相半波整流电路一、引言 随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以 及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来， 直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流 电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制 同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良 好的动态特性。整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源
2、 供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波 的基础上进行分析。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在 时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速 系统领域内占重要位置
3、。国内三相半波可控整流电路技术不够熟练，设备不够先进。国外的 三相半波可控整流电路设备完善技术比较熟练。二、设计任务设计一三相半波整流电 路，直流电动机负载 ，电机技术数据如下：Unom=220V，Inom=308A，nnom=1000r/min，Ce=0.196V min/r，Ra=0.18。（1）方案设计。（2）完成主电路的原理分析，过主要元件的选择。（3）触发电路保护电路的设计。（4）利用MATLAB仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，对结果进行分析。（ 5 ）撰写设计说明书。三、设计方案选择及论证本文主要完成三相半波整流电路的设计，通过MATLAB软件的SIMULINK 模块建模并仿
4、真，进而得到仿真电压电流波形。分析采用三相半波整流电路反电动势负载电路，如图 1 所示。为了得到零线， 变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免 3次谐波流入电网。三 个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法, 这种接法触发电路有公共端，连线方便。图 1 三相半波整流电路共阴极接法反电动势负载原理图直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E。如果暂不考 虑电动机的电枢电感时，则只有当晶闸管导通相的变压器二次电压瞬时值大于反 电动势时才有电流输出。此时负载电流时断续的，这对整流电路和电动机负载的 工作都是不利的，实际应用中要尽量避免出现负载电
5、流断续的工作情况。四、总体电路设计2.1 主电路组成三相半波整流电路主要由变压器、半波整整流流晶闸管及各级保护电路组成。由于电网 电压通常与直流电机工作的正常电压，存在差别所以通常在整流变换是需要对电网电压进行 变压，此外为了减少整流电路的多次谐波，通常变压器需要三角形一Y接法，此外由于晶闸 管在整流工作过程中存在过电压、过电流快速关断、快速导通的过程，所以需要在主电路中 设置过电压、过电流以及缓冲电路，具体框图如下：五、各功能模块电路设计5.1 触发电路的设计如图5所示为触发电路。由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉 冲发生器芯片KJ041形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大
6、，即构成 完整的。触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。该电路可 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。图 5 三相半波整流电路触发电路5.2 保护电路的设计电力电子电路中保护电路包括过电压保护和过电流保护。过电压保护一般采用 RC 过电压抑制电路， RC 过电压抑制电路可接于供电 变压器的两端或电力电子电路的直流侧。-15Vu备bu至 至 至 至 至 至VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6过电流保护分为过载和短路两种情况，一般过电流保护措施常采用快速熔断 器、直流快速熔断器和电流继电器。在本设计的保护电路中对变压器一次侧和二 次侧分别加上
7、熔断器对其进行保护，对电机加上一个过载保护熔断器，如图 6所示。图 6 保护电路的设计由于三相半波整流电路中晶闸管需要在不同的时候导通，而且要保持与三相交流电频率 保持一致，所以需要具体设计触发晶闸管的导通脉冲。本设计中采用Kj004脉冲触发集成芯片实现，集成芯片具有可靠性高，技术性能好，体 积小，功耗低，调试方便等特点而受到广泛应用。其脉冲形成原理与分立元件的锯齿波移相 触发电路相似, 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 其内部原理图见图 3-3：+15V+15V图3-3 KJ004触发芯片内部原理图触发电路的定相问题，触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶
8、闸管的交流电压 保持固定、正确的相位关系其具体措施如下：(1) 同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致(2) 触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系(3) 同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240。，上升段起始的30。和终了的30。线性度不好，舍去不用，使用中间的180。(4) 使Ud=0的触发角a为90。当a90。时为逆变工作(5) 将a =90。确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。于是a=90。与同步电压的300对应，也就是a=0。与同步电压的210对应。由图2-58及2.2节关于三相桥的介绍可知，a =0对应于-的
9、30的位置，则同步信 a号的180与u的0。对应。a 变压器接法：主电路整流变压器为D,y-ll联结，同步变压器为D,y-ll,5联结 具体外部电路实现见电路原理图部分。3.3 保护电路的设计3.3.1 过电压保护电路设计电力电子装置在实际工作中，由于工作环境的影响，可能存在过电压过电流运行的情况， 所以我们在设计电路中要先考虑到这些因素并采取一定防御措施，一般情况下可能的过电压 分为外因过电压和内因过电压。外因过电压(1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2) 雷击过电压内因过电压(1)换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流
10、过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器 件两端感应出的过电压，对于晶闸管来说由于晶闸管的关断是考电网电压变化关断的所以不存在关断过电压。外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见下图3-4, RC 过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧(供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧)， 或电力电子电路的直流侧。对于大容量电力电子装置可采用图4-5所示的反向阻断式RC电路，本设计电路中考虑 到直流电机工作电压较高，电流较大所以采用反向阻断式RC过电压保护电路。其工作原理为保护电路
11、中，RC电路对于电网电压有一定的钳位作用，使得电网中电压 不至于发生剧烈变化，当电网电压发生大的变化是,电容的满充电效应会阻止电网电压变化, 从而起到一直电网电压冲击的作用，但是电网电压长期较高时，电容充放电不足以抵消电网 电压变化作用，从而失去保护效能。侧 网+侧 流 直侧II1 R C !de de +图)3-4过电压抑制RC电路电力电子装置C亠2过电压抑制电路 丁图3-5过电压抑制电路图 1-353.3.2过电流保护电路设计图 1-36当电力电子装置所在电路发生短路或电机等负载出现过载时，就会出现过流现象。常用 措施是采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器，通常情况下同时采用几种过
12、电流 保护措施，提高可靠性和合理性，电力电子装置相对于其他电路装置更为脆弱，所以电子电 路通常作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电 子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，选择快熔时应考虑如下因素:(1) 电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定(2) 电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定(3) 快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值(4) 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性电机工作中通常只会出现过载现象，本设计中采用熔断器保护，分别在电网侧和直
13、流侧 设置过流保护熔断器，实现过流保护。具体电路见附录中总电路图部分。3.3.3缓冲电路的设计电力电子装置，由于频繁开通或关断，因而会产生开通或关断的瞬间电压电流变化，这 一过程通常会导致电力电子器件的老化或损坏,所以要设置缓冲电路，缓冲电路（吸收电路）: 是用来抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和，减小器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲和开通缓冲，其中：关断缓冲电路（抑制电路）一一吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt,减小关 断损耗开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通 损耗通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做d
14、i/dt抑制电路。对于三相半波整流 电路，只需考虑开通缓冲电路即可。具体设计为在晶闸管两端并联一个RC支路，抑制晶闸管开通瞬间的du/dt作用。在整 流电路中加入LRD并联支路来抑制开通过程中的di/dt。电路如图 图3-6 du/dt抑制电路图3-7 di/dt抑制电路图3-7 di/dt抑制电路图3-6 du/dt抑制电路4仿真实现本设计电路中几乎所有元件都可以在MATLAB找到原型，但那是由于直流电机所需参 数很多，而设计要求中所给条件，无法具体确定直流电机的所有参数，所以无法用直流电机 直接仿真。但是在各种电路书中我们了解到，电机实际上可由带有电压源的电感和电阻代替， 所以仿真部分我们把直流电机负载等效为电压源、电阻和电感的串联。另外由于没有三相晶闸管的触发电路仿真模型，所以需要用脉冲发生器代替晶闸管的脉 冲触发电路仿真电路图见图4-1图4-1仿真原理图L岂畠出呂5O1K一長 Mrr4七后cnHHA卷品4务1猛需黑卷音0LSS1-lz丄.U一S1SUJ 出誌SW 呂尊A口sEuns旻博艺a崖巴nVoltageJ1Voltage1 farrrm-乜die岂ay令一a自厂自(吕一JSAOM匕2巨畧UE195餐也匸巨姜吕STMnuqusau 吕刍13_M空匕吕申asWA JT 丿甲 巻层博OAy4.1脉冲波形仿真分析
