三相桥式可控整流电路.docx

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三相桥式可控整流电路

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：

职称副教授

专业：

自动化

班级：

完成时间：

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

Theapplicationofelectronictechnologyhasdeepintotheagriculturaleconomicconstruction,transportation,spacetechnology,nationaldefensemodernization,medical,environmentalprotection,andthedailylifeofpeopleinvariousfieldsofapplication,enteraftertwenty-firstCenturypowerelectronictechnologymorewidely,sotheresearchonpowerelectronictechnologyismoreimportant.Inrecentyears.Inrecentyearsmoreandmoreapplicationinthenationalpowerelectronicsindustry,someadvancedtechnologiesofthecountry,afterprocessingofelectricpowerelectronictechnologyhasbeenmorethanhalfthetotalenergy.Thispapermainlyintroducesthemaincircuitofthree-phasefullbridgecontrolledrectifiercircuitandtriggercircuitprincipleandcontrolcircuit,bythepowerfrequencythree-phasevoltage380Vbythestep-uptransformerbySCR（siliconcontrolledrectifier）andDCsupplyload.Butbecausethetechnologyrequirementsofhighpower,highcurrent,highvoltage,sothecontrolismorecomplex,especiallythetriggercircuitmustbeoneonecorrespondingvoltagefluctuation,otherwiseoutputhighandevenshortcircuitcauseequipmentdamage.ThecircuitiscomposedofchipC8051-F020microcontrollertocontrolandofthepulsesignalatdifferenttimestocontrol6SCR.Intheloadistakenfromtherectifiervoltage,loadcurrenttotheC8051-F020simulation,andthenprocessedbyMCUsendssignalstocontroltheSCRturn-onangle.Inthispaperthedesignanddevelopmentprocess,weuseKEIL-Csoftware,C8051systemandPROTEL-99,andfinallyrealizethecircuitdesign,andachievethedesiredeffect.

Keywords:

MCU;SCR;powerelectronics;conductionangle;KEIL-C

第1章三相桥式可控整流电路设计1

1.1三相桥式可控整流电路总体设计方案1

1.1.1．方案的选择1

1.1.2系统原理方框图2

1.2具体电路设计3

1.2.1主电路设计3

2.1三相全控桥的工作原理5

2.1.1三相全控桥的工作特点5

2.1.2阻感负载时的波形分析6

2.2参数计算7

2.2.1整流变压器的选择7

2.2.2晶闸管的选择8

2.2.3平波电抗器的选择9

第3章触发电路设计10

3.1集成触发电路10

3.3集成触发器电路图11

第4章保护电路的设计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

第5章MATLAB建模与仿真16

5.1MATLAB建模16

5.2MATLAB仿真18

5.3仿真结构分析20

参考书目22

致谢23

第1章三相桥式可控整流电路设计

1.1三相桥式可控整流电路总体设计方案

1.1.1．方案的选择

三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。

因为三相整流裝置三相平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，同时三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。

由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少，所以采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。

虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。

在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。

当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。

三相全控桥整流电路的输出电压脉动小、脉动频率高，和三相半波电路相比，在电源电压相同、控制角一样时，输出电压又提高了一倍。

又因为整流变压器二次绕组电流没有直流分量，不存在铁心被直流磁化问题，故绕组和铁心利用率高，所以被广泛应用在大功率直流电动机可调速系统，以及对整流的各项指标要求较高的整流装置上。

1.1.2系统原理方框图

图1.1系统原理方框图

整流电路主要由驱动电路、保护电路和整流主电路组成。

根据设计任务，在此设计中采用三相桥式可控整流电路接阻感性负载。

1.2具体电路设计

1.2.1主电路设计

三相桥式可控整流电路的原理

图1.2三相桥式可控整流电路

根据本次设计要求，采用负载为阻感的主电路图如下：

根据设计要求，输出电压Ud在0～220V连续可调。

根据三相桥式全控整流电路计算公式：

Ud=2.34U2cosα

当α=30时，使电压Ud有最大值Ud=2.34U2cos30=220V，从而得出U2=109V，可通过变压器获得。

当α=90时，使电压Ud有最小值Ud=2.34U2cos90=0V，从而实现输出电压Ud在0～220V连续可调。

整流输出电流最大值100A，Idmax=Umax/R=100A，所以R=220/100=2.2Ω。

综上可得触发角α取值为30～90。

下图为三相桥式整流电路带阻感负载α=30和90的波形图。

当a≤60，Ud波形连续，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：

由于负载不同，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。

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1.3三相桥式全控整流电路阻感负载30度的波形

当a>60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波形会出现负载带阻感负载时，三相全控桥式整流电路的角移相的范围是90。

图2.4三相全控桥式整流电路带阻感负载90度时的波形

第2章三相桥式全控整流电路设计

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

⑴2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。

⑶ud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：

（公式1）

变比为：

（公式2﹚

变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：

﹙公式3﹚

﹙公式4﹚

而在三相桥式全控中

﹙公式5﹚

﹙公式6﹚

所以变压器的容量分别如下：

变压器次级容量为：

﹙公式7﹚

变压器初级容量为：

﹙公式8﹚

变压器容量为：

﹙公式9﹚

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

﹙公式10﹚

故桥臂的工作电压幅值为：

﹙公式11﹚

考虑裕量，则额定电压为：

﹙公式12﹚

⑵晶闸管的额定电流

晶闸管电流的有效值为：

﹙公式13﹚

考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：

﹙公式14﹚

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：

﹙公式15﹚

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：

﹙公式16﹚

第3章触发电路设计

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3-1KJ004的电路原理图

3.2KJ004的工作原理

如图3-1KJ004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

第4章保护电路的设计

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。

当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高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切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。

另外，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

第5章MATLAB建模与仿真

5.1MATLAB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-pulsethyristor）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voltageMeasurement（电压测量模块）、1个6-PulseGenerator（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。