锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路.docx

锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路.docx

《锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路

第一章设计任务

1.1设计目的：

1：

进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；

2：

重点理解移相电路的功能、结构、工作原理；

3：

理解同步变压器的功能。

1.2设计要求：

1：

根据课题正确选择电路形式；

2：

绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；

3：

详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；

4：

编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；

1.3设计参数：

输入：

三相交流电压380V，50Hz

输出：

直流220V，I<120A

移相控制电压：

-15V～15V。

移相范围：

0°～90°。

输入控制电压：

0-15V。

脉冲封锁信号：

5V。

整机功耗：

＜=15W

使用环境：

环境温度0-60℃；

在电位器控制下，实现电机的调速。

第二章

2.1方案论证

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。

在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1—2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。

另外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。

而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。

在本电路中的电机的功率为25KW，因此，采用三相桥式全控整流电路来实现。

由上述要求可以选择的电路是：

1.利用三相的低压变压器接入三相晶闸管全控整流电路电路。

2.触发电路由锯齿波移相触发。

3.负载电路为三相电机组成

4.电路的保护电路。

5.系统给定信号电路。

6.由以上电路组合就可以实现设计的要求。

第三章电路的设计及确定

3.1三相晶闸管全控整流电路

由本方案可知，三相晶闸管全控整流电路的负载是电机。

因此，三相晶闸管全控整流电路带的负载是阻感性负载，其电路结构图如图3-1。

图3-1三相桥式全控整流电路

由图3-1可分析电路得：

三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波整流电路（共阴极的晶闸管依次为T1、T3、T5）各一组共阳接法的三相半波相控整流电路（共阳极组的晶闸管依次为T6、T4、T2）串联组成的。

为了分析方便，把交流电源的一具周期由六个自然换流点划分为六段，共阳极组的自然换流点（α=0°）在ωt1、ωt3、ωt5、时刻，分别触发T1、T3、T5晶闸管，同理可知共阳极组的自然换流点（α=0°）在ωt2、ωt4、ωt6时刻，分别触发T2、T4、T6晶闸管。

晶闸管的导通顺序为T1→T2→T3→T4→T5→T6。

并假设在t=0时电路已经在工作，即T5、T6同时导通，电流波形已经形成。

由于是电机负载,因此有ωL>>Rd。

三相桥式相控整流电路带大电感负载α=0°时情况如图3-2所示。

图3-2三相桥式相控整流电路带大电感负载α=0°时情况

图中3-2为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在α=0°时的电流,电压波形。

在ωt1～ωt2期间，A相的电压为正最大值，ωt1时刻触发T1，则T1导通，T5截止，此时变成T1和T6同时导通，电流从A相流出，经T1、负载、T6流回B相，负载上得到的A、B线电压uAB。

在ωt2～ωt3期间，C相的电压变为负最大值，A相电压仍保持最大值，ωt2时刻触发T2导通，T6截止，此时，T1和T2同时导通，负载上得到A、C线电压uAC。

在ωt3～ωt4期间，B相电压变为正最大值，C相保持负最大值，ωt3时刻触发T3，则T3导通，T1截止，此时T2的T3同时导通，负载上得到的uBC。

在ωt4～ωt5期间，B相电压变为正最大值，A相保持负最大值，ωt3时刻触发T4，则T4导通，T2截止，此时T3的T4同时导通，负载上得到的uBA。

在ωt5～ωt6期间，C相电压变为正最大值，A相保持负最大值，ωt4时刻触发T5，则T5导通，T3截止，此时T4的T5同时导通，负载上得到的uCA。

在ωt6～ωt7期间，C相电压变为正最大值，B相保持负最大值，ωt6时刻触发T6，则T6导通，T4截止，此时T5的T6同时导通，负载上得到的uCB。

在ωt7～ωt8起，又重复从ωt1～ωt2开始的这一过程。

在一个周期内负载上得到的如图3-2所示的整流输出电压波形，这是线电压的波的正半部分的包络线，其基波频率为300Hz，脉到较小。

不得当α>0°时，输出的电压波形发生变化，图3-3为α=30°的波形。

图3-4为α=90°的波形。

可见，当α≤60°时，ud波形均为正值；当成60°<α<90°时，由于电感的作用，ud波形出现负值，但正面积大于负面积，平均电压Ud仍为正值；当α=90°时，正负面积相等，Ud≈0。

图3-3三相桥式相控整流电路带大电感负载α=30°时情况

图3-4三相桥式相控整流电路带大电感负载α=90°时情况

t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成区别在于：

晶闸管起始导

通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30。

变压器二次侧电流ia波形的特点：

在VT1处于通态的120期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。

a≤60时

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。

通过以上分析可知，在0°≤α≤90°范围内负载电流连续，负载上承受的是线电压，设其表达式为uAB超前于相电压uA30°设其表达式为uAB=

×

U2

而线电压

uAB超前于相电压uA300，在

内积分，上、下限为

和

因此当控制角为

时，整流输出的电压平均值为

当

=0时，Ud为最大值；当

时，Ud为最小值，因此三相全控桥式整流电路带大电感负载的移相范围为

。

负载电流平均值为

三相全控桥式整电路中，日闸管换流只在本组内进行，每隔

换流一次，即在电流连续的情况下，每个晶闸管为导通角

。

困此流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为

整流变压器二次侧正、负半周内均有电流流过，每半周期内流通角为

，故变压器二次电流有效值为

晶闸管承受的最大电压为

3.2晶闸管相控电路的驱动控制

对于相控电路这样使用晶闸定的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触目惊心发控制。

提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。

它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。

晶闸管相位整流电路，通过控制触发角α的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸施加有效的触发脉冲。

正确设计选择与使用触发电路，可以充分发挥晶闸管及其装置的潜力。

保证安全可靠地运行。

3.2.1触发电路设计要求

晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号，应用电路对触发信号都会有不同的要求。

但是，归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发，过零触发和脉冲调制触发等。

不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：

（1）、触发信号为直流、交流或脉冲电压，由于晶闸管导通后，门极触发集中即失去了控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。

触发集中应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

触发信号功率大小是晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。

由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，且随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压、电流值，并有一定的裕量。

（2）、触发脉冲应有一定的宽度，脉搏冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发信号导通后，阳极电流能迅速上升超过了掣住电流而维持导通。

普通晶闸管的导通时间约法为6US，故触发电路的宽度至少应有6us以上，对于电感性负载，由于电感会抑制电流的上升，触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5ms至1ms，此外，某些具体的电路对触发脉冲宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要大于60°或采用双窄脉冲。

（3）、为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，强触发脉冲的电流波形如图3-5所示，强触发电流的幅值igm可达到最大触发电流的5倍。

前沿t1约为几us。

图3-5强触发电流波形

（4）、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲称相范围必须满足电路要求。

为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同控制角α触发导通，这就要求脉冲的频率必须与阳极电压同步。

同时，不同的电路或者相同的电路在不同的负载、不同的用途时，要求的α变化的范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须满足实际的需要。

同步信号为锯齿波的触发电路，其结构组成如图3-6所示。

图3-6锯齿波的触发电路

同步信号为锯齿波的触发电路如图3-6所示。

输出可以为双窄脉冲。

也可以为单窄脉冲，它由脉冲形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节、强触发和双窄脉冲形成环节等部分组成。

3.2.2锯齿波形成、同步移相环节

锯齿波形成电路由T1、T2、T3和C2等元件组成。

其中T1、Dz、RP2和R3为一个理想电流源电路。

T2截止时，理想电流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端电压UC为:

UC按线性增长，即T3的基极电位UB3线性增长。

当T2导通时，由于R4阻值很小，所以形成C2迅速放电，使UB3电位迅速降为零。

当T2周期性地导通和截止时，UB3便形成了一个锯齿波，同样UE3也是一具锯齿波电压，如图3-7所示。

图3-7锯齿波形成电路相关波形图

射极跟随器T3的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压UB3的影响。

调节电位器RP2，即改变C2的恒定充电电流I1C，可调节锯齿波斜率。

T4基极电位由锯齿波电压UH，控制电压UCO、直流偏移电压UP，三者共同决定。

如果U∞=0，UP为负值时，UB4点的的波形由UH+UP确定，当U∞为正值时，UB4点的波形由UH+UP+CO确定。

UB4电压等于0.7V后，T4导通，T4由经过M点时使电路输出脉冲。

之后，UB4一直被钳制在0.7V。

M点是T4截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。

因此，当UP为某固定值时，改变UCO就可以改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。

可见，加UP的目的是为了确定控制电压U∞=0时脉冲的初始相位。

对于三相全控感性负载且电流连续时，脉冲初始相位应定在α=90°。

如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为180°（主要是考虑αminβ和min，实际一般为120°），由于锯齿波形两面三刀端的非线性，因此要求锯齿波的宽度大于180°（例如240°）。

此时令U∞=0调节，UP的大小使产生脉冲的M点移到锯齿波的240°的中央（120°），对应于α=90°的位置，如U∞为正值，M点就向前移，控制角α<90°，晶闸管电路处于整流工作状态；如U∞为负值，M点就向后移，控制角α>90°，晶闸管电路处于逆变状态

3.2.3脉冲形成环节

T4、T5组成脉冲环节，T7、T8组成脉冲放大镜电路，控制电压U∞加在T4基极上，U∞=0是，T4截止，T5饱合导通，T7、T8处截止状态，脉冲变压器TP二次侧无脉冲输出，电容C3充电、充满后电容两端电压接近2U（30V）。

当U∞=0.7V时，T4导通，A点电位由+UC（+15V），下降到1。

0V左右，由于C3两端的电压不能突变，T5基极电位迅速降到-2UC（-30V），T5立即截止。

T5集电极电压由-UC（-15V）上升钳位电压+2.1VTP二次侧输出触发脉冲。

与此同时，电容C3经+15V、R11、D4、放电和反向充电，使T5基极电位上升，直到UB5>-Uc（-15V）,T5又重新导通，使T7、T8截止，输出脉冲终止。

输出脉冲前沿由T4导通时刻确定，脉冲宽度反向充电回路时间常数R11C3有关。

3.2.4同步电路

同步就是要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。

锯齿波是由开关管T2来控制，T2由导通的、变截止期间产生的锯齿波，T2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，T2开关的频率就是锯齿波的频率。

现步环节是由同步变压器TB和作同步开关用的开关用的晶体管T2组成，同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器二次电压来控制它的通、断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

同步变压器TB二次电压UTB经二极管D1间接加在T2的基极上。

当二次电压波形在负半周的下降时，D1导通，电容C1被迅速充电，因O点接地为零电位，R点负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段T2基极为反向偏置而截止。

在负半周的上升段，+15V电源通过，R1给电容C1反向充电，UQ为电容反向充电波形，其上升速度比UTB波形慢，故D1截止。

当Q点电位达1.4V时，T2导通，Q点的电位被钳制在1.4V，直到TB二次电压的下一个负半周到来时，D1重新导通，C1迅速放电后又被充电，T2截止，如此周而复始，在一个正弦波周期内，T2包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期。

与主电路电源频率和相位完全同步，、达到同步的目的。

可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段，开始时刻到达1.4V的时间越长，T2的截止时间就越长，锯齿波就越宽。

锯齿宽度是由充电时间常数R1C1决定的，可达240°。

3.2.5双窄脉冲形成环节

产生双脉冲的方法有两种，一种是每个触发电路在每个周期里只产生一个脉冲，脉冲输出电路同时触发两个桥臂的晶闸管，这秒为外双脉冲触发。

另一种方案是每个触发电路在一个周期内连续发了两个相隔60°的窄脉冲，脉冲输出电路只触发一个晶闸管，这称为内双脉冲触发。

内双脉冲触发是日前应用最多的一种触发方式，图3-6所示，的触发电路在一个周期内输出两个间隔60°的脉冲，称为内双脉冲电路。

T5、T6构成或门。

当成T5、T6都导通时T7、T8截止，没有脉冲输出。

只在T5、T6中有一个截止，都会使T7、T8导通，。

有脉冲输出。

所以只要用适当失信号来控制T5、T6截止（前后相隔60°），就可以产生符合要求的双脉冲，其中，第一个脉冲由本相触发单元的UCO对应的控制角α所产生使T4由截止变为导通，T5瞬时截止，于是T8输出脉冲。

相隔60°的第二个脉冲是由滞后60°相闰的后一相触发单元产生（通过T6），在其生成第一个时刻将其信号引至本相触发单元的基极。

使T6瞬时截止，于是本相触发单元的T8管以导通，以二次输出一个脉冲因而得到间隔60°的双脉冲，其中，D4和R17的作用要是防止双脉冲信号互相干扰。

在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为T1→T2→T3→T4→T5→T6，彼此间隔60°。

本相触发电路脉冲时X端发出信号给相邻前相触发电路Y端，使前相触发电路补发一个脉冲，其触发电路中双脉冲环节的接线方式如图3-8所示。

注意图中还有强触发环节通过强触发电路脉冲变压器TP一次侧电压UTP如图3-8所示，晶闸管采用强触发缩短开通时间。

提高管子的承受电流上升率的能力。

3.3负载电路及保护电路

3.3.1负载电路

负载电路为直流电机负载，其原理图3-9所示。

此电路中为电机的控制电路,有由KM接触哭器来控制电机的通断,其中SB1为停止按纽,而SB2为启动按纽.电路中有通电指示信号灯L1,有运行信号灯L2,以便操作人员操作和检修，中有过压保护,和过流保护,还有短路保护,过载保护。

3.3.2晶闸管的保护电路

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、压敏电阻或硒堆等。

再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。

1.晶闸管的过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:

一类是由于整流电路内部原因,如整流晶闸管损坏,触发电路或控制系统有故障等;其中整流桥晶闸管损坏类较为严重,一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥,逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。

另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。

A：

对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。

如图3-10.

图3-10快速熔短器

B：

对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。

常见的电子保护原理图图3-11如下:

图

图3-11过流保护原理图

2.晶闸管的过压保护

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。

（1）.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。

见图3-12。

图3-12R-C阻容吸收回

（2）.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护，常见的电子保护原理图如，图3-13.图3-13过电压保护电路

第四章系统总体简图

系统整体电气图如图3-14所示，其中1CF、2CF、3CF、4CF、5CF、6CF为晶闸管触发电路，其具体电路如图3-15所示。

因6个相同，在这只列出一个。

第五章电路元件的选择

首先选择电路的负载：

本电路的负载电机选择的为25KW，额定电压为220V，额定电流为116A的直流电机。

本电路中的相总变压器为SL-50/10变压器它的容量为：

50KVA.

其中触发电路中的的电压来自三相整流电路中的电压的分压而产生的，因此电路中有多处分压器的使用。

电路中重点是选择晶闸管的型号

三相整流电路的电流电压可以确定晶闸管的型号：

由于电机的额定电压为220V，所以三相整流电压不能超过220V由公式可得

Ud=2.34U2

=220V

所以触发角只能是在0°～

之间来选择。

负载的平均电流最大值也就是电机的额定电流IN=116A。

因此流过晶闸管的电流平均值最大值为Idt=1/3Id=38A

电流的有效值最大值为It=0.577Id=66.9A

选择晶闸管还应考虑2倍的裕量所以:

晶闸管的电压为2

U2=983V

电流选择为IAV=2

=85A

综上所述:

选择的晶闸管应为KP150-2的型号。

在触发电路中：

前面已经讲到利用分压器来获得，在此电路中为低压电子线路，其它元件的选择只要选择一般的元件就可以。

在负载电路中：

选择220V直流接触继电器，过电流继电器选用150A，过电压继电器选用300V。

第六章使用说明及注意事项

1．本电路是属于大功率的整流电路，因此在使用时，必须注意安全执照一定的操作规程去操作。

首先，操作人员必须懂得一此基本的电路原理，以防发生不必要的意外。

2．在通电之前要仔细检查各部分的电路连接是否接触良好，否则必须检修好，才能进行通电工作。

在触发电路中，必须扫可变电阻的阻值打到最大，以防止触发角太大对电机产生大电压。

检查好一切之后，就可以接入电网中，进行工作。

在变压器通电后，先把开关SQ闭合，此时，红灯L2亮，表示电路正常，可以进行下一步的操作，否则可以调整RP2把触发角的角度调大，以增加输出电压。

下一步操作是把按下启动按纽SB2此时，电机会低速启动，同时运行指示灯L1亮。

待电机完全启动后，可以调节RP2来调节触发角的大小，从而改变输出电压来改变电机的转速，达到调速的目的。

如果需要停机则可以按下按纽SB1切断电路。

若电机不用，必须把电源电路也要断开，包括断开SQ，和电源电路上的断路器等。

注意事项：

3．本电路是大功率的电机拖动设备，操作不员必须要有高度的安全意识，严格按照操作规程来操作，不在麻痹大意。

本电机的额定电压是220V，因此触发角在的范围必须控制在0°～90°之间。

4．要注意整流电路的散热，因为在整流过程中晶闸管会产生大量的热量，必须具有良好的散热环境，保护晶闸管的安全工作及寿命。

第七章心得体会

设计完了，第一感觉：

让我获益非浅。

经过一段时间的努力我的设计做完了，感觉学到了很多书本上没有的东西。

不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识，这样实践与理论相结合就可以快而好的掌握知识，理解知识。

在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，因为还是第一次做电力电子课程设计，图书馆的资料很有限，所以一般通过网上查阅和向学长们请教了。

通过电子线路课程设计，我了解了电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，能用Portel等软件绘制PCB图，掌握了电子电路调试的方法，能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题，能正确选用元器件与材料，能对所设计电路的指标和性能进行测试并提出改进意见，能查阅各种有关手册和正确编写设计报告。

由于这次的课程设计是多个人作一个课题，所以我是采用以自学为主的学习方法。

在学完《电力电子技术》课程之后，我已经具有了一定的理论基础，实践技能和自学能力。

在复习和课程设计任务有关的单元电路，理清头绪，按照电子电路的一般设计步骤进行设计。

虽然做有点困难，途中不知碰到了多少难题，由于是我们讨论自己解决的，所以在解决这些实际难题中得到了很大的提高。

八.鸣谢

湖南工学院电气与信息系指导肖文英老师

http//：

WWW所提供的各种资料

湖南工学院图书馆提供的相关资料

本组的成员的大力合作

11.参考文献

[4]康华光.电子技术基础（第四版）.北京：

高等教育出版社，1999

[2]谢字美电子线路设计.实验.测试.华中科技大学出版社

[3]浣喜明、姚为正《电力电子技术》高等教育出版社2004