三相橋式全控整流電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告.docVIP

電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)題 目 院 系 專 業(yè) 姓 名 年 級(jí) 指導(dǎo)教師 年 月摘 要電子技術(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(guó)防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保,和億萬人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)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(duì)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(guó)民工業(yè)中,一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)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。 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(duì)應(yīng),否則輸出的電壓波動(dòng)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同的時(shí)刻發(fā)出不同的脈沖信號(hào)去控制6個(gè)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(hào)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。關(guān)鍵字：MCU ; SCR; 電力電子; 導(dǎo)通角; KEIL-C目 錄摘要21、原理及方案42、主電路的設(shè)計(jì)及器件選擇5 2.1 三相全控橋的工作原理5 2.2 參數(shù)計(jì)算73、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)103.1 集成觸發(fā)電路103.2 KJ004的工作原理103.3 集成觸發(fā)器電路圖114、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)134.1 晶閘管的保護(hù)電路134.2 交流側(cè)保護(hù)電路144.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路155、MATLAB 建模與仿真165.1 MATLAB建模165.2 MATLAB 仿真185.3 仿真結(jié)構(gòu)分析19課程設(shè)計(jì)體會(huì)211 原理及方案三相橋式全控整流電路系統(tǒng)通過變壓器與電網(wǎng)連接，經(jīng)過變壓器的耦合，晶閘管主電路得到一個(gè)合適的輸入電壓，使晶閘管在較大的功率因數(shù)下運(yùn)行。變流主電路和電網(wǎng)之間用變壓器隔離，還可以抑制由變流器進(jìn)入電網(wǎng)的諧波成分。保護(hù)電路采用RC過電壓抑制電路進(jìn)行過電壓保護(hù)，利用快速熔斷器進(jìn)行過電流保護(hù)。采用鋸齒波同步KJ004集成觸發(fā)電路，利用一個(gè)同步變壓器對(duì)觸發(fā)電路定相，保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，觸發(fā)晶閘管，使三相全控橋?qū)⒔涣髡鞒芍绷?，帶?dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為主電路、觸發(fā)電路、保護(hù)電路三個(gè)部分?？驁D中沒有表明保護(hù)電路。當(dāng)接通電源時(shí)，三相橋式全控整流電路主電路通電，同時(shí)通過同步電路連接的集成觸發(fā)電路也通電工作，形成觸發(fā)脈沖，使主電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通工作，經(jīng)過整流后的直流電通給直流電動(dòng)機(jī)，使之工作。電源三相橋式全控整流電路直流電動(dòng)機(jī)同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)模塊圖1-1 三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖2 主電路的設(shè)計(jì)及器件選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定負(fù)載為220V、305A的直流電機(jī)，采用三相整流電路，交流測(cè)由三相電源供電，設(shè)計(jì)要求選用三相橋式全控整流電路供電，主電路采用三相全控橋。2.1 三相全控橋的工作原理如圖2-1所示，為三相橋式全控帶阻感負(fù)載，根據(jù)要求要考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感與電樞電阻，故為阻感負(fù)載。習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管稱為共陽極組。共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)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(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。變壓器為型接法。變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)圖2-1 三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)（阻感）負(fù)載原理圖2.1.1 三相全控橋的工作特點(diǎn) 2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組 各1個(gè)，且不能為同1相器件。 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極 組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120。共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。 ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣, 故該電路為6脈波整流電路。 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。2.1.2 阻感負(fù)載時(shí)的波形分析三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載供電（即用于直流電機(jī)傳動(dòng)），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，因?yàn)閹Х措妱?dòng)勢(shì)阻感負(fù)載的情況，與帶阻感負(fù)載的情況基本相同。 當(dāng)60度時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)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(shí)，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(shí) ud 波形與 id 的波形形狀一樣。而阻感負(fù)載時(shí)，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(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。圖2-2和圖2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=0度和=30度的波形。 圖2-2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，可與帶電阻負(fù)載時(shí)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。 圖2-3中除給出ud波形和 id 波形外，還給出了變壓器二次側(cè)a相電流 ia 的波形，在此不做具體分析。 圖2-2 觸發(fā)角為0度時(shí)的波形圖 圖2-3 觸發(fā)角為30時(shí)的波形圖當(dāng)60度時(shí)，阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4給出了=90度時(shí)的波形。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。這說明，帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。圖2-4 觸發(fā)角為90時(shí)的波形圖2.2 參數(shù)計(jì)算2.2.1 整流變壓器的選擇由系統(tǒng)要求可知，整流變壓器一、二次線電壓分別為380V和220V，由變壓器為接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為： （公式1） 變比為： （公式2變壓器一次和二次側(cè)的相電流計(jì)算公式為： 公式3 公式4而在三相橋式全控中 公式5 公式6所以變壓器的容量分別如下：變壓器次級(jí)容量為： 公式7變壓器初級(jí)容量為： 公式8變壓器容量為： 公式9即：變壓器參數(shù)歸納如下：初級(jí)繞組三角形接法，；次級(jí)繞組星形接法，；容量選擇為9.46989kW。2.2.2 晶閘管的選擇 晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形（圖2-4）分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 公式10故橋臂的工作電壓幅值為： 公式11 考慮裕量，則額定電壓為： 公式12 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為： 公式13考慮裕量，故晶閘管的額定電流為：公式142.2.3 平波電抗器的選擇為了限制輸出電流脈動(dòng)和保證最小負(fù)載電流時(shí)電流連續(xù)，整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)，有： 公式15其中， （單位為mH）中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求：當(dāng)負(fù)載電流降至20A時(shí)電流仍連續(xù)。所以取20A。所以有： 公式163 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間需要觸發(fā)脈沖，常用的觸發(fā)電路有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利用KJ004構(gòu)成的集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路。3.1 集成觸發(fā)電路本系統(tǒng)中選擇模擬集成觸發(fā)電路KJ004，KJ004可控硅移相觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。KJ004電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。原理圖如下：圖3-1 KJ004的電路原理圖3.2 KJ004的工作原理如圖3-1 KJ004的電路原理圖所示，點(diǎn)劃框內(nèi)為KJ004的集成電路部分，它與分立元件的同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。V1V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2基極。在uS的正半周，V1導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD1V1地)；在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、負(fù)半周期間。V4基本上處于截止?fàn)顟B(tài)。只有在同步電壓|uS|0.7V時(shí)，V1V3截止，V4從電源十15V經(jīng)R3、R4取得基極電流才能導(dǎo)通。電容C1接在V5的基極和集電極之間，組成電容負(fù)反饋的鋸齒波發(fā)生器。在V4導(dǎo)通時(shí)，C1經(jīng)V4、VD3迅速放電。當(dāng)V4截止時(shí)，電流經(jīng)(+15VR6C1R22RP1(15V)對(duì)C1充電，形成線性增長(zhǎng)的鋸齒波，鋸齒波的斜率取決于流過R22、RP1的充電電流和電容C1的大小。根據(jù)V4導(dǎo)通的情況可知，在同步電壓正、負(fù)半周均有相同的鋸齒波產(chǎn)生，并且兩者有固定的相位關(guān)系。V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)。鋸齒波電壓uC5、偏移電壓Ub、移相控制電壓UC分別經(jīng)R24、R23、R26在V6基極上疊加。當(dāng)ube6+0.7V時(shí)，V6導(dǎo)通。設(shè)uC5、Ub為定值，改變UC，則改變了V6導(dǎo)通的時(shí)刻，從而調(diào)節(jié)脈沖的相位。V7等組成了脈沖形成環(huán)節(jié)。V7經(jīng)電阻R25獲得基極電流而導(dǎo)通，電容C2由電源+15V經(jīng)電阻R7、VD5、V7基射結(jié)充電。當(dāng) V6由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，C2所充電壓通過 V6成為 V7基極反向偏壓，使V7截止。此后C2經(jīng) （+15VR25V6地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓uc2+1.4V時(shí)，V7又恢復(fù)導(dǎo)通。這樣，在V7集電極就得到固定寬度的移相脈沖，其寬度由充電時(shí)間常數(shù)R25和C2決定。V8、V12為脈沖分選環(huán)節(jié)。在同步電壓一個(gè)周期內(nèi)，V7集電極輸出兩個(gè)相位差為180的脈沖。脈沖分選通過同步電壓的正負(fù)半周進(jìn)行。如在us正半周V1導(dǎo)通，V8截止，V12導(dǎo)通，V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)，V7正脈沖又通過二極管VD7，經(jīng)V9V11放大后輸出脈沖。在同步電壓負(fù)半周，情況剛好相反，V8導(dǎo)通，V12截止，V7正脈沖經(jīng) V13V15放大后輸出負(fù)相脈沖。說明：1) KJ004中穩(wěn)壓管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的門限電壓，從而提高了電路的抗干擾能力。二極管VD1、VD2、VD6VD8為隔離二極管。2) 采用KJ004元件組裝的六脈沖觸發(fā)電路，二極管VD1VD12組成六個(gè)或門形成六路脈沖，并由三極管V1V6進(jìn)行脈沖功率放大。3) 由于 V8、V12的脈沖分選作用，使得同步電壓在一周內(nèi)有兩個(gè)相位上相差 的脈沖產(chǎn)生，這樣，要獲得三相全控橋式整流電路脈沖，需要六個(gè)與主電路同相的同步電壓。因此主變壓器接成D，yn11及同步變壓器也接成D，yn11情況下，集成觸發(fā)電路的同步電壓uSa、uSb、uSc分別與同步變壓器的uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3為鋸齒波斜率電位器，RP4RP6為同步相位3.3 集成觸發(fā)器電路圖三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。6路雙脈沖模擬集成觸發(fā)電路圖如圖3-2所示：圖3-2 集成觸發(fā)電路圖4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了保護(hù)設(shè)備安全，必須設(shè)置保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過電流與過電流保護(hù)，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器等；另一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。本例中設(shè)計(jì)的三相橋式全控整流電路為大功率裝置，故考慮第一種保護(hù)方案，分別對(duì)晶閘管、交流側(cè)、直流側(cè)進(jìn)行保護(hù)設(shè)電路的設(shè)計(jì)。4.1 晶閘管的保護(hù)電路、晶閘管的過電流保護(hù)：過電流可分為過載和短路兩種情況，可采用多種保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管初開通時(shí)引起的較大的di/dt，可在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感進(jìn)行抑制；對(duì)于整流橋內(nèi)部原因引起的過流以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)可以采用接入快速熔短器進(jìn)行保護(hù)。如圖4-1所示：圖4-1串聯(lián)電感及熔斷器抑制回路、晶閘管的過電壓保護(hù)：晶閘管的過電壓保護(hù)主要考慮換相過電壓抑制。晶閘管元件在反向阻斷能力恢復(fù)前，將在反向電壓作用下流過相當(dāng)大的反向恢復(fù)電流。當(dāng)阻斷能力恢復(fù)時(shí)，因反向恢復(fù)電流很快截止，通過恢復(fù)電流的電感會(huì)因高電流變化率產(chǎn)生過電壓，即換相過電壓。為使元件免受換相過電壓的危害，一般在元件的兩端并聯(lián)RC電路。如圖4-2所示：圖4-2并聯(lián)RC電路阻容吸收回路4.2 交流側(cè)保護(hù)電路晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時(shí)設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進(jìn)行過電壓保護(hù)，可采用如圖4-3所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護(hù)電路。整流電路正常工作時(shí)，保護(hù)三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級(jí)電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護(hù)元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時(shí)，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量；過電壓消失后，電容經(jīng) 、 放電，將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量釋放，逐漸將電壓恢復(fù)到正常值。圖4-3反向阻斷式過電壓抑制RC電路4.3 直流側(cè)阻容保護(hù)電路直流側(cè)也可能發(fā)生過電壓，在圖4-4中，當(dāng)快速熔斷器熔斷或直流快速開關(guān)切斷時(shí)，因直流側(cè)電抗器釋放儲(chǔ)能，會(huì)在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側(cè)快速開關(guān)（或熔斷器）切斷負(fù)載電流時(shí)，變壓器釋放的儲(chǔ)能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側(cè)保護(hù)裝置能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)這種過電壓，仍會(huì)通過導(dǎo)通的晶閘管反饋到直流側(cè)來，為此，直流側(cè)也應(yīng)該設(shè)置過電壓保護(hù)，用于抑制過電壓。圖4-4 直流側(cè)阻容保護(hù)5 MATLAB 建模與仿真5.1 MATLAB建模 三相橋式全控整流器的建模、參數(shù)設(shè)置三相橋式全控整流器的建?？梢灾苯诱{(diào)用通用變換器橋（6-pulse thyristor）仿真模塊。參數(shù)設(shè)定如圖5-1所示：圖5-1 通用橋參數(shù)設(shè)置圖 同步電源與6脈沖觸發(fā)器的封裝同步電源與6脈沖觸發(fā)器模塊包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩個(gè)部分，6脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。具體步驟如下： 建立一個(gè)新的模型窗口，命名為TBCF； 打開相應(yīng)的模塊組，復(fù)制5個(gè)int1（系統(tǒng)輸入端口）、一個(gè)out1（系統(tǒng)輸出端口、3個(gè)voltage Measurement（電壓測(cè)量模塊）、1個(gè)6-Pulse Generator（脈沖觸發(fā)器）。按圖5-2連線。圖5-2 觸發(fā)器模塊連接圖 進(jìn)行封裝，封裝圖如圖5-3所示。圖5-3 封裝圖 三相橋式全控整流電路的建模、參數(shù)設(shè)置建立一個(gè)新的模型窗口，命名為ban2。將三相橋式全控整流器和同步6脈沖觸發(fā)器子系統(tǒng)復(fù)制到ban2模型窗口中。通過合適的連接，最后連接成如圖5-4所示的命名為修改版的三相橋式全控整流器電路仿真模型。相關(guān)參數(shù)說明：交流電壓源Ua、Ub、Uc等于U2為179.6V，頻率為50Hz，Ua相序?yàn)?度，Ub相序?yàn)?120度，Uc相序?yàn)?240度。RC中的參數(shù)為：R為1歐，L為0H，C為（1e-6）F。RL中的參數(shù)為：R的參數(shù)為0.721歐，L（平波電抗器）的參數(shù)為4.4mH。DC的參數(shù)為-