三相橋式全控整流電路修改版 - 副本

1、第1章設計分析1.1 整流電路的論證與選擇我們知道,三相整流器的電路形式是各種各樣的,整流的結(jié)構(gòu)也是比較多的。因此在做設計之前我們主要考慮了以下幾種方案:三相半波可控整流電路;電路簡圖1.1如下: 圖1.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路只用三個晶閘管,接線簡單,與單相電路比較,其輸出電壓脈動小、輸出功率大、三相負載平衡。但是整流變壓器二次繞組在一個周期內(nèi)只有三分之一時間過電流,變壓器利用率低。另外變壓器每一個二次繞組中電流是單方向的,其直流分量在磁路中產(chǎn)生直流不平衡磁動勢,會引起附加損耗。如不用變壓器,則中性電流較大,同時交流側(cè)的直流電流分量會造成電網(wǎng)的附加損耗。三相橋式全控整流電路

2、:電路簡圖1.2如下: 圖1.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路應用最為廣泛,它是由兩個三相半波整流電路發(fā)展而來的,如圖1.2所示,其中一組三相半波整流電路為共陰極連接,一組為共陽極連接。如果兩組負載完全相同且觸發(fā)角一樣,則負載電流 Id1、Id2 相等,電路零線中無電流流過,如果將零線去掉,并不影響電路的工作,就成為三相橋式全控整流電路根據(jù)以上比較分析我最后選擇三相橋式全控整流電路。1.2 設計的主要原理設計的原理框圖如圖1.3所示: 圖1.3三相橋式全控整流電路框圖其工作原理是輸入三相電源,通過三相橋式整流電路將它轉(zhuǎn)化為直流電為直流負載提供能量。其中橋式整流電路由觸發(fā)模塊提供觸發(fā)信

3、號,通過控制觸發(fā)信號就可以控制直流電源的輸出。為了保證電路能安全的工作,加入了保護電路模塊。第2章主電路設計2.1 主電路設計及原理其原理圖如圖2.1所示。 圖2.1 三相橋式全控整理電路原理圖習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管(VT1、VT3、 VT5稱為共陰極組;陽極連接在一起的3個晶閘管(VT4、VT6、VT2稱為共陽極組。此外,習慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?為此將晶閘管按圖示的順序編號,即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5,共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知,按此編號,晶閘管的導

4、通順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。整流電路的負載為帶反電動勢的阻感負載。假設將電路中的晶閘管換作二極管,這種情況也就相當于晶閘管觸發(fā)角=0o時的情況。此時,對于共陰極組的3個晶閘管,陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管,則是陰極所接交流電壓值最低(或者說負得最多的一個導通。這樣,任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài),施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2.2所示。 圖2.2 =0o時波形=0o時,各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出,各自然換相點既是相電壓的交點,同時也是

5、線電壓的交點。在分析ud的波形時,既可從相電壓波形分析,也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看,以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點,共陰極組晶閘管導通時,整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡線;共陽極組導通時,整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線,總的整流輸出電壓ud = ud1-ud2是兩條包絡線間的差值,將其對應到線電壓波形上,即為線電壓在正半周的包絡線。直接從線電壓波形看,由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大(正得最多的相電壓,而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最小(負得最多的相電壓,輸出整流電壓 ud 為這兩個相電壓相減,是線電壓中最大的一個,因此輸出整流電壓ud 波形為

6、線電壓在正半周的包絡線。由于負載端接得有電感且電感的阻值趨于無窮大,電感對電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時,在其兩端產(chǎn)生感應電動勢Li ,它的極性事阻止電流變化的。當電流增加時,它的極性阻止電流增加,當電流減小時,它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直,電感無窮大時趨于一條平直的直線。圖2.3給出了=30o 時的波形。從t1角開始把一個周期等分為6段,每段為60o 與=0o 時的情況相比,一周期中ud 波形仍由6段線電壓構(gòu)成,每一段中導通的晶閘管及輸出整流電壓的情況如表3.1所示。由該表可見,6個晶閘管的導通順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT

7、6。表2.1 三相橋式全控整流電路電阻負載=0o 時晶閘管工作情況圖2.3給出了=30o 時的波形。從t1角開始把一個周期等分為6段,每段為60o 與=0o 時的情況相比,一周期中ud 波形仍由6段線電壓時 段 共陰極組中 導通的晶閘管 VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中 導通的晶閘管 VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub =uabua-uc =uacub- uc =ubcub- ua =ubauc- ua =ucauc-ub =ucb構(gòu)成,每一段導通晶閘管的編號等仍符合表3.1的規(guī)律。區(qū)別在于,晶閘管起始導通時刻推遲了30o,組成ud的每一段線電壓因此推

8、遲30o,ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流ia的波形,該波形的特點是,在VT1處于通態(tài)的120o 期間,ia為正,由于大電感的作用,ia波形的形狀近似為一條直線,在VT4處于通態(tài)的120o期間,ia波形的形狀也近似為一條直線,但為負值。 圖2.3 =30o時的波形由以上分析可見,當60o時,ud波形均連續(xù),對于帶大電感的反電動勢,id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當> 60o時,如=90o時電阻負載情況下的工作波形如圖3.5所示,ud平均值繼續(xù)降低,由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻,使得ud的值出現(xiàn)負值,當電感足夠

9、大時,ud中正負面積基本相等,ud平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的角的移相范圍為90度。 圖2.4 =60o時的波形 圖2.5 =90o 時的波形2.2 主電路參數(shù)計算由系統(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Y -接法可知變壓器二次側(cè)相電壓為:V V U 12732202=變比為:0.312738021=變壓器一次和二次側(cè)的相電流計算公式為:KI K I dI 11=而在三相橋式全控中816.03221=所以變壓器的容量分別如下: 變壓器次級容量為:變壓器初級容量為:變壓器容量為:221S S S +=即:(kWS 4698

10、9.92變壓器參數(shù)歸納如下:初級繞組三角形接法V U 3801=,A I 96.821=;次級繞組星形接法,V U 1272=,A I 88.2482=;容量選擇為9.46989kW 。 晶閘管的額定電壓晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值故橋臂的工作電壓幅值為:考慮裕量,則額定電壓為: 晶閘管的額定電流晶閘管電流的有效值為:A I I d VT 4.3463600考慮裕量,故晶閘管的額定電流為:為了限制輸出電流脈動和保證最小負載電流時電流連續(xù),整流器電路中常要串聯(lián)平波電抗器。對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載系統(tǒng),有:min 2其中, (單位為mH 中包括整流變壓器的漏電感、

11、電樞電感和平波電抗器的電感。由題目要求:當負載電流降至20A 時電流仍連續(xù)。所以有:第3章控制電路的設計3.1 觸發(fā)電路的選擇晶閘管具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性:1當晶閘管承受反向電壓時,無論門極是否有觸發(fā)電流,晶閘管都不會導通。2晶閘管承受正向陽極電壓時,僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。3晶閘管在導通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,不論門極電壓如何變化,晶閘管都保持導通,即晶閘管導通后,門極失去作用。4晶閘管在導通情況下,當主回路電壓(或電流減

12、小到接近于零時,晶閘管關斷。根據(jù)晶閘管的這種特性,通過控制晶閘管的導通和關斷時刻,就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時,為確保電路的正常工作,需保證同時導通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)某個晶閘管的同時,給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖,兩個窄脈沖的前沿相差60o,脈寬一般為20o30o,稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復雜,但要求的觸發(fā)電路輸出功率小?？刂齐娐芬訟T89C52單片機為控制器,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。它包括同步信號檢測、驅(qū)動放大電路、顯示電路、復位電路、鍵盤電路等。AT89C52同步信號檢測復位電路顯示電路驅(qū)動放大電路鍵盤

13、電路圖3.1 控制電路框圖3.2 同步信號的檢測采用CHV-100/300A 型號的電壓傳感器,其額定電壓為300V (有效值,額定輸出電流25mA 。檢測電路中,電壓傳感器接入220V 的A 相交流電,輸出的電流信號經(jīng)100歐姆的電阻后,轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮?2.5V 的電壓信號(實際輸出為-2.5V2.5V ,此電壓信號LM258構(gòu)成的加法器轉(zhuǎn)換成05V 的直流信號,此信號輸入到8位AD 轉(zhuǎn)換器PCF8591的模擬信輸入通道AIN3,PCF8591的輸出信號AUTO 即可接入單片機。單片機經(jīng)過軟件檢測,即可得知同步電壓Us 過零點信號。如圖3.2所示。 圖3.2 同步信號檢測3.3 驅(qū)動放大電路驅(qū)

14、動放大電路如圖3.3所示。來自單片機的六路較弱的脈沖信號輸入到反相器74HC04,經(jīng)過光電隔離器4N25隔離輸出,最后經(jīng)過脈沖變壓器TB1放大輸出到相應晶閘管的門極G和陰極K。 圖3.3 驅(qū)動放大電路 圖3.4 六路觸發(fā)脈沖的波形如圖3.4所示,六路觸發(fā)脈沖的波形。當單片機檢測到A同步電壓Ua從負到正的過零點信號(實際上檢測到的應該是2.5V時,它會接收到來自于INT0的中斷請求信號,這時,單片機會中斷響應,服務子程序。這個子程序的功能是決定如何產(chǎn)生第一個觸發(fā)脈沖的上升沿。當單片機檢測到同步信號過零點時,單片機的16位計數(shù)器/定時器1同時開始計時,它工作在工作方式1;由AT89C52單片機的晶

15、振是12MHz,它的一個機器周期是1um。定時的長度是由單片機的要產(chǎn)生的觸發(fā)延時角決定的。由于一個正弦波的周期是20ms,定時的長度由下式?jīng)Q定:t= x 20/360°ms。定時器的初始化值可以根據(jù)t來設定。為了簡單起見,本文定義了一個長度為180的數(shù)組,它對應于觸發(fā)延時角從0到180°的變化。這個數(shù)組保存在單片機的ROM存儲區(qū)。這樣,定時器對應于每個觸發(fā)角的初始化設定值就可以直接賦值給定時器1了。定時器初始化之后,就啟動定時器工作。當定時時間就一到,定時器的溢出標志位置1,單片機開始執(zhí)行定時器1的中斷服務子程序。這子函數(shù)將P2.2設置為高電平,用于觸發(fā)VT1;這里定義脈沖

16、的寬度為27°,即1.5ms,則定時器1的TH1=FAH, TL1=24H;于是開始啟動定時器第二次計數(shù);當定時時間一到,定時器開始執(zhí)行中斷服務子程序。在這個函數(shù)中,P2.2設置為低電平,表示觸發(fā)脈沖結(jié)束。由第二個脈沖比一個脈沖滯后60°,也即是3.33 ms;那么,第一個脈沖的下降沿到第二個脈沖的上升沿的時間間隔應為1.83 ms。因此,定時器應設置為TH1= FBH,TL1=DAH;這樣就啟動定時器第三次定時。當定時時間一到,定時器開始執(zhí)行中斷服務子程序。在這個子函數(shù)中,P2.3引腳被置為高電平來觸發(fā)VT2。對于其他晶閘管的觸發(fā)原理相同。雙窄脈沖的輸出如圖12所示。 P

17、2.2引腳輸出一個主脈沖給VT1的同時,P2.7引腳輸出一個次脈沖(補發(fā)脈沖給VT6;延時60°后,P2.3引腳輸出一個主脈沖給VT2,同時,P2.2引腳輸出一個次脈沖給VT1;至于其它晶閘管的觸發(fā),其過程亦是如此。3.4 鍵盤電路 圖3.5鍵盤電路3.5 顯示電路 圖3.6 顯示電路第4章保護電路的設計晶閘管的保護電路,大致可以分為兩種:一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件,例如,R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。另一種是采用電子保護電路,檢測設備的輸出電壓或輸入電流,當輸出電壓或輸入電流超過允許值時,借助整流觸發(fā)系統(tǒng)使整流橋短時間內(nèi)工作于有源逆變狀態(tài),從而抑制

18、過電壓或過電流的數(shù)值。4.1 晶閘管的過電流保護電力電子電路中的電流瞬時值超過設計的最大允許值,即為過電流。過電流有過載和短路兩種情況。 快速熔斷器保護一般作為最后一級保護措施,與其它保護措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求,快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)(三相電源的每一相串接一個快速熔斷器,也可以接在負載側(cè),還可電路中每一個電力電子器件都與一個快速熔斷器串聯(lián)。接法不同,保護效果也有差異。熔斷器保護有可以對過載短路過電流進行“全保護”和僅對短路電流起作用的短路保護兩種類型。本次課程設計僅采用快速熔斷器。4.2 晶閘管的過電壓保護晶閘管耐過電壓的的能力極差,當電路中電壓超多其反相擊穿電壓時,即使時間極

19、短,也容易損壞。如果正向電壓超過其轉(zhuǎn)折電壓,則晶閘管誤導通,這種誤導通次數(shù)頻繁時,導通后通過的電流較大,也可能使元件損壞或使晶閘管的特性下降。因此必須采取措施消除晶閘管上可能出現(xiàn)的過電壓。(1晶閘管過電壓的保護措施通常采用阻容保護。并接RC阻容吸收回路,利用電容來吸收過電壓,其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容器中,然后釋放到電阻中去消耗掉。這是過電壓保護的基本方法。阻容吸收元件可以并聯(lián)在整流裝置的交流側(cè)(輸入端、直流側(cè)(輸出端、或則元件側(cè)。(2電壓上升率du/dt的抑制:加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt 也應有所限制,如果dv/dt過大,由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的

20、位移電流,使晶閘管正向阻斷能力下降,嚴重時引起晶閘管誤導通。抑制dv/dt可以在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收回路。 第5章仿真5.1 MATLAB建模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)設定如圖5.1所示: 圖5.1 通用橋參數(shù)設置圖同步電源與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:建立一個新的模型窗口,命名為TBCF;打開相應的模塊組,復制5個int1(系統(tǒng)輸入端口、一個out1(系統(tǒng)輸出端口、3個voltage Mea

21、surement(電壓測量模塊、1個6-Pulse Generator(脈沖觸發(fā)器。按圖5.2連線。 圖5.2 觸發(fā)器模塊連接圖進行封裝,封裝圖如圖5.3所示。 圖5.3 封裝圖建立一個新的模型窗口,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)復制到ban2模型窗口中。通過合適的連接,最后連接成如圖4-4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。相關參數(shù)說明:交流電壓源Ua、Ub、Uc等于U2為127V,頻率為50Hz, Ua相序為0度,Ub相序為-120度,Uc相序為-240度。RC中的參數(shù)為:R為1歐,L為0H,C為(1e-6F。RL中的參數(shù)為:R的參數(shù)為0.72

22、1歐, L(平波電抗器的參數(shù)為4.4mH。 圖5.4 三相橋式全控整流電路仿真圖5.2 MATLAB 仿真打開仿真參數(shù)窗口,選擇ode123tb算法,將相對誤差設置1e-3,仿真開始時間設置為0,停止時間設置為0.04秒。在下面的仿真圖中Ud、Id為負載電壓(V和負載電流(A。觸發(fā)角為0度是的波形 圖5.5 觸發(fā)角為0度時ud、id的波形圖觸發(fā)角為30度時的波形 圖5.6 觸發(fā)角為30度時ud、id的波形圖觸發(fā)角為90度時的波形 圖5.7 觸發(fā)角為90度時ud、id的波形圖第6章 心得與體會 “一份耕耘一份收獲” ，設計總是帶給人創(chuàng)作的沖動，在畫家眼里， 設計是一幅清明上河圖或是一幅向日葵，在

23、建筑師眼里，設計是昔日金碧 般的圓明園或是今日一塑自由女神像；在電子工程師心中，設計是貝爾實 驗室的電話機或是華為的程控交換機。凡此種種，設計總是能給人帶來新 鮮不一樣的東西，它就是一種營養(yǎng)讓我們一輩子消受不竭享用不盡，正是 態(tài)度決定一切，我用認真負責的態(tài)度收獲了不少，總結(jié)有以下幾點： 一、溫故而知新。課程設計開始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知 識學習不夠扎實的我深感書到用時方恨少， 于是重拾教材和相關方面的書 籍，系統(tǒng)而全面地對設計的內(nèi)容進行了梳理,對于自己苦苦想不出來的地 方不懂的向老師和同學請教，也終于算是懂了基本的概念，也學會了思考 的思維方式。 二、思路決定出路。好的思路才能決定好的設計，想起剛開始設計時 什么都不知道茫然無措，思緒全無，但當自己了解了理論知識和確定了設 計思路，方向就一下明確，猶如柳暗花明，茅塞頓開，所以好的設計必須 要有扎實的基礎。 三、實踐出真知。對于有好的思路確定了，接下來就