三相橋式全控整流電路的性能研究

1、三相橋式全控整流電路的性能研究一,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? 帶動直流電動機(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

2、。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機(jī)，使之工作。電源 L 三相橋式全控整流電路 直流電動機(jī)觸發(fā)模塊圖1-1三和橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)圖二、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 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。1 .三相全控橋的工作原理如圖2T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

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、VT2o晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2 -VT3-VT4-VT5-VT6o變壓器為A-Y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（阻感）負(fù)載原理圖2 .三相全控橋的工作特點(diǎn)（1）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。對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的

4、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180oud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電品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。3 .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)載和反電動勢阻感負(fù)載供電（即用 于直流電機(jī)傳動），下面主要分析阻感負(fù)載時(shí)的情況，因?yàn)閹Х措妱觿葑韪胸?fù)載 的情況，與帶阻感負(fù)載的情況基本相同。當(dāng)a W60度時(shí)，ud波形連續(xù)，電路

5、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a二0度和a二30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iVTl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， iVTl波形由負(fù)載

6、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，在此不做具體分析工a=i I II ni iv v VI”川i n in iv v vi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(a當(dāng)a >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波形會出現(xiàn)負(fù) 的部分。圖2-4給出了a =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a角移相范圍為90度。圖2-

7、4觸發(fā)角為90時(shí)的波形圖三、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)控制品閘管的導(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：皿76»- 15V+

8、4圖3-1 KJ004的電路原理圖3.2 KJ004的工作原理如圖31 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為鋸齒波的觸發(fā)電路相似。VIV4等組成同步環(huán)節(jié)，同 步電壓uS經(jīng)限流電阻R20加到VI、V2基極。在uS的正半周，VI導(dǎo)通，電流 途徑為（+151<3811一地）；在uS負(fù)半周，V2、V3導(dǎo)通，電流途徑為 （+15VR3VD2V3 R5 R21 一 （一 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|VO.7V時(shí)。，VIV3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

9、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)（+15V-R6- C1-R22RP1 一（一 15V）對C1充電，形成線性增長的鋸齒波，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Y6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

10、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)（+15V- R25-V6一地）放電并反向充電，當(dāng)其充電電壓比22+1.4時(shí),，V7 乂恢復(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 VI導(dǎo)通,V8截止，V12導(dǎo)通，

11、V12把來自V7的正脈沖箝位在零電位。同時(shí)， V7正脈沖乂通過二極管VD7,經(jīng)V9VII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、1D6VD8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VIV6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

12、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. ynll及同步變壓器也接成D, ynll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32所示：5

13、： ：J-tr E-G： OZ CZ£圖3-2集成觸發(fā)電路圖、仿真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模可以直接調(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7 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)inti （系統(tǒng)輸入端口）、一個(gè)outl （系統(tǒng)輸出

14、端口、3 個(gè) voltage Measurement （電壓測量模塊）、1 個(gè) 6-Pulse Generator （脈沖觸發(fā)器）。按圖5-2連線。Id回圖4-2觸發(fā)器模塊連接圖13進(jìn)行封裝，封裝圖如圖5-3所示。UaUbUc block圖1-3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)?/p>

15、-120 度，Uc相序?yàn)?240度。RC中的參數(shù)為：R為1歐，L為OH, C為(le-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. 4mHo DC的參 數(shù)為-220V可設(shè)為任意值二Kx ,. = U ipRM7il« Edi I Titr Sinul«U«a Fwt Iqv1> E“p Ik0 m ±里9上> 而二iZ生物 “向隈UdSco 口言Id1031J 47圖4-4三相橋式全控整流電路仿真圖2 . MATLAB 仿真打開仿真參數(shù)窗口，選擇odel23tb算法，將相對誤差設(shè)置le-3,仿真開始 時(shí)

16、間設(shè)置為0,停止時(shí)間設(shè)置為0.04秒。在下面的仿真圖中Ud、Id為負(fù)載電壓 (V)和負(fù)載電流(A)o觸發(fā)角為。度是的波形圖4-5觸發(fā)角為0度時(shí)ud、id的波形圖 觸發(fā)角為30度時(shí)的波形圖4-6觸發(fā)角為30度時(shí)ud、id的波形圖觸發(fā)角為90度時(shí)的波形圖4-7觸發(fā)角為90度時(shí)ud、id的波形圖3 仿真結(jié)構(gòu)分析由仿真出的觸發(fā)角分別為0度、30度和90度的Ud、Id波形圖和圖2-2、圖 2-3,圖2-4比較可知，三相橋式全控整流電路接反電動勢負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電感 足夠大以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感負(fù)載時(shí)相似，電路中各 處電壓、電流波形均相同、僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電動勢阻感負(fù)載時(shí)的 Id為：