三相橋式可控整流電路設計

1、 電力電子技術課程設計題 目： 三相橋式可控整流電路設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣F1206 學生姓名： 學 號： 指導教師： 臧義 教師職稱： 副教授 評語及成績：指導教師：日 期：2目 錄摘 要：1引 言：11 課題簡介11.1課題研究背景11.2 國內外研究現狀21.3 本課題研究內容22 系統(tǒng)總體設計方案22.1 設計方案論證23 三相橋式可控整流電路43.1 三相橋式全控整流電路（阻性負載）43.1.1帶電阻負載=0時的工作情況53.1.2帶電阻負載=30時的工作情況73.1.3帶電阻負載=60時的工作情況73.1.4帶電阻負載60時的工作情況73.1.5 小結83

2、.2 三相橋式全控整流電路（感性負載）83.2.1帶電感負載=0時的工作情況83.2.2帶電感負載=30時的工作情況93.2.3帶電感負載=60時的工作情況103.2.4帶電感負載=90時的工作情況103.2.5三相橋式全控整流電路(a60)113.2.6三相橋式全控整流的電流有效值113 系統(tǒng)硬軟件設計123.1 硬件設計123.1.1 電路框圖123.1.2 設計方框圖123.1.3 設計主電路圖133.2 軟件設計133.2.1 軟件設計及流程144主電路保護164.1 過電壓的產生和保護164.2 過電流的保護175 軟硬件設計及調試185.1 仿真模型電路設計185.2 電路仿真結果

3、185.2.1阻性負載185.2.2感性負載196 結 語19參考文獻20附錄A 系統(tǒng)電路圖21附錄B C8051-F020 主控制圖2223三相橋式可控整流電路的設計摘 要： 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38OV經升壓變壓器后由SCR(可控硅)再整流為直流供負載用。但是由于工藝要求大功率,大電流,高電壓,因此控制比較復雜,特別是觸發(fā)電路部分必須一一對應,否則輸出的電壓波動大甚至還有可能短路造成設備損壞。對三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路進行了理論分析，建立了基于Matlab/Simulink的三相橋式整流電路的仿真模型，并對其

4、帶純電阻負載及電阻電感性負載時的工作情況進行對比分析。關鍵詞：MCU ；SCR；電力電子；三相橋式半控整流；三相橋式全控整流。引 言：整流電路是電力電子技術中最為重要，也是應用最為廣泛的電路，它不僅應用于一般工業(yè)，也廣泛應用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領域。因此調試三相橋式可控整流電路的相關參數并對不同性質負載的工作情況進行對比分析與研究具有一定的現實意義。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經升壓變壓器后由SCR(可控硅)再整流為直流供負載用。1 課題簡介1.1課題研究背景晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱

5、，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅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、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。三相橋式可控整流電路的設計指使用電力電子器件對三相電能進行變換和控制的技術。1.2 國內外研究現狀電力電子技術在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應用。最終用戶在使用電能時常常需要進行預處理。如降壓、濾波、無功補償等：據估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中有60%以上至少經過一次電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現代化的進程中，電力電子技術是關鍵技術之一。毫不夸張地說，離開電力電子技術，電力系統(tǒng)的現代化是不可想

6、象的；直流輸電(HVDC)在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置；近年發(fā)展起來的柔性交流輸電(AFCTS)可以大幅度提高電網輸電能力和穩(wěn)定性；手段：快速、精確、連續(xù)地控制大容量有功和無功等參數實現對系統(tǒng)潮流變化、功率流向、輸送能力、阻尼振蕩的性能加以改進和提高。如有源濾波器(APFAetivepowerFi一ter)可進行用戶端的無功補償和諧波抑制。1.3 本課題研究內容本文研究的內容主要是建立一個對三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路介紹，并進行了理論分析，使用電力電子器件對三相電能進行變換和控制的技術。條件是把三相輸入交流電壓： 38

7、0V，50Hz；使輸出功率：2KW；另外添加一定的保護設施，晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞，因此對晶閘管的電壓和電流保護，防止晶閘管燒壞； 2 系統(tǒng)總體設計方案2.1 設計方案論證三相橋式整流主要由CSR(晶閘管)器件組成，其基本結構圖為圖2.1晶閘管的開關特點(1) 當SCR的陽極和陰極電壓UAK0時，只有GEk0，SCR才能導通。說明SCR具有正向阻斷能力 ； (3) SCR一旦導通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導通狀態(tài)。SCR導通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定； 圖 2.1基本結構圖(4)當UAK

8、0同時UGK0，由導通一關斷的條件：使流過SCR的電流降低至維持電流以下。(一般通過減小EA，直至EA0，同時UGK0；(2) 陽極電壓作用：當UAK上升至某個大數值，使V2的漏電流由于雪崩效應而加大，同時由于正反饋而使漏電流放大，最終使SCR飽和導通；(3) dU/dt作用：如果UAK以高速率上升，則在中間結電容上產生的電流可以引起導通；(4) 溫度作用：溫度上升，V1，V2的漏電流加大，引起SCR導通；(5) 光觸發(fā)：當強光直接照射在硅片上，產生電子空穴對，在電場的作用，產生觸發(fā)SCR的電流。目前，有一些場合使用這種方式來觸發(fā)SCR，如高壓直流輸電(HVDC)。這種方式可以保證控制電路和主

9、電路之間有良好的絕緣。這種SCR又稱為光控晶閘管(LightTriggeredThyristor一LTT)。晶閘管的基本特性：(1)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；電子科技人學碩十學位論文：基于三相橋式可控整流電路的設計；(2)承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；(3)晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；(4)要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以F。從這個角度可以看出，CSR是一種電流控制型的電力電子器件。晶閘管的觸發(fā)：(1)作用：產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。(2)廣義上講，晶閘管觸發(fā)電

10、路還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路。(3)晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：l 觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通(門極電流應大于擎住電流)；l 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度；l 不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內；l 應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。三相全橋按負載不同可分為帶電組和帶電感負載，以下分別討論這兩種負載的區(qū)別。3 三相橋式可控整流電路三相全橋的特點：l 負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、易濾波時使用三相整流電路；l 應用最為廣泛； l 共陰極組-陰極連接在一起的3個晶閘管(VT1、VT3、VT5)； 圖3 三相橋式可控整流電路l 共陽極組-陽

11、極連接在一起的3個晶閘管(VT4、VT6、VT2)；l 注意編號順序：1、3、5和4、6、2，一般不特別說明，均采用這樣的編號順序。3.1 三相橋式全控整流電路（阻性負載）3.1.1帶電阻負載=0時的工作情況圖3.1.1 三相橋式全控整流電路(帶電阻負載=0時的波形)l)帶電阻負載時的工作情況(1) =0時的情況l 對于共陰極阻的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個導通；l 對于共陽極組的3個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低(或者說負得最多)的導通；l 任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個SCR處于導通狀態(tài)。其余的SCR均處于關斷狀態(tài)；l 觸發(fā)角a的起點，仍然是從自然換相點開始計算，注意正負

12、方向均有自然換相點；l 從線電壓波形看，側為線電壓中最大的一個，因此ud波形為線電壓的包絡線。時 段123456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表3.1.1 三相橋式全控整流電路電阻負載=0時時晶閘管工作情況(2)三相橋式全控整流電路的特點： 兩個CSR同時導通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各有一個SCR導通，且不能為同相的兩個SCR(否則沒有輸出)。 對觸發(fā)脈沖的要求：l 按

13、VT1一VT2一VT3一VT4一VT5一VT6的順序，相位依次差60；l 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；l 同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3，與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180； ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，所以三相全橋電路稱為6脈波整流電路； 需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖(采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)(大于60)； 另一種是雙脈沖觸發(fā)(常用)：在Ud的六個時間段，均給應該導通的CSR提供觸發(fā)脈沖，而不管其原來是否導通。所以每隔60就需要提供兩個觸發(fā)脈沖； 實際提供脈沖的順序為：1，2-

14、2，3-3，4-4，5-5，6-6，1-1，2，不斷重復。l 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同為： 3.1.2帶電阻負載=30時的工作情況圖3.1.2三相橋式全控整流電路(帶電阻負載=30時的波形)晶閘管起始導通時刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30a；l 從Ut1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表3.1.1的規(guī)律；l 變壓器二次側電流i波形的特點：在VT1處于通態(tài)的120期間，i為正，ui波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT；處于通態(tài)的120期間，i波形的形狀也與同時段的ud波形相同

15、，但為負值。3.1.3帶電阻負載=60時的工作情況ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。a=60時ud出現為零的點。(因為在該點處，線電壓為零)3.1.4帶電阻負載60時的工作情況當a60時，如a=90時電阻負載情況下的工作波形如圖3.1.4所示：圖3.1.4 三相橋式全控整流電路(帶電阻負載=90時的波形)3.1.5 小結l 當a60時，ud波形每600中有一段為零，ud波形不能出現負值；l 帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120。3.2 三相橋式全控整流電路（感性負載）3.2.1帶電感負載=0時的工作情況當a60)(1)當a60時：電感性負載時的工作情況與

16、電阻負載時不同，時ud波形不會出現負的部分，而電感性負載時，由于電感L的作用，ud現負的部分；電阻負載波形會出現負的部分；帶電感性負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90。因為在a=90時，Ud波形上下對稱，平均值為零。(2)基本參數關系l 當整流輸出電壓連續(xù)時(即帶電感性負載時，或帶電阻負載a60時，整流電壓平均值為： l 輸出電流平均值為：Id=Ud/R3.2.6三相橋式全控整流的電流有效值當整流變壓器采用星形聯結，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖2-4中所示，為正負半周各寬120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值為 晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。三相橋式

17、全控整流電路接反電勢電感性負載時，在負載電感足夠大足以使負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計算I。時有所不同，接反電勢電感性負載時的工。為： Id=(UdE)/R3 系統(tǒng)硬軟件設計3.1 硬件設計3.1.1 電路框圖美國德州Cygnal公司推出的一種混合信號SOC型8位單片機C805F1單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SCO),具有與8051兼容的高速CIP一51內核,與MCS一51指令集完全兼容,片內集成了數據采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數字外設及其他功能部件;內置FLASH程序存儲器、內部RAM,大部分器件內部還有位于外部數據存

18、儲器空間的RAM,即XRAM。CSO51F單片機具有片內調試電路,通過4腳的JATG接口可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調試。特別是C8051F020(簡稱FO20)。它屬于C805F1系列中的FOZX子系列。其性能價格比在目前應用領域極具競爭力。電路框圖如圖 3.1.1 圖3.1.1 電路框圖3.1.2 設計方框圖用C8051一FO20作為MCU的中央處理器,其方框圖為:圖3.1.2 C8051 方框圖3.1.3 設計主電路圖主回路由工頻電壓交流380伏經空氣開關(過流,過壓保護)到繼電器送到升壓變壓器選用380伏,650伏,800伏的電壓的等級,并經快速熔斷器(FUSE)后由三相橋式整流電路

19、(6個晶閘管構成)整流為直流電壓到負載。該電路的保護功能是:過電壓保護;過電流保護。設計主電路圖如圖3.1.3所示圖3.1.3 設計主電路圖3.2 軟件設計8位單片機程序由于功能相對單一，一般來說，沒有操作系統(tǒng)的支持。在這種情況下,程序的主體結構只能由一個控制環(huán)路組成。本機的程序由一個控制環(huán)路和中斷組成。主控部分完成數據的接收，處理，顯示等任務。中斷部分完成SCR的觸發(fā),通訊接口等任務。圖3.2 觸發(fā)系統(tǒng)工作示意圖3.2.1 軟件設計及流程1.8031與主CPU信息的交換:(l)接收主CUP的信息是以響應NITBI中斷方式進行的,當響應中斷后首先讀取374(l)的數值,判斷高二位是否全1,若是

20、轉入命令譯碼,并執(zhí)行有關命令, 對于有些命令8031應在內部ARM中設立標志,如收到工作方式命令,在3HE單元存放命令號;命令E7表示來自主CUP的數據代表a,命令F8表示來自主機的數據為晶閘管設備輸出電壓的百分數,收到F7、F8后8031對內部RMA的第OHD位進行置位或清零,為以后的操作保存依據。來自主CUP的數據在O一191之間,用它來表示電壓百分數,其分辨率不大于1%,表示a其分辨率不大于1。8031收到數據后,若ODH=0則應根據各電路形式標志,查表取得對應的a值,然后將其轉換成r并算出其y值,再將r轉換成相應的定時脈沖個數Ar。若244的輸出包含著檢測工作情況的信息.8031應對其

21、進行掃描檢和判斷.若不正常置位Pl口的零位并向374寫入告警代碼,向主機申請中斷。(2)定時器使用8031內部定時器C/T。作為區(qū)域和r定時,8031晶振選用6MHz,一個計時周期為Zus,50Hz的600。需1667個脈沖.定時器初值為F97HC。在一個時區(qū)內C/T。采用兩次定時,第一次定時從本區(qū)起點開始,定時器初值為FFFFH一rA,第一次定時的角度為r。第一次定時中斷后,即由P1口輸出觸發(fā)脈沖。第二次定時緊接著第一次定時結束。C/T。的初始值為F97Hc十Ar,故第二次定時的角度為60于r這樣兩次定時為600,緊接著進入下一次時區(qū)。c/TO作為脈寬定時,在C/T。第一次定時中斷時起動c/

22、T1,其初值根據所需脈寬決定,c/Tl,定時溢出時CPu清零P1口,輸出脈沖終止。主要的程序流程圖如下: 圖3.2.1a 主程序框圖 圖3.2.1b T2中斷程序圖圖3.2.1c T1中斷程序圖4主電路保護4.1 過電壓的產生和保護1）外因過電壓:主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因(1)操作過電壓:由分閘、合閘等開關操作引起(2)雷擊過電壓:由雷擊引起因此該電路的正極與設備地相聯接。2)內因過電壓:主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程(1)換相過電壓:晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷,因而有較大的反向電流流過,當恢復了阻斷能力時,該反向電流急劇減小,會由線路電

23、感在器件兩端感應出過電壓;(2)關斷過電壓:全控型器件關斷時,正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。4.2 過電流的保護過電流-分為過載和短路兩種情況1)常用措施(1)快速熔斷器、直流快速開關和過流繼電器,同時采用幾種過電流保護措施,提高可靠性和合理性;(2)電子保護電路作為第一保護措施,快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護,直流快速開關一般整定在電子電路動作之后實現保護,過流繼電器一般整定在過載時動作。2)快速熔斷器(熔斷時間可達到5mS以下)電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施,選擇快熔時應考慮:(1)電壓等級根據熔斷后快熔實際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主

24、電路中的接入方式和主電路聯結形式確定(3)快熔的I2t值應小于被保護器件的允許I2t值(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化,應考慮其時間-電流特性(5)快熔對器件的保護方式:全保護和短路保護兩種全保護：過載、短路均由快熔進行保護,適用于小功率裝置或器件裕度較大的情況。短路保護方式:快熔只在知路電流較大的區(qū)域起保護作用。3)快速開關和過流繼電器(l)快速開關用在直流電路中,它的完全分斷時間最快為10ms。(2)過流繼電器有直流和交流兩種,它們的動作時間一般為幾百ms。(3)在實際裝置中,為了避免經常更換快熔,一般需用較小容量快速開關或過流繼電器,而同時選用較大容量的快熔。這樣,在發(fā)生過流時,快速開關或過流繼電器首先動作,即使動作速度不如快熔,同樣可以保護器件。經過復位后,又可正常工作。4)使用電子保護電路進行過流保護(1)有對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備,或全控型器件(很難用快熔保護),需采用反饋電子電路進行過電流保護,其響應最快。(2)一般采用電流互感器檢測主電路電流,轉換成直流電壓后送給電壓比較器,與設定值進行比較。優(yōu)點一是響應迅速,二是設定過流值方便。5 軟硬件設計及調試5.1 仿真模型電路設計三相橋式半控