三相橋式全控整流系統(tǒng)

設計任務及要求設計系統(tǒng)的主電路、觸發(fā)電路及控制電源，繪制整流系統(tǒng)原理圖，并計算主電路器件的參數(shù)。其中負載為直流電動機，2電壓調節(jié)范圍：?。由上述要求可知我們的設計任務分為：一、主電路，即三相橋式全控整流電路。二、觸發(fā)電路，可以用集成觸發(fā)電路。三、控制電源，包括給定電壓，負偏移電壓，同步變壓器。而給定電壓和負偏移電壓可以由給定電源來產(chǎn)生。1.1設計任務設計三相橋式全控整流系統(tǒng)，設計任務可分為：一、主電路，即三相橋式全控整流電路。二、觸發(fā)電路，可以用集成觸發(fā)電路。三、控制電源，包括給定電壓，負偏移電壓，同步變壓器。而給定電壓和負偏移電壓可以由給點電源來產(chǎn)生。1.2設計要求繪制整流系統(tǒng)原理圖，并計算主電路器件的參數(shù)。其中負載為直流電動機，電壓調節(jié)范圍:2系統(tǒng)電路設計2.1系統(tǒng)主電路我們所設計的系統(tǒng)為三相橋式全控整流系統(tǒng)，總框圖如下:圖1系統(tǒng)總框圖主電路就是三相橋式全控整流，原理圖如下：VTnVT^VT,d.J-ir■_?1vt4vt6vi2d2圖三相橋式全控整流電路原理圖在電路中變壓器二次側接成星形是為了得到零線，而一次側接成三角形是為了避免次諧波流入電網(wǎng)。陰極連接在一起的個品閘管（TT）5稱為共陰極組，這種接法為共陰極接法。陽極連接在一起的個品閘管（TT）2稱為共陽極組，這種接法為共陽極接法。而我們習慣上也希望是晶閘管是按順序導通，即導通順序為一〉-2-3—〉-5,所以我們就將品閘管進行了編號，如上圖所示，這樣編號的話就是按我們平時所習慣的順序進行導通。圖相電壓波形由于晶閘管的正常工作時的特性為：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，品閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下品閘管才能開通。品閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使品閘管關斷，只能使品閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。從上圖相電壓波形，我們可以知道在品閘管門極開通的情況下，共陰極組中哪個晶閘管的陽極電壓值最大，那么該相所對應的品閘管就會導通，并使另兩相的晶閘管承受反壓關斷，那么整流輸出電壓就為該相的相電壓，或者說整流輸出電壓為相電壓在正半周的包絡線。同理，在品閘管門極開通的情況下，共陽極組中哪個晶閘管的陰極電壓值最低，或者說負的最多，那么該相所對應的品閘管就會導通，并使另兩相的晶閘管承受反壓關斷，那么整流輸出電壓就為該相的相電壓，或者說整流輸出電壓為相電壓在負半周的包絡線。所以總的整流輸出電壓是兩條包絡線的差值。用下表來說明晶閘管的工作狀況：表三相橋式全控整流電路品閘管工作情況時段共陰極組中導通的晶閘管共陽極組中導通的晶閘管整流輸出電壓u-u=uababu-u=uacacu-u=ubcbc時段IV共陰極組中導通的晶閘管共陽極組中導通的晶閘管整流輸出電壓udu-u=ubabau-u=ucacau-u=ucbcb從上表中我們可以知道共陰極組的個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。共陽極組的個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的一個導通。而且任意時刻共陽極組和共陰極組中各有一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。所以可以得到整流輸出電壓ud可由表格中的公式所計算得到。若將品閘管用二極管代替，那么在相電壓的交點、■處，都會自然出現(xiàn)二極管換相，因為在這些個交點處，每個二極管的所受的相電壓大小順序發(fā)生了變化，那么導通的二極管就會發(fā)生變化，電流由一個二極管向另一個二極管轉移，那么就叫做換相。我們稱這些交點為自然換相點。那我們就可以知道自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，所以可以將其作為計算各品閘管觸發(fā)角的起點，即此時,通過改變各品閘管的觸發(fā)角，就可以調節(jié)整流輸出電壓。一般三相橋式全控整流電路都是給阻感負載和反電動勢阻感負載比如直流電動機供電，我們這次系統(tǒng)的設計就是三相橋式全控整流電路帶直流電動機負載，主電路圖如下所示：直流電動機可以看做是阻感負載的一種，它的波形圖和三相橋式全控整流電路帶阻感負載的波形圖基本上是一致的，以下就為三相橋式全控整流電路帶阻感負載0的波形圖。

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u圖三相橋式全控整流電路帶阻感負載0的波形圖當W■寸，波形均連續(xù)，帶阻感負載電路的工作情況與帶電阻負載的十分相似。而當?寸，帶阻感負載時的工作情況就和帶電阻負載時有不同之處了。帶阻感負載時，由于有電感的作用，波形會出現(xiàn)負的部分。若電感的值足夠大的話，中正負面積可以認為基本相等，這樣的話平均值就近似為零了。而電阻負載時，波形不會出現(xiàn)負的部分。所以我們可知帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為°??uuuuVTuuuuVT圖三相橋式全控整流電路帶阻感負載0勺波形圖從上圖我們可以看到，如果電感值比較大的話中正負面積可以認為基本相等，這樣的話平均值就近似為零了。而整流輸出電壓是不能為負的，所以帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角最大值為°。其實三相橋式全控整流電路帶負載不同，波形的區(qū)別不是很大，主要的區(qū)別在負載的電流波形上，因為如果是阻感負載的話，電感有平波的作用，在電感為無限大時，我們可以看做輸出電流波形為一條直線。但是電感不可能無限大，而且直流電動機的電感也不是很大，所以還是會有紋波，而且如果出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況的話，那么電動機的機械特性將會很軟，所以為了克服這個缺點，我們一般會給主電路中直流輸出側，直流電動機串聯(lián)了一個平波電抗器。平波電抗器的作用是用來減少電流的脈動和延長晶閘管的導通時間。只要電感為足夠大時就能使電流連續(xù)了，就不會出現(xiàn)時電動機機械特性很軟的情況了。這樣也可以近似的將負載電流特性看為一條水平的直線。通過以上的波形圖和對電路的總結，我們可以得到三相橋式全控整流電路的一些特占：八、、：一、整流電路中每一時刻都是個品閘管同時導通，來構成回路，而且共陰極組和共陽極

組每組都只有一個晶閘管導通，既不能為同組的晶閘管同時導通，也不能一相的晶閘管同時導通。二、六個品閘管的觸發(fā)脈沖要按順序給定，可以通過控制相位來達到這個目的。具體如下所述，每個品閘管按順序相位依次相差°，而共陰極組和共陽極組的晶閘管每一組相位依次相差2,而同一相的上下橋臂的相位要相差80三、由于三相橋式全控整流電路的輸出電壓一周期脈動次，并且每次脈動的波形都一樣，所以它又稱為六脈沖整流電路。我們可以通過三相橋式全控整流電路波形圖，圖看出來。四、若要讓整流電路在一般情況下正常工作，比如合閘啟動過程中、電流斷續(xù)，就要保證同時導通的兩個晶閘管都有觸發(fā)脈沖。主電路圖如下￡11c■nrinn118￡11c■nrinn11831EECV-?W/-1=^-VA―圖三相橋式全控整流主電路圖口T在該電路中，我在每個品閘管都并聯(lián)了保護電路，由一個電容和電阻做成。同時又在變壓器二次側上串聯(lián)了一個快速熔斷器。也是起保護作用的。因為我們的電路可以應用于生產(chǎn)實踐中，所以一定要加上保護電路。2.2系統(tǒng)觸發(fā)電路我們所設計的系統(tǒng)為三相橋式全控整流系統(tǒng)，在主電路中用到了六個品閘管，而品閘管的觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和控制，是很重要的一部分，因為如果某個品閘管該導通卻沒有導通的話，可能會導致電路中某個元件的損毀，或者整個電路的癱瘓。通過晶閘管的靜態(tài)特性，我們可以知道，首先要讓讓品閘管承受正向電壓，這樣品閘管才可以導通，而在品閘管在承受正向電壓情況下，也僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。而品閘管電流的變化會有一個梯度，所以要保證觸發(fā)脈沖的寬度。而三相橋式全控整流電路，要保證同時導通的兩個晶閘管均有觸發(fā)脈沖?？梢圆捎脙煞N方法來達到目的。第一種方法是將脈沖寬度大于60°，一般為80°到100°，被稱為寬脈沖，第二種方法就是用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60°，一般為20°到30°，被稱為雙脈沖觸發(fā)。這兩種方案相比較的話，寬脈沖觸發(fā)優(yōu)點是與雙脈沖相比可以減少一個輸出脈沖，缺點是為了不使脈沖變壓器飽和，要將鐵心體積做的較大，這樣的話就會使脈沖前沿不夠陡，品閘管串聯(lián)使用不利。而雙脈沖的優(yōu)點是它所要求的觸發(fā)電路輸出功率小，缺點是電路比較復雜。所以選擇雙脈沖觸發(fā)，它可以保證品閘管得到較高穩(wěn)定性的觸發(fā)特性。因為三相橋式全控整流主電路中由六個品閘管組成，那么觸發(fā)電路中就要有六個輸出端，所以集成觸發(fā)電路我們選擇了三片長）004芯片和一片KJ041芯片，這樣就可以形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，這里我們選擇三極管來進行放大。這樣的話就構成了完整的三相全控橋觸發(fā)電路。2.2.1KJ004芯片芯片，又叫做品閘管移相觸發(fā)集成電路。它是雙列式直插式集成電路，適應于單相、三相全控橋式晶閘管的雙脈沖觸發(fā)。目前應用比較廣泛。它之所以應用比較廣泛，是因為它可以輸出兩路相位互差°的移相脈沖，輸出負載能力大，移相性能好，正負半周脈沖相位比較均衡，而且它對同步電壓要求低。管腳圖如下：］一|15］】4注1］】2111j僅二)KJ004LlIl±JLlILdIjJLJLdL￡j圖7KJ0U4的弓I腳排列各管腳功能說明：引腳為同相脈沖輸出端，它的作用是使用時接正半周導通晶閘管的脈沖功率放大器及脈沖變壓器引腳2、6、10都為空腳，懸空接就可以了。引腳3和4要通過電容連接起來的。其中引腳3是鋸齒波電容連接端，而引腳4是同步鋸齒波輸出端，它通過電阻進行移相。引腳5是芯片工作的負電源輸入端，使用時接用戶系統(tǒng)的負電源。引腳7為接地端，使用時直接接電路的控制電源地端。引腳為系統(tǒng)的工作正電壓輸入端，使用時接控制電路電源，一般為5引腳8功能為同步電源信號輸入端，它接控制電路的同步變壓器，此芯片要求同步電壓為0引腳9為芯片連接最為重要的一部分，它的功能是移相、偏置及同步信號綜合端，使用時分別通過三個等值電阻接鋸齒波、偏置電壓及移相電壓。該引腳主要來提供芯片工作所需要的電壓。引腳11和12是通過電容連在一起的。11腳為方波脈沖輸出端通過電容與12腳相連，而12腳為脈沖信號輸入端，它通過一個電容與電源相接，并通過電容與11腳相連。引腳13和14都為脈沖調制及封鎖控制端，其中13腳為負脈沖，14腳為正脈沖。它們在使用時接調制脈沖源輸出或保護電路輸出，在我所設計的系統(tǒng)這兩個腳沒有接外接電路。通過以上的管腳說明及其功能，我們可以知道如何從集成塊的管腳引線，將外部電路連接起來。

2.2．2KJ041芯片芯片，又稱為六路雙脈沖形成器。它也是三相全控橋式觸發(fā)線路中常用的電路，具有取脈沖形成和電子開關控制封鎖雙脈沖形成功能。將它和三個連接到一起就可以達到六路雙脈沖觸發(fā)電路，這樣三相橋式全控整流電路的各個晶閘管就可以按條件穩(wěn)定的進行觸發(fā)，使電路可以正常的運行。管腳圖如下：A%罵圖晝KJ041管腳圖管腳說明：引腳和都為電網(wǎng)相觸發(fā)脈沖輸入端，而腳為正半周的觸發(fā)脈沖，腳為負半周的觸發(fā)脈沖。引腳和都為電網(wǎng)相觸發(fā)脈沖輸入端，而腳為正半周的觸發(fā)脈沖，腳為負半周的觸發(fā)脈沖。引腳和都為電網(wǎng)相觸發(fā)脈沖輸入端，而腳為正半周的觸發(fā)脈沖，腳為負半周的觸發(fā)脈沖。上述六個管腳就為三相脈沖觸發(fā)的輸入端，我們將各相對應各自的管腳就可以將電路連接起來。引腳功能為輸出脈沖封鎖端，當腳為高電平時，它封鎖輸出。引腳為接地端，使用時直接接電路的控制電源地端。引腳為系統(tǒng)的工作正電壓輸入端，使用時接控制電路電源，一般為5引腳為空腳，懸空接就可以了。引腳和均為相輸出端，使用時腳接觸發(fā)相正半周晶閘管的功放單元輸入端，而腳接觸發(fā)相負半周晶閘管的功放單元輸入端；引腳和均為相輸出端，使用時腳接觸發(fā)相正半周晶閘管的功放單元輸入端，而腳接觸發(fā)相負半周晶閘管的功放單元輸入端；引腳和均為相輸出端，使用時腳接觸發(fā)相正半周晶閘管的功放單元輸入端，而腳接觸發(fā)相負半周晶閘管的功放單元輸入端；通過以上的管腳列表我們可以知道如何從集成塊的管腳引線，將外部電路連接起來。2.2.3■■■■■同步變壓器，為觸發(fā)脈沖信號提供高度。在芯片中，腳的作用為同步電源信號輸入端，接同步變壓器的二次側，而它所接的電壓要求為0所以同步變壓器匝數(shù)比的計算公式如下：u\U2同步變壓器的電路圖如下所示:2.2.42.2.4■■■■■脈沖變壓器是由一個變壓器為主體的。它的二次側接了個起調壓作用的兩個二極管，脈沖變壓器是由一個變壓器為主體的。它的二次側接了個起調壓作用的兩個二極管，后面的就是其中的一個脈沖觸發(fā)端，比如1后面的就是其中的一個脈沖觸發(fā)端，比如1其中端對應的接門極，端對應的接陰極。這樣就可以達到觸發(fā)的作用了。陽極A門板-K陰極圖晶閘管管腳圖這樣觸發(fā)電路對應端與晶閘管相應管腳連接起來。即端對應的接門極G端對應的接陰極K這樣就可以達到觸發(fā)的作用了。

集成觸發(fā)電路的電路圖如下所示:圖觸發(fā)電路電路圖在該電路中，左側下端為的給定電壓，而上側位在該電路中，左側下端為的給定電壓，而上側位的負偏移電源。整個電路組成了六路雙脈沖的集成電路板?？?制及偏移電源控制電源，包括給定電壓，負偏移電壓，同步變壓器。而給定電壓和負偏移電壓可以由給定電源來產(chǎn)生。上面電路圖中的就是給定電壓，而一就被稱作負偏移電壓，這兩個電壓有下圖所示的電路圖來產(chǎn)生，他們是給集成脈沖觸發(fā)器一個正電壓，一個負電壓。其中芯片、1將在下面做介紹。它是通過整流、濾波、穩(wěn)壓源，然后輸出直流電壓。前面的橋式電路起著整流的作用。VQ83VQ83圖控制及偏移電源電路圖2.4我們所用的1芯片，統(tǒng)稱為固態(tài)三端穩(wěn)壓器，它們各自屬于■■、■■系列?！觥龊竺娴臄?shù)值代表的就是穩(wěn)壓器所輸出的電壓數(shù)。為三端正穩(wěn)壓器電路封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。而為三端負穩(wěn)壓器電路，其他性能和特征跟■■基本上是類似的。用一塊和一塊三端穩(wěn)壓器對稱連接，可獲得一組正負對稱的穩(wěn)壓電源，而且輸出電壓值可各自單獨調節(jié)，也可同步調節(jié)。其電路圖就如下所示：其中前面的電容作用為改善紋波特性，而后面的電容作用為改變負載的瞬態(tài)響應。前后的電容作用是一樣的。由于三端穩(wěn)壓器只有IN、OUT、GND三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。

3主電路器件參數(shù)計算3.1整流變壓器參數(shù)計算三相橋式全控整流電路（反電動勢阻感負載）計算公式如下：Ud—2.34C/2根據(jù)自己的設計系統(tǒng)由求Ud2.34cosOx0.9其中為電網(wǎng)波動系數(shù)?為考慮各種因素的安全系數(shù)。由于系統(tǒng)電壓調節(jié)范圍：?即的調節(jié)范圍，我取安全系數(shù)為，則求的,這就是整流電路的副邊電壓。變壓器一次及二次的相電流計算公式如下：其中為變壓器匝數(shù)比:三相整流電路（三相變壓器為變壓器匝數(shù)比:三相整流電路（三相變壓器?y）K-U■券―變壓器的容量S=31uTOC\o"1-5"\h\z111S=31U222S=-(s+S)212經(jīng)計算可得S，S123.2晶閘管的額定電壓及額定電流額定電壓三相整流電路：U=(2?3)u=(2?3)\；6u其中系數(shù)我取的是2TNm2額定電流三相(全控及半波)I=(1.5?2)Ki=(1.5?2).0.367■1.21，系數(shù)我取的是2T(AV)dBN最后計算得U=511.75VTNI=11.01AT(AV)3.3平波電抗器的電感計算三相全控橋：-UL=57.91mH,其中i取(5%?10%)i。我取的是10%IdminNdmin4■■這次的課設使我對三相橋式全控整流電路有個全面而深刻的認識，在通過一學期的學習中，雖然已經(jīng)對它的原理有了比較詳細的理解和掌握，但是通過繪制原理圖，并設計該系統(tǒng)，是我對各個元件的特性及其相關聯(lián)的電路，如品閘管的靜態(tài)特性，控制導通角，品閘管觸發(fā)電路等等，都有了更進一步的了解，將紙上的知識和實際的元器件，及其功能用途也都有了一定的結合，是對電力電子技術所學習的知識中的整流有了一個整體的感知。最主要通過這次課設是我對晶閘管的觸發(fā)電路有了詳細而全面的認識，在電力電子技術的教學中我們不僅涉及到整流還涉及到逆變，調壓等等各個方面的電路，所以對應觸發(fā)電路的比重就相對來說很少，老師也沒有完全細致的進行講解。但通過這