三相桥式整流电路设计

电力电子技术课程设计 第 1 页 共 21 页 一 一 设计的基本要求设计的基本要求 1 11 1 主要技术数据 主要技术数据 1 电源电压 交流 220V 50Hz 2 输出电压范围 50V 100V 3 最大输出电流 10A 4 具有过流保护功能 动作电流 12A 5 具有稳压功能 6 效率不低于 70 1 21 2 主要用途 主要用途 三相桥式整流电路在电力电子领域中的应用及其重要 也是应用最为广泛的电路 不仅在一般的工业领域的应用非常广泛 如中频炉 发电机励磁 自动控制等 也广泛 应用于交通运输 电力系统 通信系统 能源系统 以及其他领域 二 总体方案二 总体方案 控制电路 触发电路 光耦隔离 主电路 保护电路 电力电子技术课程设计 第 2 页 共 21 页 三 电路原理说明三 电路原理说明 3 13 1 主电路原理说明 主电路原理说明 3 1 13 1 1 工作原理 工作原理 三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极 接法的三相半波可控整流电路串起来组成的 如上图所示 为了便于表达晶闸管的导通 顺序 把共阴极组的晶闸管依次编号为 VT1 VT3 VT5 而把共阳极组的晶闸管依次编 号为 VT4 VT6 VT2 假设六个晶闸管换成六个整流二极管 则电路为不可控电路 相当于晶闸管触发角 0 时的情况 三相电压正 负半周各有三个自然换相点 六个自然换相点依次相差 60 对于共阴极组 阳极电位最高的器件导通 对于共阳极组 阴极电位最低的器件 导通 六个自然换相点把一个周期分成以下六段 1 t1 t t2 时 共阴极组 VT1 导通 共阳极组 VT6 导通 ud uab 2 t2 t t3 时 共阴极组 VT1 导通 共阳极组 VT2 导通 ud uac 3 t3 t t4 时 共阴极组 VT3 导通 共阳极组 VT2 导通 ud ubc 4 t4 t t5 时 共阴极组 VT3 导通 共阳极组 VT4 导通 ud uba 5 t5 t t6 时 共阴极组 VT5 导通 共阳极组 VT4 导通 ud uca 6 t6 t t1 时 共阴极组 VT5 导通 共阳极组 VT6 导通 ud ucb 通过以上分析 可知三相全控桥式整流电路有以下几个基本特点 1 任何时刻必须有两个晶闸管同时导通 一个为共阴极组 一个为共阳极组 以 便形成通路 2 晶闸管在组内换相 同组内晶闸管的触发脉冲互差 120 由于共阴极组与共阳 极组的自然换相点互差 60 所以每隔 60 有一个元件换相 同一桥臂上的两个元件的 触发脉冲互差 180 元件导通顺序为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT1 3 输出电压的波形为线电压的一部分 一周期脉动 6 次 4 变压器正负半周都有电流流过 所以没有直流磁化问题 变压器利用效率高 为了保证任何时刻共阴极组合共阳极组各有一个元件导通 必须对两组中应导通的两 个元件同时加触发脉冲 可以采用宽脉冲 脉冲大于 60 或双窄脉冲实现 电力电子技术课程设计 第 3 页 共 21 页 5 整流变压器采用 Y 接法 使电源线电流为正 负面积相等的阶梯波 更接近 正弦波 谐波影响小 3 1 23 1 2 基本数量关系 基本数量关系 1 阻性负载 电阻负载a a 60 60 时 电流波形连续 一个波头为 60 所以积分区间为 60 整流电压的平均值为 cos34 2 sin6 3 1 2 3 2 3 2d UttdUU 电阻负载且 60 120 时 电流波形断续 一个波头小于 60 所以积 分区间小于 60 整流电压平均值为 3 cos 134 2 sin6 3 2 3 2d UttdUU 积分上限到 移相范围为 120 2 感性负载 当电感足够大时 整流电流波形连续且为水平线 整流电流的平均值和有效 值相等 Id I 每个晶闸管每周期导通 120 整流电压的平均值为 cos34 2 sin6 3 1 2 3 2 3 2d UttdUU 0 时 Ud0 2 34U2 90 时 Ud 0V 移相范围为 90 负载电流平均值为 3 晶闸管的工作 三相全控桥式整流电路中 晶闸管的换流只有在本组内进行 且每隔 120 换流一 次 即在电流连续的情况下每个晶闸管的导通角为 120 因此 1 流过晶闸管的电流平均值和有效值为 电力电子技术课程设计 第 4 页 共 21 页 2 流进变压器次级的电流有效值为 3 晶闸管承受的最高电压 3 23 2 控制电路原理说明 控制电路原理说明 3 2 13 2 1 电路图的选择电路图的选择 三相桥式全控整流电路 通过控制触发角 a 的大小即控制触发脉冲起始相位来控 制输出电压大小 为保证相控电路正常工作 很重要的是应保证按触发角 的大小在 正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲 晶闸管相控电路 习惯称为触发电 路 晶闸管具有硅整流器件的特性 能在高电压 大电流条件下工作 且其工作过 程可以控制 被广泛应用于可控整流 交流调压 无触点电子开关 逆变及变频等电 子电路中 晶闸管具有下面的特性 1 当晶闸管承受反向电压时 无论门极是否有触发电流 晶闸管都不会导通 2 晶闸管承受正向阳极电压时 仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通 3 晶闸管在导通情况下 只要有一定的正向阳极电压 不论门极电压如何变化 晶闸管都保持导通 即晶闸管导通后 门极失去作用 4 晶闸管在导通情况下 当主回路电压 或电流 减小到接近于零时 晶闸管关断 根据晶闸管的这种特性 通过控制晶闸管的导通和关断时刻 就能控制整流电路 的触发角的大小 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时 为确保电路的正常工作 需保证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲 在触发某个晶闸管的同时 给序号紧前的 一个晶闸管补发脉冲 即用两个窄脉冲代替宽脉冲 两个窄脉冲的前沿相差 60o 脉宽 一般为 20o 30o 称为双脉冲触发 双脉冲电路较复杂 但要求的触发电路输出功率小 3 2 23 2 2 触发芯片的选择触发芯片的选择 关于触发电路芯片的选择 我们选用高性能晶闸管三相移相触发集成电路 TC787 TC787 是采用独有的先进 IC 工艺技术 并参照国外最新集成移相触发集成电路 而设计的单片集成电路 它可单电源工作 亦可双电源工作 主要适用于三相晶闸管移 相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路 以构成多种交流调速和变流装置 它们是目前 国内市场上广泛流行的 TCA785 及 KJ 或 KC 系列移相触发集成电路的换代产品 与 电力电子技术课程设计 第 5 页 共 21 页 TCA785 及 KJ 或 KC 系列集成电路相比 具有功耗小 功能强 输入阻抗高 抗干扰性 能好 移相范围宽 外接元件少等优点 而且装调简便 使用可靠 只需一个这样的集 成电路 就可完成 3 只 TCA785 与 1 只 KJ041 1 只 KJ042 或 5 只 KJ 3 只 KJ004 1 只 KJ041 1 只 KJ042 或 KC 系列器件组合才能具有的三相移相功能 因此 TC787 可广泛 应用于三相半控 三相全控 三相过零等电力电子 机电一体化产品的移相触发系统 从而取代 TCA785 KJ004 KJ009 KJ041 KJ042 等同类电路 为提高整机寿命 缩小体 积 降低成本提供了一种新的 更加有效的途径 TC787 的引脚排列图 各引脚的名称 功能及用法如下 1 同步电压输入端 引脚 1 Vc 引脚 2 Vb 及引脚 18 Va 为三相同步输入电压连接 端 应用中 分别接经输入滤波后的同步电压 同步电压的峰值应不超过 TC787 的工作电源 电压 VDD 2 脉冲输出端 在半控单脉冲工作模式下 引脚 8 C 引脚 10 B 引脚 12 A 分别 为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端 而引脚 7 B 引脚 9 A 引脚 11 C 分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端 当 TC787 或 TC788 被设置 为全控双窄脉冲工作方式时 引脚 8 为与三相同步电压中 C 相正半周及 B 相负半周对应的两 个脉冲输出端 引脚 12 为与三相同步电压中 A 相正半周及 C 相负半周对应的两个脉冲输出 端 引脚 11 为与三相同步电压中 C 相负半周及 B 相正半周对应的两个脉冲输出端 引脚 9 为与三相同步电压中 A 相同步电压负半周及 C 相电压正半周对应的两个脉冲输出端 引脚 7 为与三相同步电压中 B 相电压负半周及 A 相电压正半周对应的两个脉冲输出端 引脚 10 为 与三相同步电压中 B 相正半周及 A 相负半周对应的两个脉冲输出端 3 控制端 引脚 4 Vr 移相控制电压输入端 该端输入电压的高低 直接决定着 TC787 输出 脉冲的移相范围 应用中接给定环节输出 其电压幅值最大为 TC787 的工作电源电压 VDD 引脚 5 Pi 输出脉冲禁止端 该端用来进行故障状态下封锁 TC787 的输出 高电 平有效 应用中 接保护电路的输出 引脚 6 Pc TC787 工作方式设置端 当该端接高电平时 TC787 输出双脉冲列 而 电力电子技术课程设计 第 6 页 共 21 页 当该端接低电平时 输出单脉冲列 引脚 13 Cx 该端连接的电容 Cx 的容量决定着 TC787 或 TC788 输出脉冲的宽度 电容的容量越大 则脉冲宽度越宽 引脚 14 Cb 引脚 15 Cc 引脚 16 Ca 对应三相同步电压的锯齿波电容连接端 该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值 应用中分别通过一个相同容量的电 容接地 4 电源端 TC787 可单电源工作 亦可双电源工作 单电源工作时引脚 3 VSS 接地 而引脚 17 VDD 允许施加的电压为 8 18V 双电源工作时 引脚 3 VSS 接负电源 其允许施加的电 压幅值为 4 9V 引脚 17 VDD 接正电源 允许施加的电压为 4 9V 二 内部结构及工作原理简介 TC787 的内部结构及工作原理框图如图所示 由图可知 在它们内部集成有三个过零和 极性检测单元 三个锯齿波形成单元 三个比较器 一个脉冲发生器 一个抗干扰锁定电路 一个脉冲形成电路 一个脉冲分配及驱动电路 它们的工作原理可简述为 经滤波后的三相 同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后 作为内部三个恒流源的控制信号 三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容 Ca Cb Cc 恒流充电 形成良好的等斜率锯齿 波 锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压 Vr 比较后取得交相点 该交相点经集成 电路内部的抗干扰锁定电路锁定 保证交相唯一而稳定 使交相点以后的锯齿波或移相电压 的波动不影响输出 该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲 对 TC787 为调制脉冲 对 TC788 为方波 信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适 应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路 假设系统未发生过电流 过电压或其它非正常情况 则引脚 5 禁止端的信号无效 此时脉冲分配电路根据用户在引脚 6 设定的状态完成双脉冲 引脚 6 为高电平 或单脉冲 引脚 6 为低电平 的分配功能 并经输出驱动电路功率放大后输 出 一旦系统发生过电流 过电压或其它非正常情况 则引脚 5 禁止信号有效 脉冲分配和 驱动电路内部的逻辑电路动作 封锁脉冲输出 确保集成电路的 6 个引脚 12 11 10 9 8 7 输出全为低电平 电力电子技术课程设计 第 7 页 共 21 页 电力电子技术课程设计 第 8 页 共 21 页 电力电子技术课程设计 第 9 页 共 21 页 3 2 33 2 3 触发电路原理说明触发电路原理说明 如上图所示 本实验的触发电路采用双脉冲触发的方式 即 TC787 的 6 号引脚接高电 平 触发电路图的电路分析如下 TC787 的同步输入采用降压后的三相交流电信号 三相交流信号相位差为 120 度 根 据波形图可以得知输出脉冲信号的波形 输出信号的过程如下 如图所示 T1 时刻 7 号引脚 B 和 12 号引脚 A 输出脉冲 VT5 和 VT6 导通 经过 60 度后 12 号引脚 A 和 11 号引脚 C 输出脉冲 VT1 和 VT6 导通 经过 60 度后 11 号引脚 C 和 10 号引脚 B 输出脉冲 VT1 和 VT2 导通 经过 60 度后 10 号引脚 B 和 9 号引脚 A 输出脉冲 VT3 和 VT2 导通 经过 60 度后 9 号引脚 A 和 8 号引脚 C 输出脉冲 VT3 和 VT4 导通 经过 60 度后 8 号引脚 C 和 7 号引脚 B 输出脉冲 VT5 和 VT4 导通 电力电子技术课程设计 第 10 页 共 21 页 3 33 3 主电路 触发信号典型波形 主电路 触发信号典型波形 3 3 13 3 1 阻性负载 阻性负载 电力电子技术课程设计 第 11 页 共 21 页 电阻负载 30 如图所示为 0 时的波形 t1 时 ug1 触发 T1 导通 电源电压 uab 通过 T1 D6 加于负载 t2 时和二极管自然换流 D2 导通 D6 关断 电源电压 uac 通过 T1 D2 加 于负载 t3 时刻 由于 ug3 还未出现 T3 不能导通 T1 维持导通到 t4 时刻 触发 T3 导通后使 T1 承受反向电压而关断 电路转为 T3 与 D2 导通 依此类推 负载 R 上得 的是脉动频率为 3 倍电源频率的脉动直流电压 在一个脉动周期中 它由一个缺角波形 和一个完整波形组成 电力电子技术课程设计 第 12 页 共 21 页 电阻负载 60 60 是电流连续与断续的分界 如图所示是 60 时的波形 设 V3 已工作 电路输出 c 相相电压 uc 当 uc 过零变负时 V3 因承受反压而关断 此时 V1 虽已承受 正向电压 但因其触发脉冲 ug1 尚未来到 故不能导通 此后 直到 ug1 到来前的一段 时间内 各相都不导通 输出电压电流都为零 当 ug1 到来 V1 导通 输出电压为 a 相 相电压 ua 依次循环 若控制角 继续增大 则整流电路输出电压 ud 将继续减小 当 150 时 ud 就减小到零 电力电子技术课程设计 第 13 页 共 21 页 电阻负载 90 以控制角等于 90 度为例 线电压过零时 负载电压电流为 0 SCR 关断 电流波形 断续 在一个周期内每个晶闸管导通 120 在一个周期内每个晶闸管需触发导通两次 3 3 23 3 2 感性负载感性负载 在电感性负载时三相桥式半控整流电路和单相桥式半控电路具有相似的工作特点 晶闸管在承受正向电压时触发导通 整流管在承受正向电压时自然导通 由于大电感 L 的作用 工作的线电压过零变负时 晶闸管仍然可能继续导通 形成同相晶闸管与整流 管同时导通的自然续流现象 使输出电压 ud 波形不出现负值部分 电力电子技术课程设计 第 14 页 共 21 页 电感负载 30 当 30 时 此时每个晶闸管是从自然换相点后移一个角度 开始换相 当晶闸管 T a 和 T c 导通时输出线电压 Uac 经过 b 相和 a 相间的自然换相点 b 相电压虽然高于 a 相 但是 T b 尚未触发导通 因而 T a T c 继续导通输出电压 Uac 直到 30 触发晶闸管 T b 则 T a 受反压关断 电流由 T a 换到了 T b 此时输出线 电压 Ubc 由波形分析可见 由于 0 使得输出电压波形在线电压的正向包络线基础上减 小了一块相应于 30 的面积 因而使输出整流平均电压减小 电力电子技术课程设计 第 15 页 共 21 页 电感负载 90 当控制角 60 时 波形均为正值 当 60 90 时 由于 L 的自感电动 势作用 输出波形瞬时出现负值 但正面积大于负面积 平均输出电压仍然正值 当 90 时 正负面积相等 输出电压为 0 所以说在大电感负载三相全控桥电路中 移相范围是 0 90 当在大电感负载三相全控桥中 90 时 输出电压断续 由于 输出电压接近于 0 输出电流太小 晶闸管无法导通 就会出现一些不规则的杂乱波形 3 3 33 3 3 结果分析 结果分析 由以上分析可看出如下几点 1 三相全控桥式整流电路在任何时刻必须保证有两个不同组的晶闸管同时导通才 能构成回路 换流只在本组内进行 每隔 120 换流一次 由于共阴极组与共阳极组 换流点相隔 60 所以每隔 60 有一个元件换流 同组内各晶闸管的触发脉冲相位 差为 120 接在同一相的两个元件的触发脉冲相位差为 180 而相邻两脉冲的相 位差是 60 2 为了保证整流装置启动时共阴与共阳两组各有一个晶闸管导通或电流断续后能 电力电子技术课程设计 第 16 页 共 21 页 使关断的晶闸管再次导通 必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲 采用 宽脉冲 必须大于 60 小于 120 一般取 80 100 或双窄脉冲 在一个周 期内对每个晶闸管连续触发两次 两次脉冲间隔为 60 都可达到上述目的 双窄脉 冲触发电路虽然复杂 但可减小触发电路功率与脉冲变压器体积 所以较多采用 3 整流输出电压 ud 由线电压波头 uab uac ubc uba uca 和 ucb 组成 其波 形是上述线电压的包络线 可以看出 三相全控桥式整流电压 ud 在一个周期内脉动 6 次 脉动频率为 300 Hz 比三相半波大一倍 相当于 6 相 4 流过变压器次级的电流和电源线电流的波形可看出 由于变压器采用 Y 接法 使电源线电流为正 负面积相等的阶梯波 更接近正弦波 谐波影响小 因此在整 流电路中 三相变压器多采用 Y 或 Y 接法 5 晶闸管所承受的电压波形可看出 在第 1 2 两段的 120 范围内 因为 V1 导通 故 V1 承受的电压为零 在第 3 4 两段的 120 范围内 因 V3 导通 所以 V1 管承受反向线电压 uab 在第 5 6 两段的 120 范围内 因 V5 导通 所以 V1 管承受反向线电压 uac 同理也可分析其它管子所承受电压的情况 当 变化时 管 子电压波形也有规律地变化 6 脉冲的移相范围在大电感负载时为 0 90 顺便指出 当电路接电阻性 负载时 当 60 时波形断续 晶闸管的导通要维持到线电压过零反向后才关断 移相范围为 0 120 7 流过晶闸管的电流与三相半波时相同 电流的平均值和有效值分别为 当 0 时 每个晶闸管都不在自然换流点换流 而是后移一个 角开始换流 图 2 14 2 15 2 16 为 30 60 90 时电路的波形 从图中可见 当 60 时 ud 的波形均为正值 其分析方法与 0 时相同 当 60 时 由 于电感 L 的感应电势的作用 ud 的波形出现负值 但正面积大于负面积 平均电压 Ud 仍为正值 当 90 时 正 负面积相等 输出电压 Ud 0 四 参数及元件四 参数及元件 4 14 1 参数计算 参数计算 1 1 三相变压器输出电压有效值 50V 设计要求输出电压范围 50V 100V 因为 cos34 2 sin6 3 1 2 3 2 3 2d UttdUU 0 60 电力电子技术课程设计 第 17 页 共 21 页 3 cos 134 2 sin6 3 2 3 2d UttdUU 60 120 所以控制角 的取值范围是 31 3 64 9 2 直流侧最大输出电流 10A I2 8 16A Id 3 2 I2 变压器容量为 S 3U2I2 3 50V 8 16A 1224 V A 4 效率 dIU IU UI S P 3 2 2 22 4 24 2 元件选取 元件选取 1 直流稳压电路 用变压器 220V 18V 25 V A 4 个二极管 IN4001 电容 100uF 35V 三端稳压器件 7815 组成电路提供 15V 直流电 供芯片使用 2 晶闸管的选择 晶闸管承受最大正向电压为 为变压器二次线电压峰值 即 VVUU5 12250662 流过晶闸管的额定电流为 A AII I dVT T7 3 57 1 12 3 1 57 1 3 1 57 1 考虑 2 倍的安全余量 晶闸管电压额定为 VVUURMM2505 12222 额定电流为AAII TAVT4 77 322 可选型号为 KP10 5 3 变压器选择 主电路变压器 380V 50V 1 5K V A 控制电路变压器 380V 30V 4 电阻电容选择 可变电阻 R6 R7 R8 取值 10K 取 VCC 2 电压电阻采用 2 个 20K 电阻 而 C2 C3 C4 为滤波电容 它与 R9 R10 R11 构成滤去同步电压中毛刺的环节 他们取值分别为 1uF 200K 电容 Ca Cb Cc 为产生矩形波电容 当他们取 0 15 uF 时 矩形波线性最好 电力电子技术课程设计 第 18 页 共 21 页 电容 Cx 决定调制脉冲宽度 为了产生稳定的双脉冲 取值 0 15 uF 脉冲输出电流在 15V 电源工作下最大为 10mA 而光电耦合器的驱动电流为 40mA 所以要用三级管进行电流放大 三极管用 9013 其电流放大倍数大约为 150 倍 脉冲输出电压为 14V 可以得出基 极电阻阻值取为 47 集电极电阻取 300 移相控制电压取样电阻 取 1 个 51K 1 个 220K 固定电阻和 1 个 100K 可调电 阻 则可以取到的电压范围是 1 95V 5 8V 理论移相范围为 23 5 69 5 过电压保护电压采样电阻 取 1 个 100K 和 1 个 10K 的电阻 若输出电压为 100V 采样电压为 9 1V 则电压比较器的比较电压应设定为 9 1V 电压比较器电压 取样可调电阻取 100K 可调 蜂鸣器 KDB 23L090 3 3 其限流电阻取 200 RC 过压抑制电路 电阻取 51K 电容取 1uF 5 过流继电器采用 LL 12A 6 熔断丝选择 交流熔断丝 F4 F5 F7 选取 10A 直流熔断丝 F6 选取 12 5A 五 保护电路五 保护电路 随着科学技术的发展 电力电子设备与人们的工作 生活的关系日益密切 而电子 设备都离不开可靠的电源 因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用 同时 开关电源技术在不断地创新 这为直流开关电源提供了广泛的发展空间 但是由于开 关电源中控制电路比较复杂 晶体管和集成器件耐受电 热冲击的能力较差 在使用 过程中给用户带来很大不便 为了保护开关电源自身和负载的安全 根据了直流开关 电源的原理和特点 设计了过电流保护 过电压保护 5 15 1 过电流保护 过电流保护 输入过电流保护 当电路输入交流电流过大时 熔断丝会烧断 电力电子技术课程设计 第 19 页 共 21 页 输出过电流保护 在直流开关电源电路中 为了保护晶闸管在电路短路 电流增大时不被烧毁 需在输出端加过电流保护电路 其基本方法是 当输出电流超过某一值时 过流继 电器动作 从而给芯片一个信号 使其不输出脉冲 从而关断晶闸管 输出电流也 就随着降低 如上图所示 当输出电流超过 12A 的临界值时 过流继电器吸合 从 而给芯片一个高电平 使其不输出脉冲 从而关断晶闸管 输出电流也就随着降低 从而达到保护目的 熔断丝的作用是当继电器损坏后 其失去保护效果 电流继续 增大 当电流超过 12 5A 时 熔断丝就会烧断 从而断开输出回路 输出电流为 0 蜂鸣器的作用是当电流输出过大时 蜂鸣器产生间断的声音信号 从而提醒用 户检查输出回路或者降低输出电压 以减小输出电流 5 25 2 过电压保护 过电压保护 直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保 护 如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源 诸如蓄电池和整流器 的电压如果 过高 将导致开关稳压器不能正常工作 甚至损坏内部器件 因此开关电源中有必要 使用输入过电压保护电路 输入过电压保护 电力电子技术课程设计 第 20 页 共 21 页 如图为简单的 RC 过电压抑制电路 通常用于交流侧过电压抑制的连接方式 由于电容两端电压不能突