三相桥式全控整流电路的研究及触发电路的设计

1、三相桥式全控整流电路的研究及触发电路的设计 徐小龙，张建文作者简介：徐小龙, （1987-），男，研究生，主要研究方向：高电压及故障诊断通信联系人：张建文, （1968-），男，教授，主要研究方向：电气设备状态监测与故障诊断技术. E-mail: zhang6804201.51.51.51.51.5School of Information and Electrial Engineering,China University of Mining and Technology, XuZhou 221008;School of Information and Electrial Engineeri

2、ng,China University of Mining and Technology, XuZhou 221008中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 221008;中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 221008221008;22100818795426966;1385243641918795426966苏省徐州市泉山区中国矿业大学南湖校区杏3-B5072;江苏省徐州市泉山区中国矿业大学南湖校区信电学院B225xxlong1987;zhang680420徐小龙, （1987-），男，研究生，主要研究方向：高电压及故障诊断;张建文, （1968-），男，教授，主

3、要研究方向：电气设备状态监测与故障诊断技术徐小龙;张建文XU Xiaolong;ZHANG Jianwen张建文1.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*钟秉翔，池彬虚拟仪器技术在电磁环境测试系统中的应用J重庆大学学报：自然科学版，2003，26(2)：156-158<CR>2*|*专著*|*孙树朴.电力电子技术M. 徐州：中国矿业大学出版社，2000，5(2)：102-104<CR>3*|*期刊*|*凌志斌，邓超平单相任意波形系统中功率因数定义的探讨J中国电机工程学报，2003，23(9)：39-43<CR>4*|*其他文献*|*T

4、alib S.A.,BashiS.M.,Maiilah N.F., et al. Simulation and analysis of power converter harmonics.Conference on Research and Development Proceedings, Shah Alam,Malaysia,2001:213-216<CR>5*|*专著*|*Seguier G.Power Electronic Converters AC/DC Conversion M. New York:McGrawHill,1986:476<CR>6*|*论文集*

5、|*Kamath G.R.,Benson D.,Wood R.,et al.A Novel Based on Autotransformer 18-pulse Rectifier CircuitA. IEEE APEC02C,2002:795-801|1|徐小龙|XU Xiaolong|中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 221008|School of Information and Electrial Engineering,China University of Mining and Technology, XuZhou 221008|徐小龙, （1987-），男，研究生，主要研究方向

6、：高电压及故障诊断|江苏省徐州市泉山区中国矿业大学南湖校区杏3-B5072|221008|xxlong198718795426966<CR>*|2|张建文|ZHANG Jianwen|中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 221008|School of Information and Electrial Engineering,China University of Mining and Technology, XuZhou 221008|张建文, （1968-），男，教授，主要研究方向：电气设备状态监测与故障诊断技术|江苏省徐州市泉山区中国矿业大学南湖

7、校区信电学院B225|221008|zhang68042013852436419三相桥式全控整流电路的研究及触发电路的设计|Design Of ThreePhase Rectification Circuits And Trigger Circuit|（中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 221008）摘要：对于整流电路的研究，主要体现在触发电路的研究上。本文在深入理解三相桥式整流电路工作原理的基础上，设计了一种新式的三相桥式整流电路的触发电路，更好的实现了整流的功能。触发电路设计方面分析了KC04,KC41,KC42,CD4066,CD4069等集成电路构成的各功

8、能模块的工作原理，其中着重分析了KC04实现宽、窄脉冲两种工作模式的原理及KC41和KC42之间的关系。关键词：整流电路；触发电路；移相触发脉冲中图分类号：TP29Design Of ThreePhase Rectification Circuits And Trigger CircuitXU Xiaolong, ZHANG Jianwen(School of Information and Electrial Engineering,China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)Abstract: For the resea

9、rch of the rectifier circuit, mainly embodies in the research of trigger circuit. Based on understanding the basis of the principle, the paper design a new-style trigger circuit of the three-phase bridge rectifier circuit, the better to achieve rectification function.In design of trigger circuit, an

10、alyzes the working principle of each functional module which consist by KC04, KC41, KC42, CD4066, CD4069 and other integrated circuits.And it emphatically analyzes the KC04 realization of wide, narrow pulse principle of two modes and the relationship between KC41 and KC42.Key words: Rectifier circui

11、t; Trigger circuit; Change Phase shifting triggering pulse0 引言三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路，其主电路中晶闸管装置的工作状态与门极触发电路密切相关，这就要求触发电路中的触发脉冲应有足够的功率，且触发脉冲的相位应能在规定范围内移动，另外触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。如何设计性能优良的触发电路，以产生出更加精密的波形，从而满足各种电路对整流电路的要求迫在眉睫，而以往的晶闸管触发电路一般都只能输出窄脉冲，且窄脉冲没有经过脉冲调制，而本文利用集成电路设计的可

12、控硅移相触发电路，通过KC42对宽窄脉冲进行高频调制，可输出宽窄脉冲列，该电路克服了双基极管移相触发电路工作电压高、适应面窄、热损耗大的缺陷，且电路结构简单，操作方便、安全可靠，从而给生产过程的控制精确度和电路的设计带来方便。1 三相桥式可控整流电路原理三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、能源系统及其他领域1。其主电路图如下： 图1 三相桥式全控整流电路 图2 =0°时三相桥式全控整流电路触发方式示意图Fig. 1 three-phase bridge rectifier circuit Fi

13、g. 2 triggered mode diagram三相桥式全控整流电路通过对两组桥壁晶闸管元件的有序控制，可构成电源系统对负载供电的6条整流回路。每一整流回路中含有2只晶闸管元件，一只为共阴极组的某相元件；另一只则为共阳极组的另一相元件，两个元件自然换相点相位相差为/3，各整流回路的交流电源电压为两元件所在相同的线电压。整流回路切换工作的顺序可表示为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1，为保证在整流电路任何工作状态下都能可靠触发工作，除顺序触发各晶闸管外，还必须考虑桥式全控电路的特点，使整流回路中两个自然换相点不同的元件同时得到脉冲，形成电流通路。故常采用宽脉冲或双窄脉冲

14、方式实现。当采用宽脉冲触发方式时，触发脉冲的宽度>60°，一般取为80°120°。因为相邻编号两元件的自然换相点的时间间隔为60°，所以触发某一号元件的同时，前一号元件的触发脉冲尚未结束，就保证了各整流回路中两个晶闸管元件同时具有触发脉冲，并有足够的脉冲宽度。当采用双窄脉冲触发方式时，顺序触发某一元件的同时，为其前一号元件再补发一个触发脉冲，以保证整流回路两元件同时具有触发脉冲。图2即为三相桥式整流电路触发方式示意图2。2 触发电路基本构成从而本文设计的触发电路主要包括脉冲发生电路和脉冲放大电路。其基本结构框图如图3所示。电路工作时，同步变压器对电

15、网电压进行采样并降压，之后输入KC04用来产生单脉冲，通过调节分压电阻可以实现对单脉冲占空比的调节，通过模拟开关4066来实现对KC04宽窄脉冲模式的切换，使KC04输出宽脉冲或者窄脉冲，KC42则产生高频调制波对KC04输出的宽脉冲或窄脉冲进行高频调制，使其输出宽窄脉冲列3，当KC04处于宽脉冲方式时，KC04输出直接加到驱动电路，而KC04处于窄脉冲方式时单脉冲(3片KC04产生6路)输入至KC41合成双脉冲，每组双脉冲相位相差60º，用于触发整流桥电路，最终经过脉冲变压器驱动电路驱动，用于控制晶闸管。触发电路基本结构框图如下： 直流电源同步电源输入 KC04产生单脉冲冲4066

16、模拟开关实现宽窄脉冲切换KC41产生双窄脉冲脉冲放大 驱动SCRKC42产生脉冲调制列图3 触发电路结构框图Fig. 3 trigger circuit block diagram3 脉冲发生电路的设计下图为同步信号为锯齿波的脉冲发生电路，电路结包括三个基本环节：脉冲的形成与放大、同步信号波的形成和脉冲移相、同步环节4。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图4 脉冲发生电路原理图Fig. 4 Pulse generating circuit schematicA 脉冲形成环节(V4、V5 脉冲形成，V7、V8 脉冲放大)控制电压uco加在V4基极上。uco=0时，V4截止。V5饱和导通。V7、

17、V8处于截止状态，无脉冲输出。电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1(30V)时，V4导通，A点电位由+E1(+15V) 下降到1.0V左右，V5基极电位下降约-2E1(-30V)，V5立即截止。V5集电极电压由-E1(-15V)上升为+2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。电容C3放电和反向充电，使V5基极电位上升，直到ub5>-E1(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。B 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压

18、形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。锯齿波电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电，调节RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近。V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样ue3也是一个锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者作用的叠加所定。如果uco=0，up为负值时，b4点的波

19、形由uh+up确定。当uco为正值时，b4点的波形由uh+up+uco确定。M点是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。在三相全控桥电路中，接感性负载电流连续时，脉冲初始相位应定在a=90°；如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为180°（由于考虑amin和min，实际一般为120°），由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180°，例如240°，此时，令uco=0，调节up的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波240°的中央（12

20、0°处），相应于a=90°的位置。如uco为正值，M点就向前移，控制角a<90°，晶闸管电路处于整流工作状态。如uco为负值，M点就向后移，控制角a>90°，晶闸管电路处于逆变状态。C 同步环节同步指要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。V2开关的频率就是锯齿波的频率，由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波，锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，其大小取决于充电时间常数R1C1。D 双窄脉冲形成环节内双脉冲电路由V5、V6构成“或”门。当V5、V6都导通时

21、，V7、V8都截止，没有脉冲输出，只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角a产生。隔60°的第二个脉冲是由滞后60°相位的后一相触发单元产生（通过V6）。4 脉冲放大电路的设计驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。它能使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务是按控制目标的要求施加开通或关断的信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路还要提

22、供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。本次设计采用的是基于脉冲变压器的脉冲放大驱动电路，其基本结构如下图5所示图5 脉冲放大原理图Fig. 5 Pulse amplification schematic采用脉冲变压器放大电路的原理为：脉冲由3DK4B的基极进入，触发3DK4B导通，脉冲变压器不断通断，变压器中便产生磁通，脉冲进入3DK4B放大，跟随脉冲变压器进入副边，然后输出，从而触发晶闸管。5 触发电路的硬件设计图6 触发电路的硬件图Fig. 6 hardware chart of Trigger Circuit触发电路的硬件图如上所示，其中，KC04与分立元件

23、的锯齿波移相触发电路类似，可分为同步检测、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。其中11与12脚引出接电平的高低决定了脉冲形成环节可以形成宽脉冲和窄脉冲。V1V4等组成同步环节。同步电压us经限流电阻R20加到V1和V2基极。在us的正半周，V1导通，电流从+15V-R20-VD1-V1-地。在us负半周。V2,V3导通，电流从+15V-R3-VD2-V3-R5-R21-15V，因此，在正、负半周期间，V4基本上处于截止状态。只有在同步电压us<0.7V时。V1V3截止，V4从电源+15V经R3和R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反

24、馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4，VD3迅速放电。当V4截止时。电流经+15V-R6-C1-R22-RP1-15V对C1充电。在4端形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于R22、RP1的充电电流和电容C1大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系，V6及外接元件组成了移相环节。锯齿波电压UC5、偏移电压Ub、移相控制电压Uc分别经R24，R25，R26，在V6基极上叠加。当Ub6>+0.7V时，V6导通。设UC6，UC为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节了脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。其中K1的开通与

25、关断决定了脉冲形成环节可以形成宽脉冲和窄脉冲5。当开关K1闭合时，平时V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7，VD5，V7，基射结充电。当V6由截止转为导通时，C2所充电压通过V6成为V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经+15V-R25-V6-地放电并反向充电，当其充电电压以UC2(即12脚)>=+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，宽度取决于充电时间常数R25C2的大小6。当开关K1关断时，即R25一端不接+15V时，C2不会放电，其左正右负的电压会继续通过V6成为V7基极反向偏压，维持V7截止。直到V6由导通转为截

26、止时，V7经电阻R7，VD5，V7获得基极电流而再次导通，由此可见宽脉冲后沿由锯齿波后沿决定。KC41电路是脉冲逻辑电路，当把移相触发器输出的触发脉冲输入到KC41电路的“1”“6”端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1T6进行电流放大分六路输出。补脉冲按21，32，43，54，65，16顺序排列组合。T7是电子开关，当控制“7”端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。当控制“7”端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各路无输出。KC42脉冲列调制形成器主要用于作可控硅三相桥式全控整流电路的脉冲列调制源。在触发电路中，来自三块触发器（KC04）的“13”端的触发脉冲信号分别送

27、入KC42电路的“2”，“4”，“12”端，由T1、T2、T3进行节点逻辑或组合。T5、T6、T8组成一个环形振荡器，由T4的集电极输出来控制环形振荡器的起振和停振，当没有输入脉冲时，T4导通振荡器停振。反之T4截止振荡器起振19。T6集电极输出是一系列来自三相六个触发脉冲的前沿同步间隙60.°的脉冲。经T7倒相放大分别输入三块触发器（KC04）的14端。此时从KC04的1和15端输出的是调制后的脉冲列触发脉冲。在触发电路中，4069使用了其中的非门F3和F4（只是用一个也可），具体原理如下：当外接高电平时，9脚输出高电平，控制4066的5和6为高电平，从而4066的3和4接通，8和9接通，3和9有脉冲输出。4066的12和13为低电平，于是1和2断开，10和11断开，KC41的7脚为高电平，因为7脚接低电平时把窄脉冲变成双窄脉冲，高电平时封锁，所以在其输出端无波形输出。而4066的10和11断开，使KC04的微分阻容端产生宽脉冲列，进而送到放大电路中。当外接低电平时，9脚输出低电平，