三相桥式可控整流电路设计

电力电子技术

课程设计

题目：三相桥式可控整流电路设计

院系名称：电气工程学院专业班级：电气F1206 学生姓名：学号：

指导教师：臧义教师职称：副教授

评语及成绩：

指导教师：

日期：

目录

摘要： (1)

引言： (1)

1 课题简介 (1)

1.1课题研究背景 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.3 本课题研究内容 (2)

2 系统总体设计方案 (2)

2.1 设计方案论证 (2)

3 三相桥式可控整流电路 (4)

3.1 三相桥式全控整流电路（阻性负载） (5)

3.1.1带电阻负载α=0时的工作情况 (5)

3.1.2带电阻负载α=30时的工作情况 (7)

3.1.3带电阻负载α=60时的工作情况 (7)

3.1.4带电阻负载α>60时的工作情况 (7)

3.1.5 小结 (8)

3.2 三相桥式全控整流电路（感性负载） (8)

3.2.1带电感负载α=0时的工作情况 (8)

3.2.2带电感负载α=30时的工作情况 (9)

3.2.3带电感负载α=60时的工作情况 (10)

3.2.4带电感负载α=90时的工作情况 (10)

3.2.5三相桥式全控整流电路(a>60) (11)

3.2.6三相桥式全控整流的电流有效值 (11)

3 系统硬软件设计 (12)

3.1 硬件设计 (12)

3.1.1 电路框图 (12)

3.1.2 设计方框图 (12)

3.1.3 设计主电路图 (13)

3.2 软件设计 (13)

3.2.1 软件设计及流程 (14)

4主电路保护 (16)

4.1 过电压的产生和保护 (16)

4.2 过电流的保护 (17)

5 软硬件设计及调试 (18)

5.1 仿真模型电路设计 (18)

5.2 电路仿真结果 (18)

5.2.1阻性负载 (18)

5.2.2感性负载 (19)

6 结语 (19)

参考文献 (20)

附录A 系统电路图 (21)

附录B C8051-F020 主控制图 (22)

三相桥式可控整流电路的设计

摘要：

本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压38OV经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏。对三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路进行了理论分析，建立了基于

Matlab/Simulink的三相桥式整流电路的仿真模型，并对其带纯电阻负载及电阻电感性负载时的工作情况进行对比分析。

关键词：MCU ；SCR；电力电子；三相桥式半控整流；三相桥式全控整流。

引言：

整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用最为广泛的电路，它不仅应用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统及其他领域。因此调试三相桥式可控整流电路的相关参数并对不同性质负载的工作情况进行对比分析与研究具有一定的现实意义。本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图，由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR(可控硅)再整流为直流供负载用。

1 课题简介

1.1课题研究背景

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称

为可控硅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。

三相桥式可控整流电路的设计指使用电力电子器件对三相电能进行变换和控制的技术。

1.2 国内外研究现状

电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。最终用户在使用电能时常常需要进行预处理。如降压、滤波、无功补偿等：据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的；直流输电(HVDC)在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置；近年发展起来的柔性交流输电(AFCTS)可以大幅度提高电网输电能力和稳定性；手段：快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高。如有源滤波器(APFAetivepowerFi一ter)可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。

1.3 本课题研究内容

本文研究的内容主要是建立一个对三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路介绍，并进行了理论分析，使用电力电子器件对三相电能进行变换和控制的技术。条件是把三相输入交流电压：380V，50Hz；使输出功率：2KW；另外添加一定的保护设施，晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏，因此对晶闸管的电压和电流保护，防止晶闸管烧坏；

2 系统总体设计方案

2.1 设计方案论证

三相桥式整流主要由CSR(晶闸管)器件组成，其基本结构图为图2.1

晶闸管的开关特点

(1) 当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什

么电压，CSR始终处于关断状态；

(2) UAK>0时，只有GEk>0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；

(3) SCR一旦导通，门极G

将失去控制作用，即无论EG

如何，均保持导通状态。SCR

导通后的管压降为1V左右，主

电路中的电流I由R和RW以

及EA的大小决定；图 2.1基本结构图

(4)当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低(通过调整Rw)至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流；

综上所述：SCR导通条件：UAK>0同时UGK>0，由导通一关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小EA，，直至EA<0来实现) 晶闸管的几种导通方式：

(1) 正常触发导通：UAK>0，同时UGK>0；

(2) 阳极电压作用：当UAK上升至某个大数值，使V2的漏电流由于雪崩效应而加大，同时由于正反馈而使漏电流放大，最终使SCR饱和导通；

(3) dU/dt作用：如果UAK以高速率上升，则在中间结电容上产生的电流可以引起导通；

(4) 温度作用：温度上升，V1，V2的漏电流加大，引起SCR导通；

(5) 光触发：当强光直接照射在硅片上，产生电子空穴对，在电场的作用，产生触发SCR的电流。目前，有一些场合使用这种方式来触发SCR，如高压直流输电(HVDC)。这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良好的绝缘。这种SCR又称为光控晶闸管(LightTriggeredThyristor一LTT)。

晶闸管的基本特性：

(1)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；电子科技人学硕十学位论文：基于三相桥式可控整流电路的设计；

(2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；

(3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

(4)要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以F。

从这个角度可以看出，CSR是一种电流控制型的电力电子器件。

晶闸管的触发：

(1)作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

(2)广义上讲，晶闸管触发电路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。

(3)晶闸管触发电路应满足下列要求：

●触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通(门极电流应大于擎住电流)；

●触发脉冲应有足够的幅度；

●不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内；

●应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

三相全桥按负载不同可分为带电组和带电感负载，以下分别讨论这两种负载的区别。

3 三相桥式可控整流电

路

三相全桥的特点：

●负载容量较大，或要求直流电

压脉动较小、易滤波时使用三相整流电路；

●应用最为广泛；

●共阴极组-----阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1、VT3、VT5)；

图3 三相桥式可控整流电路

●共阳极组-----阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)；

●注意编号顺序：1、3、5和4、6、2，一般不特别说明，均采用这样的编号顺

序。

3.1 三相桥式全控整流电路（阻性负载）

3.1.1带电阻负载α=0时的工作情况

图3.1.1 三相桥式全控整流电路(带电阻负载α=0时的波形)

l)带电阻负载时的工作情况

(1)α=0时的情况

●对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通；

●对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低(或者说负得最多)的导

通；

●任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态。其余的SCR

均处于关断状态；

●触发角a的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换

相点；

●从线电压波形看，侧为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。

时 段

1 2 3 4 5 6 共阴极组中导通

的晶闸管

VT 1 VT 1 VT 3 VT 3 VT 5 VT 5 共阳极组中导通

的晶闸管

VT 6 VT 2 VT 2 VT 4 VT 4 VT 6 整流输出电压u d u a -u b =u ab u a -u c =u ac u b - u c =u bc u b - u a =u ba

u c - u a =u ca u c -u b =u cb

表3.1.1 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0时时晶闸管工作情况 (2)三相桥式全控整流电路的特点：

两个CSR 同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个SCR

导通，且不能为同相的两个SCR(否则没有输出)。

对触发脉冲的要求：

● 按VT1一VT2一VT3一VT4一VT5一VT6的顺序，相位依次差60； ● 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2

也依次差120；

● 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3，与VT6，VT5与VT2，

脉冲相差180；

ud 一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为6脉波

整流电路；

需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲(采用两种方法：一种是宽脉冲触发(大

于60)；

另一种是双脉冲触发(常用)：在Ud 的六个时间段，均给应该导通的CSR 提

供触发脉冲，而不管其原来是否导通。所以每隔60就需要提供两个触发脉冲； 实际提供脉冲的顺序为：1，2-2，3-3，4-4，5-5，6-6，1-1，2，不断重复。 ● 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的

关系也相同为：

3.1.2带电阻负载α=30时的工作情况

图3.1.2三相桥式全控整流电路(带电阻负载α=30时的波形)

晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30a；

●从Ut1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段

导通晶闸管的编号等仍符合表3.1.1的规律；

●变压器二次侧电流i波形的特点：在VT1处于通态的120期间，i为正，

ui波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT；处于通态的120期间，i波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。

3.1.3带电阻负载α=60时的工作情况

ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。a=60时ud出现为零的点。(因为在该点处，线电压为零)

3.1.4带电阻负载α>60时的工作情况

当a>60时，如a=90时电阻负载情况下的工作波形如图3.1.4所示：

图3.1.4 三相桥式全控整流电路(带电阻负载α=90时的波形)

3.1.5 小结

●当a<60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形一样，也连续；

●当a>60时，ud波形每600中有一段为零，ud波形不能出现负值；

●带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120。

3.2 三相桥式全控整流电路（感性负载）

3.2.1带电感负载α=0时的工作情况

当a<60时：u波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样；

区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。电感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，

当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。

图 3.2.1 三相桥式全控整流电路(带电感负载α=0时的波形) 3.2.2带电感负载α=30时的工作情况

图 3.2.2 三相桥式全控整流电路(带电感负载α=30时的波形)

3.2.3带电感负载α=60时的工作情况

图 3.2.3 三相桥式全控整流电路(带电感负载α=60时的波形) 3.2.4带电感负载α=90时的工作情况

图 3.2.4 三相桥式全控整流电路(带电感负载α=90时的波形)

3.2.5三相桥式全控整流电路(a>60)

(1)当a>60时：电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，时ud波形不会出现负的部分，而电感性负载时，由于电感L的作用，ud现负的部分；电阻负载波形会出现负的部分；

带电感性负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。因为在a=90时，Ud波形上下对称，平均值为零。

(2)基本参数关系

●当整流输出电压连续时(即带电感性负载时，或带电阻负载a<60时)的平均值

为：

●带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为：

●输出电流平均值为：Id=Ud/R

3.2.6三相桥式全控整流的电流有效值

当整流变压器采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-4中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为

晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。

三相桥式全控整流电路接反电势电感性负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算I。时有所不同，接反电势电感性负载时的工。

为：

I d=(U d—E)/R

3 系统硬软件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 电路框图

美国德州Cygnal公司推出的一种混合信号SOC型8位单片机C805F1单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SCO),具有与8051兼容的高速CIP一51内核,与MCS一51指令集完全兼容,片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件;内置FLASH程序存储器、内部RAM,大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM,即XRAM。CSO51F单片机具有片内调试电路,通过4脚的JATG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。特别是C8051F020(简称FO20)。它属于C805F1系列中的FOZX子系列。其性能价格比在目前应用领域极具竞争力。电路框图如图 3.1.1

图3.1.1 电路框图

3.1.2 设计方框图

用C8051一FO20作为MCU的中央处理器,其方框图为:

图3.1.2 C8051 方框图

3.1.3 设计主电路图

主回路由工频电压交流380伏经空气开关(过流,过压保护)到继电器送到升压变压器选用380伏,650伏,800伏的电压的等级,并经快速熔断器(FUSE)后由三相桥式整流电路(6个晶闸管构成)整流为直流电压到负载。该电路的保护功能是:过电压保护;过电流保护。设计主电路图如图3.1.3所示

图3.1.3 设计主电路图

3.2 软件设计

8位单片机程序由于功能相对单一，一般来说，没有操作系统的支持。在这种情况下,程序的主体结构只能由一个控制环路组成。本机的程序由一个控制环路和中断组成。主控部分完成数据的接收，处理，显示等任务。中断部分完成SCR

的触发,通讯接口等任务。

图3.2 触发系统工作示意图

3.2.1 软件设计及流程

1.8031与主CPU信息的交换:

(l)接收主CUP的信息是以响应NITBI中断方式进行的,当响应中断后首先读取374(l)的数值,判断高二位是否全1,若是转入命令译码,并执行有关命令, 对于有些命令8031应在内部ARM中设立标志,如收到工作方式命令,在3HE单元存放命令号;命令E7表示来自主CUP的数据代表a,命令F8表示来自主机的数据为晶闸管设备输出电压的百分数,收到F7、F8后8031对内部RMA的第OHD位进行置位或清零,为以后的操作保存依据。来自主CUP的数据在O一191之间,用它来表示电压百分数,其分辨率不大于1%,表示a其分辨率不大于1。8031收到数据后,若ODH=0则应根据各电路形式标志,查表取得对应的a值,然后将其转换成r并算出其y值,再将r转换成相应的定时脉冲个数Ar。若244的输出包含着检测工作情况的信息.'8031应对其进行扫描检和判断.若不正常置位Pl口的零位并向374写入告警代码,向主机申请中断。

(2)定时器使用

8031内部定时器C/T。作为区域和r定时,8031晶振选用6MHz,一个计时周期为Zus,50Hz的600。需1667个脉冲.定时器初值为F97HC。在一个时区内C/T。采用两次定时,第一次定时从本区起点开始,定时器初值为FFFFH一rA,第一次定时的角度为r。第一次定时中断后,即由P1口输出触发脉冲。第二次定时紧接着第一次定时结束。C/T。的初始值为F97Hc十Ar,故第二次定时的角度为60于r这样两次定时为600,紧接着进入下一次时区。

c/TO作为脉宽定时,在C/T。第一次定时中断时起动c/T1,其初值根据所需脉宽决定,c/Tl,定时溢出时CPu清零P1口,输出脉冲终止。

主要的程序流程图如下:

图3.2.1a 主程序框图图3.2.1b T2中断程序图

图3.2.1c T1中断程序图

4主电路保护

4.1 过电压的产生和保护

1）外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因

(1)操作过电压:由分闸、合闸等开关操作引起

(2)雷击过电压:由雷击引起

因此该电路的正极与设备地相联接。

2)内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

(1)换相过电压:晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断,因而有较大的反向电流流过,当恢复了阻断能力时,该反向电流急剧减小,会由线路电感在器件两端感应出过电压;

(2)关断过电压:全控型器件关断时,正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

4.2 过电流的保护

过电流------分为过载和短路两种情况

1)常用措施

(1)快速熔断器、直流快速开关和过流继电器,同时采用几种过电流保护措施,提高可靠性和合理性;

(2)电子保护电路作为第一保护措施,快熔仅作为短路时的部分区段的保护,直流快速开关一般整定在电子电路动作之后实现保护,过流继电器一般整定在过载时动作。

2)快速熔断器(熔断时间可达到5mS以下)

电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施,选择快熔时应考虑:

(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定

(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定

(3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值

(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化,应考虑其时间--电流特性

(5)快熔对器件的保护方式:全保护和短路保护两种

全保护：过载、短路均由快熔进行保护,适用于小功率装置或器件裕度较大的情况。

短路保护方式:快熔只在知路电流较大的区域起保护作用。

3)快速开关和过流继电器

(l)快速开关用在直流电路中,它的完全分断时间最快为10ms。

(2)过流继电器有直流和交流两种,它们的动作时间一般为几百ms。

(3)在实际装置中,为了避免经常更换快熔,一般需用较小容量快速开关或过流继电器,而同时选用较大容量的快熔。这样,在发生过流时,快速开关或过流继电器首先动作,即使动作速度不如快熔,同样可以保护器件。经过复位后,又可正常工作。

4)使用电子保护电路进行过流保护

(1)有对重要的且易发生短路的晶闸管设备,或全控型器件(很难用快熔保护),需采用反馈电子电路进行过电流保护,其响应最快。