毕业设计（论文）-锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路.doc

锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路摘 要本次设计的内容为锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路。其包括三个主要部分：主电路、触发电路、同步变压器。整流电路是将交流电能转换为直流电能ac/dc。对晶闸管组成的整流器实施相移控制技术可将不变的交流电压变换为大小可控的直流电压，实现相控整流。晶闸管相控整流能取代传统的直流发电机组实现直流电机的调速，它具有结构简单、控制方便、性能稳定，利用它可方便得到大、中、小各种容量的直流电能，广泛应用于机床、轧钢、造纸、纺织、电解、电镀等领域。但是，晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发延迟角的增大而增大，输入电流中谐波分量相当大，因此功率因数很低。abstractthe content that the abstract designs originally time charges commutation circuit for the sawtooth wave moves triggering three-phase crystal brake guan quan each other. the person includes three major components: betoken circuit , trigger circuit, synchro transformer. .the commutation circuit being one of major component circuit is to change to exchanging electric energy into direct current energy , implements looking at and appraising controllable direct current pressure , realization changing control technique but the invariant alternating voltage being shifted for size charging commutation each other to the rectifier that crystal brake is composed of. it can substitute the tradition direct-current generating set realizing the continuous current dynamo speed regulation.crystal brake guan xiang charges commutation for having the structure simplicity , controls the characteristic that the function stabilizes conveniently,make use of it may get the big , small and medium, various capacities direct current energy conveniently , the quilt applies to fields such as machine tool , steel rolling , paper making , spinning and weaving , electrolysis , electroplating therefore broadly.前 言电力电子课程设计是电气自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。主要目的在于通过设计提高学生综合运用知识的能力，巩固和扩展学生的知识领域、培养学生严谨的科学态度和提高独立工作的能力；、通过设计使学生初步掌握电力电子系统设计方法，熟悉国家有关技术和经济方面的方针政策和安全规程，训练使用设计手册的技术资料的能力，培养学生利用计算机编写技术和绘制设计图样的能力.由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能和变换和控制，而构成的一门完整的学科。故其学习方法与电子技术和控制技术有很多相似之处，因此要学好这门课就必须做好实验和课程设计，因而我们进行了此次课程设计。又因为整流电路应用非常广泛，而锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路又有利于夯实基础，故我们锯齿波移相触发三相晶闸管全控整流电路这一课题作为这一课程的课程设计的课题。本课程设计说明书主要包括三相晶闸管全控整流电路的触发电路设计方案的选择；三相晶闸管全控整流主电路原理及单元电路原理的说明；参数计算；适用范围及使用注意事项等内容。本课程设计说明书在编写过程中参考了许多有的关图书、电力电子课件和课程设计资料，并引用了有关章节内容，在此表示感谢。课程设计任务1、设计目的：1. 进一步掌握晶闸管相控整流电路的组成、结构、工作原理；2. 重点理解移相电路的功能、结构、工作原理；3. 理解同步变压器的功能2、设计要求1. 根据课题正确选择电路形式；2. 绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；3. 详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；4. 编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项。3. 设计要求：1. 根据课题正确选择电路形式；2. 绘制完整电气原理图（包括主要电气控制部分）；3. 详细介绍整体电路和各功能部件工作原理并计算各元、器件值；4. 编制使用说明书，介绍适用范围和使用注意事项；4. 设计任务： 1：所选电路原理说明；2. 触发电路设计3：电路参数计算及元件选取； 4：保护电路的设计；1.方案的选择三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超4kw时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。对于三相晶闸管全控整流电路的触发电路可用锯齿波移相电路触发，也可用单片机电路来触发，还可用plc电路来触发。但由于锯齿波电路输出的为直流电压信号，且触发信号有足够的功率及脉冲有一定的宽度，脉冲的前沿较陡。故我们选择锯齿波移相触发电路来作为三相晶闸管全控整流电路的触发电路。2. 三相晶闸管全控整流电路原理说明2.1 主电路原理说明（图1三相桥式相控整流电路主电路）共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（vt1，vt3，vt5）共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（vt4，vt6，vt2）编号：1、3、5，4、6、22.1.1三相桥式相控整流电路带电阻性负载电路（图2三相桥式相控整流电路带电阻性负载电路）假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的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个晶闸管处于导通状态从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1 - ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看， ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。主要特点：（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：按vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-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。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。图3 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =0时的波形图4三相桥式全控整流电路带电阻负载a =30时的波形（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。（5）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 a=30时的工作情况从wt1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1的规律区别在于：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30变压器二次侧电流ia波形的特点：在vt1处于通态的120期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，但为负值。a=60时工作情况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。图5 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =60时的波形图6 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =90时的波形由此可见：当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当a60时，ud波形每60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1202.1.2三相桥式相控整流电路带阻感性负载电路（图7三相桥式相控整流电路带阻感性负载电路）a60时，ud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。阻感负载时，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。 a 60时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感l的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a 角移相范围为90。ud1a = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacwtowtowtowtoidiawt1uaubuc （图8 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 30 时的波形）a = 90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuacwtowtowtoubucuawt1uvt1 （图9 三相桥式全控整流电路带阻感负载a= 90 时的波形）在t1t2期间，a相电压为正最大值，t1时刻触发t1，则t1导通，t5截止，此时变成t1和t6同时导通，电流从a相流出，经t1负载、t6流回b相，负载上得到a、b线电压uab。在t2t3期间，c相电压变为负最大值，a相电压保持正最大值，t2时刻触发t2，则t2导通，t6截止，此时t1和t2同时导通，负载上得到a、c线电压uac。在t3t4期间，依此类推。在一个周期内，负载上得到六个脉动周期波形。其基波频率为300hz，脉动较小。当0时，输出电压波形发生变化。当=0度时ud波形都为正值，当60=90时，由于电感的续流作用，ud波形出现负值，但正面积大雨负面积，平均电压ud仍为正值。当正负面积基本相等，ud约等于0。 2.2触发电路工作原理晶闸管的触发条件晶闸管需要在其阳极加上正向电压，并且还须在门极与阴极之间加上触发电压才能导通。触发电压给出的时刻决定了晶闸管导通的时刻，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小（因为ud=2.34u2cos (0-uc,t5又重新导通，使t7、t8截止，输出脉冲终止。输出、脉冲前沿由t4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数r11c3有关。2.2.3 同步环节 同步就是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。锯齿波是由开关管t2来控制的。t2由导通变截止期间产生锯齿波，t2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，t2开关的频率就是锯齿波的频率。同步环节是由同步变压器tb和作同步开关用的晶体管t2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制它的通、断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。 （ 图11） 同步变压器tb二次电压utb经二极管d1间接加在t2的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，d1导通，电容c1被迅速充电。因o点接地为零电位，r点为负电位，q点电位与r点相近，故在这一阶段t2基极为反向偏置而截止。在负半周的上升段，+15v电源通过r1给电容c1反向充电，uq为电容反向充电波形，其上升速度比u tb波形慢，故d1截止。当q点电位达1.4v时，t2导通，q点电位被钳位在1.4v。直到tb二次电压的下一个负半周到来时，d1重新导通，c1迅速放电后又被充电，t2截止，如此周而复始。在一个正弦波周期内，t2包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。2.2.4 双窄脉冲形成环节产生双脉冲的方法有两种，一种是每个触发电路有每个周期内只产生一个脉冲，脉冲输出电路同时触发两个桥臂的晶闸管，这称为外双脉冲触发。另一种方案是每个触发电路在一个周期内连续出现个相隔60的窄脉冲，脉冲输出电路只触发一个晶闸管，这称为内双脉冲触发。内双脉冲是目前应用最多的一种触发方式。t5、t6构成或门。当t5、t6都导通时，t7、t8截止，没有脉冲输出。只要t5、t6有一个截止，都会使t7、t8导通，有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制t5或t6的截止，就可以主生符合要求的脉冲。其中，第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角所产生，使t4由截止变为导通，t5瞬时截止，于是t8输出脉冲。相隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元主生，在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元的基极，使t6瞬时截止，于是本相触发单元的t8管又导通，第二次输出一个脉冲，因现时得到间隔60的双脉冲。其中d4和r17和作用主要是防止双脉冲信号互相干扰。其连接框图如图12所示。 （ 图12）在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为t1t2t3t4t5t6，彼此间隔60。本相触发电路输出脉冲时x端发出信号给相邻前相触发电路y端，使前相触发电路补发一个脉冲。2.3 触发电源（15）电路（图13触发电源电路）其输入瑞分别与主电路和地相连，经tf1得到ac12v电压，再经d1整流，稳压器稳压，电容滤波，最后得到稳定的+15v电压。2.4 励磁电源电路（图14励磁电源电路）其输入瑞分别与主电路和地相连，经tf2得到ac110v电压，再经d2整流，电容、电感滤波，最后得到110v直流励磁电压uf。3电路参数计算和元器件选取3.1 主电路参数的计算3.1.1 整流变压器的选择整流变压器的基本参数是二次侧相电压与变压器容量。(1)二次侧相电压u2的计算u2=（kudmax）/（acosmin） (取udmax=un=300v,r=500，a=2.34，=0.9，min=300)代入式得：u2=（1 300）/（2.340.9cos300） =164.47v (2) 二次侧相电流i2和一次侧电流i1的计算对于三相全控桥有 id=ud/r=300/500=0.6a i2=0.8160.6=0.4896ai1=1/kid/1.22=1/1.3380.6/1.22 =0.367a(k=u1/u2=220/164.47=1.338; id/i2=1.22)(3)变压器容量变压器初级容量s1，次级容量s2分别为：s1=m1u1i1 s2=m2u2i2 变压器的容量为：s=1/2（s1+s2） 式中，m1,m2为初、次级的相数，都为3。 将u1，u2，i1，i2代入式中得：s1=32200.367=242.22vas2=3164.470.49896=241.57vas=1/2（242.22+241.57）=241.895va从上述数据可得变压器的参数： 变压器参数：相 数接 线容量（va）一次侧电压 （v）一次侧电流（a）二次侧电压 （v）二次侧电流 （a）3d，y1241.8952200.637164.470.48963.1.2 额定电压的选择：根据晶闸管承受的正向或反向峰值电压utm在乘以安全系数23倍,即utn=（23）utm。参照标准电压系数，确定晶闸管的额定电压utm。由三相全控桥整流变压器接成d/y型式，则utm=1006 即：uin=(23)utm=(23)*2.45*300=14702205v，取utn=2200v。3.1.3 额定电流的选择： 原则：晶闸管允许通过的额定电流有效值itn应大于实际流过晶闸管的电流有效值在it，为使晶闸管不因过热而损坏，应用1.52倍的安全裕量。即 itn=（1.52）it/1.57 按串入足够电感量的电抗器，电流连续且平直考虑，则流过晶闸管的电流有效值it为： it=id 则it=（1.52）it/1.57=（1.52）0.6/1.57=0.5730.764a 取it=1a 故，选择的晶闸管的型号为：kp12200型晶闸管4. 保护电路4.1 晶闸管的保护晶闸管元件的主要弱点是承受过电流和过电压的能力很差，即使短时间的过流和过电压，也可能导致晶闸管的损坏，所以必须对它采用适当的保护措施。晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，r-c阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。4.2 过电压保护过电压可能导致晶闸管的击穿，其主要原因是由于电路中电感元件的通断、熔断器熔断或晶闸管在导通与截止间的转换。对过压保护可采用两种措施阻容保护 阻容保护是电阻和电容串联后，接在晶闸管电路中的一种过电压保护方式，其实质是利用电容器两端电压不能突变和电容器的电场储能以及电阻使耗能元件的特性，把过电压的能量变成电场能量储存在电场中，并利用电阻把这部分能量消耗掉。4.3 过电流保护: 当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。采用快速熔断器作过电流保护，其接线图（见图）。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔