电力电子课程设计--三相桥式可控整流电路的设计.doc

课程设计说明书 NO.13三相桥式可控整流电路的设计摘 要整流电路尤其是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、通信系统、能源系统及其他领域。三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式可控整流电路。这次设计主要对三相桥式整流电路进行研究，研究其触发电路原理、主控电路原理及其产生的波形。在理解三相桥式整流电路工作原理的基础上，设计出合理的三相桥式整流电路的触发电路，较好的实现整流的功能。触发电路设计方面主要采用单片机控制，单片机控制可控硅整流电路实质上是通过控制器触发脉冲而实现的，因此单片机以可控硅为执行元件构成的微机控制。由于单片机集成度高，功能齐全，价格低廉，因此用它控制三相可控整流电路是理想的方法之一。关键词：整流电路；触发电路；移相触发脉冲； 单片机控制Three-Phase Bridge Controlled Rectifier Circuit Design Research And Trigger CircuitAbstractRectifier circuit is an important power electronics technology and three-phase bridge rectifier circuit which is controlled is the most important .It is used widely in the circuit, not only applies to general industry, also widely used in transportation, power systems, communications systems, energy systems and other areas. Three-phase controlled rectifier circuit is the most widely used three-phase bridge controlled rectifier circuit. The design of the main three-phase bridge rectifier circuit research, to study the working principle and the resulting waveform.Three-phase bridge rectifier circuit in understanding the basis of the principle design a reasonable three-phase bridge rectifier circuit of trigger circuit, the better to achieve rectification function. Trigger circuit design mainly adopts single-chip microcomputer control, SCM control thyristor rectifier circuit is essentially through the controller and the realization of trigger pulse, so the single chip microcomputer controlled by for the components of the microcomputer control. Because single chip microcomputer high level of integration, the function is all ready, the price is low, so use it silicon controlled rectifier circuit control three-phase is one of the ideal methodKeywords: Rectifier circuit;Trigger circuit;Change appearance trigger pulse ;Mcu Control一 绪论1.1设计的目的整流电路可将交流电源变换成直流电源。将从发电机端或交流励磁机端获得的交流电压变换成直流电压，供给发电机转子励磁绕组或励磁机磁场绕组的励磁需要，这是同步发电机半导体励磁系统中整流电路的主要任务。对于接在发电机转子励磁回路中的三相桥式可控整流电路，除了将交流变换成直流的正常任务外，还可以将储存在转子磁场中的能量，经可控桥迅速反馈给交流电源进行将直流变换成交流的逆变灭磁。三相可控整流电路的整流负载容量较大，输出直流电压脉动较小，是目前应用最为广泛的整流电路。本次设计为更好的实现各行各业对整流电路的需求，在充分了解整流主电路的基础上，设计出性能优良的触发电路，以产生出更加精密的波形，以实现各种电路对整流电路的要求。1.2设计的方法由于晶闸管的触发信号应该以过零电压信号为基准而延迟一定的相位角，所以设计脉冲形成电路的目的就在于测量电压过零的时刻，并以此时刻作为单片机计算晶闸管触发相位角的起始点。过零检测电路采用了一个光电耦合器与一个施密特反相器。然这个电压作用到光电耦合器的发光二极管上，当电压大于二极管的导通电压0.7V时其导通并发光，光电三极管导通，这样就形成了脉冲波形，再经过施密特反相器输出一个反向脉冲，这个脉冲信号将作为外部中断信号输入单片机，芯片通过判断，就可以检测出电压每次的过零点。考虑到简化电路、节约单片 机资源、提高精度等要求，脉冲形成电路将由三相电压信号处理 得到的过零脉冲反相后“线或”而后接人单片机的外部中断口INTO，因为每一个时刻有且只有一相电压的过零脉冲为低电平，故可以用中断查询的方法查询低电平出现的时刻，由单片机控制软件完成移相计算后，按照移相要求输出触发脉冲从单片机P口输出满足要求的晶闸管触发脉冲信号。经过驱动电路，连接到主控电路各晶闸管，实现单片机控制的三相可控整流电路设计。 1.3设计的意义电力电子技术研究的内容包括三个方面：电力电子器件、变流电路和控制电路。电力电子变流技术在工业化领域有着广泛的应用。家用电器节能灯、电子拖动、电炉控制系统中已采用相控整流技术。但多数触发装置普遍是模拟的，调节十分的不便，触发精度差、故障率高。采用单片机来控制晶阐管的触发，是晶阐管应用的发展趋势。由AT89C2051单片机组成的触发控制系统，可实现高分辨率的数字触发器。二 三相桥式可控整流电路的原理三相桥式可控整流电路原理方框图负载触发电路三相交流电源整流主控电路图1 三相桥式可控整流电路原理方框图2.1整流主控电路的设计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、通信系统、能源系统及其他领域8。因此，对三相桥式可控整流电路的相关参数和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，这不仅是电力电子电路理论学习的重要一环，而且对工程实践的实际应用具有预测和指导作用。整流主控电路如图2所示。图2 三相桥式可控整流主控电路三相桥式可控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）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、2。2.1.1带电阻负载时的工作情况=0时的情况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。相关波形如图3所示。图3 三相可控整流电路电阻负载=0时的波形=30时的情况当=30o时。从t1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与0o时的情况相比，一周期中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30o,组成 ud 的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低，相关波形如图4所示。图4 三相桥式可控整流电路带电阻负载=30时的波形=60时的情况电路工作情况仍可参考上图分析，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。60o时ud出现了为零的点。相关波形如图5所示。图5 三相桥式可控整流电路带电阻负载=60时的波形三相桥式可控整流电路的特点：(a)晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件。(b)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。(c)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。(d)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）。(e)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=30时的工作情况从t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，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波形与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。2.2触发电路的设计触发电路方框图 如图6所示过零检测AT89C2051单片机复位电路驱动电路对应晶闸管图6 触发电路方框图触发电路须满足条件a.触发脉冲信号应有足够的功率和宽度为了使所有的元件在各种可能的工作条件下均能可靠的触发，触发电路所送出的触发电压和电流，必须大于元件门极规定的触发电压UGT与触发电流IGT的最大值，并且留有足够的余量。另外，由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间，不是一触即通，只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的擎住电流IL以上时，管子才能导通，所以触发脉冲信号应有一定的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠导通。b.触发脉冲的型式要有助于是晶闸管导通时间的一致性对于晶闸管串并联电路，要求并联或者串联的元件要同一时刻导通，使两个管子中流过的电流及 或承受的电压及 相同。否则，由于元件特性的分散性，在并联电路中使导通较早的元件 超出允许范围，在串联电路中使导通较晚的元件 超出允许范围而被损坏，所以，针对上述问题，通常采取强触发措施，使并联或者串联的晶闸管尽量在同一时间内导通。c.触发脉冲要有足够的移相范围并且要与主回路电源同步为了保证晶闸管变流装置能在给定的控制范围内工作，必须使触发脉冲能在相应的范围内进行移相。同时，无论是在可控整流、有源逆变还是在交流调压的触发电路中，为了使每周波重复在相同位置上触发晶闸管，触发信号必须与电源同步，即触发信号要与主回路电源保持固定的相位关系。否则，触发电路就不能对主回路的输出电压Ud进行准确的控制。逆变运行时甚至会造成短路事故，而同步是由相主回路接在同一个电源上的同步变压器输出的同步信号来实现的。2.2.1驱动电路的设计 脉冲变压器结构的驱动电路如图7所示图7 脉冲变压器触发电路AT89C2051的Pl端口的P1.2P1.7(引脚1419)分别用于输出三相桥式可控整流电路VT1VT6的触发脉冲信号，6路脉冲信号分别接在如图7所示的驱动电路p接线处。 图中采用了一只光电耦合器，即U3。光电耦合器：简称光耦，它是以光为媒介传输电信号的器件。它具有抗干扰能力强、使用寿命长、传输效率高等特点，被广泛应用于电气隔离、电平转换、仪器仪表、微机接口电路中。图中最左的地线在系统中应接在单片机的一管脚上，通过单片机控制触发时间。当单片机输出为低电平时，光电二极管发光，光电三极管导通正向电压施加到Q5的基极上，Q5导通。在变压器T1的左侧形成一回路，经脉冲变压器变压后输出触发脉冲。2.2.2过零检测电路的设计 过零检测电路如图8所示图8 过零检测电路过零检测的作用可以理解为给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，作为计数器开始计数的时间基准，触发电路导通角的大小就是依据这个标准再加上为基础的。即导通角时为零电压所对应的波形加上。过零检测部分如图8所示：本设计中的过零检测电路采用了一个光电耦合器与一个施密特反相器。交流电压经过桥式整流变为单相脉动的直流电，如图9（a）所示，这个电压作用到光电耦合器的发光二极管上，当电压大于二极管的导通电压0.7V时其导通并发光，光电三极管导通，这样就形成了一个如图9（b）所示的脉冲波形，再经过施密特反相器输出一个反向脉冲如图9（c）所示，这个脉冲信号将作为外部中断信号输入单片机，芯片通过判断，就可以检测出电压每次的过零点。图9 过零检测电路输出电压波形2.2.3复位电路的设计图10 复位电路器件X25045为了使复位更可靠，采用先进的专用上电复位器件X25045，该器件具有可编程定时器，采用SPI总线结构。定时器看门狗的作用是保证在设定的时间内，若系统程序走死，不能定时访问X25045的片选端，X25045将能对系统复位提高了系统的可靠性，给单片机提供独立的保护系统。三 总结 整流电路的作用是将交流电压整流为可调的直流电压，从而将交流电能转变为直流电能，在发电机的励磁调节、直流电动机调速等领域有着广泛的应用。在实际应用中，如果要整流的负载容量较大或者对得到的直流电压有脉动小、易滤波或控制时间短等要求时，应采用三相整流装置。其中晶闸管的触发控制可以通过模拟电路、数字电路、单片机控制等方法来实现。比较发现：模拟电路控制存在着精度不高、对称性不好且容易受到温度漂移的影响等缺点；与模拟控制方式相比，数字式触发控制电路克服了上述缺点，但却又存在着电路复杂、移相触发角较大时控制精度有所降低等缺点；而单片机控制除了具有与数字式触发电路相同的优点外，更因为其移相触发角由软件计算完成，因而触发电路结构简单，控制较为灵活，精度可通过软件补偿，移相范围可以任意调节等特点，具有广阔的应用前景在这次设计中，学会了以前没有学过的过零检测电路，了解了其功能与原理。对晶闸管触发电路也有了更深一层的认识，熟悉并掌握了单片机的一些基本知识。这次设计，锻炼了我独立设计电路的能力，为以后的学习与工作打下了坚实的基础，也锻炼了我对Altium Designer summer 09的掌握能力，同时为以后的毕业设计打下了坚定的基础。 四 参考文献1 叶斌电力电子应用技术及装置M北京：北京交通大学出版社，1999，33-432 梁廷贵可控硅触发电路(遥控分册)M北京：科学技术文献出版社，2002，44-473 黄