三相桥式全控整流电路的性能研究

1、三相桥式全控整流电路的性能研究一,原理及方案三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶 闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流 主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保 护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保 护。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定相, 保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流, 带动直流电动机运转。结构框图如图1-1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三 个部分。框图中没有表明保护电路

2、。当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电 路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使 主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电通给直流电动机，使之工作。电源 L 三相桥式全控整流电路 直流电动机触发模块图1-1三和桥式全控整流电路结构图二、主电路的设计及器件选择实验参数设定负载为220V、305A的直流电机，采用三相整流电路，交流测 由三相电源供电，设计要求选用三相桥式全控整流电路供电，主电路采用三相全 控桥。1 .三相全控桥的工作原理如图2T所示，为三相桥式全控带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢 电感与电枢电阻，故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的3

3、个晶闸管称为 共阴极组：阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中与a、b、c 三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5,共阳极组中与a、b、c三 相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2o晶闸管的导通顺序为VT1-VT2 -VT3-VT4-VT5-VT6o变压器为A-Y型接法。变压器二次侧接成星形得到零 线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网图2-1三相桥式全控整流电路带（阻感）负载原理图2 .三相全控桥的工作特点（1）2个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。对触发脉冲的要求：按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的

4、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180oud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电品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。3 .阻感负载时的波形分析三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用 于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载 的情况，与带阻感负载的情况基本相同。当a W60度时，ud波形连续，电路

5、的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。 区别在于负载不同时，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，电阻负载时ud波形与id的波形形状一样。而阻感负载时，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。图2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负 载a二0度和a二30度的波形。图2-2中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流iVTl的波 形，可与带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段， iVTl波形由负载

6、电流id波形决定，和ud波形不同。图2-3中除给出ud波形和id波形外，还给出了变压器二次侧a相电流ia 的波形，在此不做具体分析工a=i I II ni iv v VI”川i n in iv v vi图2-2触发角为0度时的波形图图2-3触发角为30时的波形图(a当a >60度时，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。图2-4给出了a =90度时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将 基本相等，ud平均值近似为零。这说明，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度。图2-

7、4触发角为90时的波形图三、触发电路设计控制品闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电 路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。 3.1集成触发电路本系统中选择模拟集成触发电路KJ004, KJ004可控硅移相触发电路适用于 单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输 出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电 路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、 对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：皿76»- 15V+

8、4图3-1 KJ004的电路原理图3.2 KJ004的工作原理如图31 KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它 与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。VIV4等组成同步环节，同 步电压uS经限流电阻R20加到VI、V2基极。在uS的正半周，VI导通，电流 途径为（+151<3811一地）；在uS负半周，V2、V3导通，电流途径为 （+15VR3VD2V3 R5 R21 一 （一 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|VO.7V时。，VIV3截止，V4从电源十 15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接

9、在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。 在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经（+15V-R6- C1-R22RP1 一（一 15V）对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取 决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。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、R23、R26在Y6基极上叠加。当ube6>+0.7V时，V6导通。 设uC5、Ub为定值，改变UC,则改变了 V6导通的时刻，从而

10、调节脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。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-V6一地）放电并反向充电，当其充电电压比22+1.4时,，V7 乂恢复导通。 这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和 C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相 位差为180°的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周 VI导通,V8截止，V12导通，

11、V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时， V7正脉冲乂通过二极管VD7,经V9VII放大后输出脉冲。在同步电压负半周, 情况刚好相反,V8导通,V12截止,V7正脉冲经V13V15放大后输出负相 脉冲。说明：1） KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压,从 而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、1D6VD8为隔离二极管。2）采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个 或门形成六路脉冲，并由三极管VIV6进行脉冲功率放大。3）由于V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相 差的脉冲产生，这样，要获得三相

12、全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路 同相的同步电压。因此主变压器接成D. ynll及同步变压器也接成D, ynll情 况下，集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc分别与同步变压器的uSA、uSB、 uSC相接RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位 3.3集成触发器电路图三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041 内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉 冲,再由六个晶体管进行脉冲放大即可,分别连到VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图32所示：5

13、： ：J-tr E-G： OZ CZ£图3-2集成触发电路图、仿真1. MATLAB 建模三相桥式全控整流器的建模、参数设置 三相桥式全控整流器的建模可以直接调用通用变换器桥(6-pulse thyristor)仿真模块。参数设定如图5-1所示:图5-1通用桥参数设置图7 同步电源与6脉冲触发器的封装同步电源与6脉冲触发器模块包括同步电源和6脉冲触发器两个部分，6脉冲触 发器需要三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换 成线电压。具体步骤如下：建立一个新的模型窗口，命名为TBCF； 打开相应的模块组，复制5个inti （系统输入端口）、一个outl （系统输出

14、端口、3 个 voltage Measurement （电压测量模块）、1 个 6-Pulse Generator （脉冲触发器）。按图5-2连线。Id回图4-2触发器模块连接图13进行封装，封装图如图5-3所示。UaUbUc block图1-3封装图三相桥式全控整流电路的建模、参数设置建立一个新的模型窗口，命名为ban2。将三相桥式全控整流器和同步6脉冲触 发器子系统复制到ban2模型窗口中。通过合适的连接，最后连接成如图5-4所 示的命名为修改版的三相桥式全控整流器电路仿真模型。相关参数说明：交流电 压源Ua、Ub、Uc等于U2为179. 6V,频率为50Hz, Ua相序为0度，Ub相序为

15、-120 度，Uc相序为-240度。RC中的参数为：R为1欧，L为OH, C为(le-6) F。RL 中的参数为：R的参数为0. 721欧，L (平波电抗器)的参数为4. 4mHo DC的参 数为-220V可设为任意值二Kx ,. = U ipRM7il« Edi I Titr Sinul«U«a Fwt Iqv1> E“p Ik0 m ±里9上> 而二iZ生物 “向隈UdSco 口言Id1031J 47图4-4三相桥式全控整流电路仿真图2 . MATLAB 仿真打开仿真参数窗口，选择odel23tb算法，将相对误差设置le-3,仿真开始 时

16、间设置为0,停止时间设置为0.04秒。在下面的仿真图中Ud、Id为负载电压 (V)和负载电流(A)o触发角为。度是的波形图4-5触发角为0度时ud、id的波形图 触发角为30度时的波形图4-6触发角为30度时ud、id的波形图触发角为90度时的波形图4-7触发角为90度时ud、id的波形图3 仿真结构分析由仿真出的触发角分别为0度、30度和90度的Ud、Id波形图和图2-2、图 2-3,图2-4比较可知，三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，在负载电感 足够大以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感负载时相似，电路中各 处电压、电流波形均相同、仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的 Id为：