电力电子张成志(共17页)

1、张成志 三相桥式全控整流电路的设计辽宁工程技术大学 - 12 - - 19 -第一章 系统设计思路(sl)及系统框图与系统(xtng)电路图根据任务书的要求，本设计需要设计一个带反电动势负载的三相桥式全控整流电路，对电路的其他指标都未做出详细的规定。针对以上要求，整个系统应该包括由功率器件组成的主电路、触发电路、控制电路、检测电路、隔离电路、保护及滤波(lb)电路组成，系统框图如图1-1所示。图1-1系统框图主电路采用六个晶闸管组成的三相桥式全控整流电路，触发电路使用集成移相触发芯片TC787及少数外围器件组成，用霍尔元件检测流过负载的电流，主电路与信息电路采用隔离方式。各个部分电路的原理将在

2、以下的论述中逐一介绍。图1-2系统电路图第二章 主电路(dinl)原理及电路图主电路(dinl)采用如图2-1所示的桥式结构。习惯将其中阴极(ynj)连接在一起的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。此外，一般希望晶闸管按从VT1至VT6的顺序导通，为此将晶闸管按图2-1所示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为、， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为、。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为。为了便于分析，先假设晶闸管的触发角，此时电路相当于有六个二极管组成的三相不可控整流电路。对于共阴极组的3个晶闸

3、管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，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，施加于负载上的电压为某一线电压，各个晶闸管的换相点均为自然换相点。若电路中晶闸管的触发角，则每个晶闸管导通的条件不仅要求承受正向电压，还要有适时地有足够强度的触发脉冲。每个晶闸管的触发导通点会推迟角度。由于任务书中所要求的负载是反电势负载，且电感，因此负载电流连续。图中变压器二次侧输出线电压为380V，。图2-1 主电路原理图第三章 触发(chf)电路晶闸管触发电路的作用是产生使晶闸管可靠导通的门极触发脉冲，确保

4、晶闸管在需要的时刻(shk)由阻断变为导通，一般触发信号对于门极阴极都是正极性的。触发信号必须满足以下要求：有足够大的功率(gngl)；有足够的宽度，且前沿要陡；有足够的移相范围；抗干扰能力强，稳定性好。3.1 触发电路的选择表3-1 不同的晶闸管触发电路性能比较电路类型优点缺点应用举例分立元件组成的触发电路可以由分立元件组成，原理清晰，不需要另外购买元件，成本相对要低。电路结构复杂，稳定性不如另外两种电路，体积大，功耗高，不适合批量生产现在应用较少。集成化晶闸管移相触发电路体积小、功耗小、性能稳定可靠、外围电路简单、使用方便，目前得到了广泛的应用。仍然受元件参数的分散性、同步电压波形畸变、电

5、网电压波动等干扰因素的影响。KJ系列、KC系列等数字化晶闸管移相触发电路使用了微处理器控制，脉冲不对称性极小，控制精度极高，是目前最优的触发电路形式。需要给微控制器编写程序，且成本较高。单片机、DSP等三相桥式全控整流电路的触发电路一般有三种可选的方案，它们分别是由分立元件组成的触发电路、集成化晶闸管移相触发电路、数字化晶闸管移相触发电路。对于这三种电路拓扑的优缺点进行比较，如表3-1所示。通过比较三种电路的优缺点，综合考虑各方面因素，本次设计中选用集成化晶闸管移相触发电路。通过比较各种集成芯片，最终决定选用高性能集成晶闸管移相触发器TC787。3.2 触发电路原理TC787是采用独有的先进I

6、C工艺技术，并参照国外最新移相触发电路而设计开发的具有我国自主知识产权的单片集成电路，主要应用于三相晶闸管移相触发和三相电力晶体管脉宽调制电路。它是目前国内广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发电路的代换产品，具有功耗小、功能强、抗干扰性好、移相范围宽、外接元件少等特点。只用一片TC787外加少数器件即可实现三片TCA785或四片KJ系列的功能。TC787内部集成了三个过零检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配电路，TC787的引脚功能分配如表3-2所示。表3-2 TC787引脚功能表引脚标号功能简述说明1、2、

7、18分别为Ua、Ub、Uc三相同步输入电压输入端一般要加输入滤波器8、10、12分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端一般要加输出隔离电路7、9、11分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端4移相控制输入端电压幅值不能大于芯片工作电压5Lock信号输入端，高电平封锁所有脉冲输出接保护电路的输出6工作方式选择端，为高时输出双脉冲，为低时输出单脉冲本次设计中接高电平13所接电容的大小决定输出脉冲的宽度14、15、16对应三相同步电压的锯齿波电容连接端一般接0.1uF的电容到地3、17电源端可使用单电源与双电源TC787的典型应用(yngyng)电路如图3-1所示，这里只给出原

8、理框图，具体的电路图请到附录中查看。图3-1 TC787组成的触发电路(dinl)原理简图当TC787的引脚6接高电平时，芯片被设置(shzh)为双窄脉冲工作方式。由电阻、电容组成的T型网络一方面可以用来滤除同步电压上的干扰毛刺电压，增加抗干扰能力，二则根据主电路整流变压器与同步变压器的不同联结(linji)组别实现同步电压的移相，使输出触发脉冲更好的与晶闸管两极间电压实现相位同步。第四章 开关器件触发次序及相位分析六个晶闸管的触发脉冲按的顺序，相位依次相差；共阴极组、的触发脉冲依次差，共阳极组、的触发脉冲也依次差；同一相上下两个桥臂，即与、与、与，触发脉冲相差。本次设计中采用双脉冲触发方式，

9、双脉冲的发生与分配完全由TC787内部集成的脉冲形成电路和脉冲分配电路完成，不需要用户另外再外加双脉冲形成芯片。第五章 保护(boh)电路原理及电路图5.1 过电压保护(boh)过电压保护可以(ky)采用图5-1所示的阻容保护电路，该网络的RC直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要使电阻发热，造成能量的损耗。为了克服这些缺点，可采用整流式阻容保护电路，阻容式保护电路如图5-1所示。三相交流电经过二极管整流桥变为脉动直流电，通过给充电，电路正常工作（无过电压）时电容两端保持交流电的峰值电压，整流桥给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。由于与并联的阻值很大，电

10、容的放电速度非常慢，因此整流桥输出的电流也非常小。一旦出现过电压，过电压的能量被电容吸收，只要的容量足够大，就可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使电流电压不超过额定值。过电压消失后，电容经放电使两端电压恢复到交流电正常的峰值。由此可以看出，越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常的时间也越长，因此的大小受到两次过电压最小时间间隔的限制。另外，对于过电压的保护，除了以上介绍的方法之外，采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是常用的措施。在这里就不再一一详述。图5-1 整流式阻容保护电路5.2过电流(dinli)

11、保护在本次设计中采用了两种过电流保护的措施，一是在每个桥臂上串联一个快速熔断器，二是使用霍尔电流传感器的输出封锁触发信号。快熔是电力电子装置中应用最广泛的有效的保护措施，根据电路设计的要求来选择一定功率的快熔，基本上能满足要求。但快熔也存在缺点，它需要经常更换，而且不易整定它的参数。因此，设计中还采用了霍尔电流传感器来检测负载中的过电流，一旦过电流超过了限定的值，霍尔传感器的输出即可封锁触发电路的脉冲输出。 而且这种方案响应(xingyng)时间一般不大于1ms，速度快。图5-2所示是在整流桥每个桥臂上串联快熔的电路图。元器件具体参数的选择将在本文的第8部分进行详细的说明。图5-2为用霍尔元件

12、(yunjin)组成的过电流保护电路。适当调节RP20使比较器输入管3为某一确定的电压。当流过霍尔元件的电流超过它的额定值时，霍尔元件会输出一个电压，若这个电压能使比较器翻转，则比较器的输出端7会变高，Lock信号传到出触发芯片TC787，从而封锁触发脉冲，不再给晶闸管输出触发信号。图5-2 用快熔作过电流保护电路图图5-3 用霍尔元件检测过电流如果电路发生故障时，霍尔传感器输出为高使比较器翻转，Lock为高，封锁驱动信号，装置会停止运行；故障消失后，霍尔传感器输出为低是比较器再一次翻转，Lock为低，装置由开始运行，而此时故障并未消除。这样装置会频繁地启、停，这是不利的情况。采用图5-3所示

13、的电路能防止这种情况发生。图中比较器的输出端接一个二极管反馈到输入端组成自锁式保护电路，当霍尔传感器检测到故障而使比较器输出有效的Lock信号后，二极管立即正偏导通，由于二极管的钳位作用，无论检测的信号是否再变化，比较器的输出Lock总是保持为高。只有当维护人员停机检修成功后再启动方能正确运行。第六章 缓冲电路及滤波(lb)网络6.1缓冲(hunchng)电路缓冲电路(dinl)又叫吸收电路，在硬开关工作方式下，增加缓冲电路是正确使用器件的有效措施。缓冲电路的主要作用是抑制开关器件的、，改变开关轨迹，减少开关损耗，使之工作在安全工作区内。常用的缓冲电路有耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路。考虑到附

14、加元器件的成本问题，本次设计中使用耗能式缓冲电路。耗能式缓冲电路有开通缓冲、关断缓冲、复合缓冲（前两者的结合），在这里选用符合缓冲方式，电路图如图6-1所示。由于二极管具有单向导电性，晶闸管关断时，立即起作用，两端的电压不能突变，使得。电感抑制电流的上升率，当晶闸管关断时，储存在电感中的能量通过二级管续流，其能量消耗在和电阻中。图6-1 复合缓冲电路6.2滤波电路在变压器原边设置如图6-2-1所示的RC网络，可以对变压器一次侧输入电流的三次谐波及三的倍数次谐波有一定的滤除作用，可以在一定程度上提高变流器的输入功率因数。另外，在网侧阻容式RC网络还有抑制网侧瞬时过电压的作用。在网侧瞬间受到过电压

15、冲击时，过电压给电容充电，在充电的的过程中，电阻消耗过电压的能量。这样的RC星型网络还可以消除电路形成的寄生的震荡。 图6-2 网侧RC星型网络(wnglu)第七章 电路参数(cnsh)的计算 三相(sn xin)桥式全控整流电路中，整流输出电压的波形在一个周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。由于负载电感为无穷大，负载电流连续。以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得整流输出电压连续时的平均值为流过负载的电流平均值为则流过晶闸管的电流平均值与有效值分别为，流过变压器二次侧的电流有效值为将变压器二次侧的电流波形分解为傅里叶级数，可

16、得基波因数和位移因数分别为，整流器输出视在功率和有功功率分别为，功率因数为。第八章 元器件参数(cnsh)的计算与选型8.1 晶闸管的选型每个晶闸管承受的最大反向(fn xin)电压为，所选用(xunyng)的晶闸管的额定电压应为。当晶闸管触发角时，通过晶闸管的电流最大。每个晶闸管的平均电流为所选用晶闸管的额定电流为可选晶闸管额定电压2000V，额定电流为50A，都符合要求。8.2 主变压器的选型当晶闸管的触发角时，系统容量最大，主变压器容量必须大于24.5KVA且二次侧输出的线电压为380V。选择S9系列额定容量为30KVA、6.3/0.4KV级别的铜绕组低损耗电力变压器。8.3 触发电路各

17、元件的参数触发(chf)电路选用集成移相触发芯片TC787，其外接电路各元件的参数值可参照有关技术手册中典型电路的应用。电容(dinrng)的大小决定脉冲(michng)的宽度，取值范围为33000.01，应该使用高精度的钽电容。在50Hz时一般选，其脉冲宽度大约为0.5ms。8.4 阀侧整流式阻容保护电路参数整流式阻容保护电路的电路图如图5-1所示。其中整流二极管可选用6个普通的整流管ZP5（正向平均电流为5A），这里主要介绍电容及电阻和的选择。当变压器次级作星型连接时，电容及电阻、的计算公式分别为，其中为整流变压器激磁电流相对值，取2%，为变压器二次侧相电压。代入数值可得，。由于整流式阻容

18、保护网络要吸收瞬时过电压，对的耐压要求一般较高，综合考虑各方面因素，选择为AC1000V10uF的电解电容，为30000，=1500。8.5 快速熔断器的选型整流器要求带反电势负载，在实际中一般为直流电动机，熔断器的选择要考虑到直流电动机的启动电流的冲击。考虑最坏的情况：晶闸管的触发角，输出电压的平均值最大，。直流电机直接启动瞬间，电枢反电势，由于电路中存在限流电阻，因此，最大启动电流为，为直流电机内部等效电阻之和，往往可以忽略，所以。在正常情况下通过每个晶闸管的最大电流有效值为，考虑到电路中存在瞬态冲击电流，选用熔断器熔体额定电流为40A。8.6 霍尔元件及其调理电路的参数当晶闸管的触发角时

19、，负载中流过的最平均大电流为当流过负载的电流超过45.5A时则视为不正常，此时应使保护电路动作。因此，可选择敏感电流为50A的霍尔电流传感器。在这里选用CSP通用电流传感器系列CSP050，这种电流传感器的响应速度非常快，只要有过电流现象产生，传感器就能马上给出指令信号使其后的保护电路动作。在霍尔元件后的电路选用比较器LM311，电路图如图5-3所示。LM311是一种高灵活性的电压比较器，可以用单电源或双电源供电，这里采用双电源供电方式(fngsh)。图5-23中各元器件的参数可参照LM311的数据手册中典型电路的应用。8.7 缓冲(hunchng)电路元器件参数缓冲电路(dinl)中用到的元

20、器件主要有用于关断缓冲的电容、用于开通缓冲的电感、二极管及电阻。晶闸管的开通时间取，关断时间，开关频率取可能的最大值。晶闸管的电源电压为U=380V，流过晶闸管的电流取I=16.7A。则缓冲电容和电感的取值分别为，二极管选用普通整流管ZP5（正向平均电流为5A），电阻不宜取太大，取。8.8 网侧RC星型吸收与滤波网络参数电路图如图6-2所示，这里的RC星型网络主要用来吸收电网瞬间过电压时的能量和滤除高次谐波，R和C的值都不宜取太大。这里取，的高压瓷片电容。第九章 应用举例在某种程度上，随着性能优良的电力MOSFET和IGBT的推广应用，特别是近年来IGBT的制造及应用技术的进一步成熟，晶闸管相

21、控整流电路的应用似乎受到了限制。但是，由于晶闸管的耐高电压、大电流的能力在所有电力电子器件中具有无可比拟的优势，因此，使用晶闸管作开关器件的三相全控整流电路一般用于大功率的场合。如电力机车的调速系统、大功率交流调压系统、谐振逆变器等应用场合都以晶闸管作为主要的开关器件。在这里主要介绍晶闸管在相控调速系统中的应用。晶闸管相控调速系统的原理框图如图10-1所示。图10-1 晶闸管相控双闭环调速系统(xtng)这个系统采用转速、电流双闭环控制结构，两个调节器分别调节转速和电流，使用串级联接的方式。两个调节器都可以(ky)设计成PI调节器以达到无静差的结果。 结论(jiln)虽然电力MOSFET和IGBT已经占据了相当一部分市场，但晶闸管在电力领域的地位也依然不容忽视。本次设计完成了三相桥式整流电路的设计。其中有主电路的设计，触发电路的选择，滤波电路和缓冲电路的设计，最后涉及到了各种元件参数的计算，其中触发电路所用芯片电路以及霍尔元件电路均可参考相关手册典型应用电路。本设计可应用在电力机车的调速系统、大功率交流调压系统、谐振逆变