电力电子课程设计-三相整流电路的设计

湖南工程学院课程设计任务书课程名称电力电子技术题目三相整流电路的设计专业班级电气工程学生姓名学号指导老师杨青审批谢卫才任务书下达日期2014年2月24日设计完成日期2014年3月8日设计内容与设计要求一．设计内容1.设计出三相整流电路的主电路。（电压0-220V,功率1KW,阻感负载）2．设计三相整流电路的控制电路。3.设计三相整流电路的驱动电路。二．设计要求1.给出整体设计框图，画出三相整流电路的总体原理图；2.说明所选器件的型号，特性。3.给出具体电路画出电路原理图；4.编写设计说明书；5.课程设计说明书要求用手写，所绘原理图纸用计算机打印。（16K）主要设计条件1．提供计算机一台；说明书格式1.课程设计封面；2.任务书；3.说明书目录；4.设计总体思路，基本原理和框图；5.电路设计；6.编写设计说明书；7.总结与体会；8.附录；9.参考文献；10.三相整流电路原理图。进度安排第一周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；第一周星期一——第一周星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。第二周星期一上午——星期二下午：电路设计，打印出图纸。星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。参考文献目录第一章设计思路与基本原理………………1.1整流电路简介与设计思路1.2三相桥式全控整流电路的基本原理和框图第二章主电路………………………………2.1主电路设计（阻感负载）2.2主电路原理介绍第三章控制电路……………………………第四章驱动电路……………………………第五章保护电路……………………………第五章元器件的选择………………………第六章总结与体会…………………………附录参考文献第一章设计思路与基本原理1.1整流电路简介设计思路整流电路广泛应用于工业中。它可按照以下几种方法分类：1.按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；2.按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3.按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。一般当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路等。其中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。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。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。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负载，使之工作。1.2三相桥式全控整流电路的基本原理和框图三相桥式全控整流电路应用最为广泛，其电路简图1如下：图1三相桥式全控整流电路如图1所示，其中一组三相半波整流电路为共阴极连接，一组为共阳极连接。如果两组负载完全相同且触发角α一样，则负载电流Id1、Id2相等，电路零线中无电流流过，如果将零线去掉，并不影响电路的工作，就成为三相桥式全控整流电路。其工作原理是输入三相电源，通过三相桥式整流电路将它转化为直流电为直流负载提供能量，其中桥式整流电路由触发模块提供触发信号，通过控制触发信号就可以控制直流电源的输出。电路设计的原理框图如图2所示：三相交流电源主变压器桥式全控整流阻感负载同步信号检测单片机系统驱动放大电路六路脉冲输出复位电路键盘电路显示电路图2三相桥式全控整流电路框图第二章主电路2.1主电路设计（阻感负载）其原理图如图所示:图3三相桥式全控整流电路原理图习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，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、VT2。2.2主电路原理介绍整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，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。此时电路工作波形如5所示。图4α=0o时波形α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析Ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Ud1－Ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压Ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb图5给出了α=30o时的波形。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝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上表的规律。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。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图5α=30o时的波形图6α=60o时的波形由以上分析可见，当α≤60o时，Ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，Id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图8所示，Ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得Ud的值出现负值，当电感足够大时，Ud中正负面积基本相等，Ud平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。图7α＝90o时的波形第三章控制电路控制电路以AT89C52单片机为控制器，其结构框图如图9所示。它包括同步信号检测、驱动放大电路、显示电路、复位电路、键盘电路等。AT89C52同步信号检测复位电路显示电路驱动放大电路键盘电路图8控制电路框图3.1同步信号的检测采用CHV-100/300A型号的电压传感器，其额定电压为300V（有效值），额定输出电流25mA。检测电路中，电压传感器接入220V的A相交流电，输出的电流信号经100欧姆的电阻后，转变为大小为0~2.5V的电压信号（实际输出为-2.5V~2.5V）,此电压信号LM258构成的加法器转换成0~5V的直流信号，此信号输入到8位AD转换器PCF8591的模拟信输入通道AIN3，PCF8591的输出信号AUTO即可接入单片机。单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us过零点信号。如图9所示。图9同步信号检测第四章驱动电路4.1驱动放大电路驱动放大电路如图11所示。来自单片机的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04，经过光电隔离器4N25隔离输出，最后经过脉冲变压器TB1放大输出到相应品闸管的门极G和阴极K。图10驱动放大电路图11六路触发脉冲的波形如图12所示，六路触发脉冲的波形。当单片机检测到A同步电压Ua从负到正的过零点信号(实际上检测到的应该是2.5V)时，它会接收到来自于INT0的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。这个子程序的功能是决定如何产生第一个触发脉冲的上升沿。当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16位计数器/定时器1同时开始计时，它工作在工作方式1；由AT89C52单片机的晶振是12MHz，它的一个机器周期是1um。定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角α决定的。由于一个正弦波的周期是20m.s，定时的长度由下式决定:t=αx20/360°ms。定时器的初始化值可以根据t来设定。为了简单起见，本文定义了一个长度为180的数组，它对应于触发延时角α从0到180°的变化。这个数组保存在单片机的ROM存储区。这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1了。定时器初始化之后，就启动定时器土作。当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1，单片机开始执行定时器1的中断服务子程序。这子函数将P2.2设置为高电平，用于触发VT1；这里定义脉冲的宽度为27°，即1.5ms，则定时器1的TH1=FAH，TL1=24H；于是开始启动定时器第二次计数；当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个函数中，P2.2设置为低电平，表示触发脉冲结束。由第二个脉冲比一个脉冲滞后60°，也即是3.33ms；那么，第一个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1.83ms。因此，定时器应设置为TH1=FBH，TL1=DAH；这样就启动定时器第三次定时。当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个子函数中，P2.3引脚被置为高电平来触发VT2。对于其他晶闸管的触发原理相同。双窄脉冲的输出如图12所示。P2.2引脚输出一个主脉冲给VT1的同时，P2.7引脚输出一个次脉冲(补发脉冲)给VT6；延时60°后，P2.3引脚输出一个主脉冲给VT2，同时，P2.2引脚输出一个次脉冲给VT1；至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。第五章保护电路5.1主电路的过电压保护抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。5.2晶闸管的过电压保护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。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。5.3晶闸管的过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。保护电路如图16所示。VT1VT2VT3VT4VT5VT6ABC