電力電子張成志(共17頁)

1、張成志 三相橋式全控整流電路的設(shè)計(jì)遼寧工程技術(shù)大學(xué) - 12 - - 19 -第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路(sl)及系統(tǒng)框圖與系統(tǒng)(xtng)電路圖根據(jù)任務(wù)書的要求，本設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶反電動(dòng)勢負(fù)載的三相橋式全控整流電路，對電路的其他指標(biāo)都未做出詳細(xì)的規(guī)定。針對以上要求，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該包括由功率器件組成的主電路、觸發(fā)電路、控制電路、檢測電路、隔離電路、保護(hù)及濾波(lb)電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。圖1-1系統(tǒng)框圖主電路采用六個(gè)晶閘管組成的三相橋式全控整流電路，觸發(fā)電路使用集成移相觸發(fā)芯片TC787及少數(shù)外圍器件組成，用霍爾元件檢測流過負(fù)載的電流，主電路與信息電路采用隔離方式。各個(gè)部分電路的原理將在

2、以下的論述中逐一介紹。圖1-2系統(tǒng)電路圖第二章 主電路(dinl)原理及電路圖主電路(dinl)采用如圖2-1所示的橋式結(jié)構(gòu)。習(xí)慣將其中陰極(ynj)連接在一起的3個(gè)晶閘管（、）稱為共陰極組，陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（、）稱為共陽極組。此外，一般希望晶閘管按從VT1至VT6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖2-1所示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為、， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為、。從后面的分析可知，按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?。為了便于分析，先假設(shè)晶閘管的觸發(fā)角，此時(shí)電路相當(dāng)于有六個(gè)二極管組成的三相不可控整流電路。對于共陰極組的3個(gè)晶閘

3、管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對于共陽極組的3個(gè)晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓，各個(gè)晶閘管的換相點(diǎn)均為自然換相點(diǎn)。若電路中晶閘管的觸發(fā)角，則每個(gè)晶閘管導(dǎo)通的條件不僅要求承受正向電壓，還要有適時(shí)地有足夠強(qiáng)度的觸發(fā)脈沖。每個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通點(diǎn)會(huì)推遲角度。由于任務(wù)書中所要求的負(fù)載是反電勢負(fù)載，且電感，因此負(fù)載電流連續(xù)。圖中變壓器二次側(cè)輸出線電壓為380V，。圖2-1 主電路原理圖第三章 觸發(fā)(chf)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生使晶閘管可靠導(dǎo)通的門極觸發(fā)脈沖，確保

4、晶閘管在需要的時(shí)刻(shk)由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通，一般觸發(fā)信號對于門極陰極都是正極性的。觸發(fā)信號必須滿足以下要求：有足夠大的功率(gngl)；有足夠的寬度，且前沿要陡；有足夠的移相范圍；抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。3.1 觸發(fā)電路的選擇表3-1 不同的晶閘管觸發(fā)電路性能比較電路類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用舉例分立元件組成的觸發(fā)電路可以由分立元件組成，原理清晰，不需要另外購買元件，成本相對要低。電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性不如另外兩種電路，體積大，功耗高，不適合批量生產(chǎn)現(xiàn)在應(yīng)用較少。集成化晶閘管移相觸發(fā)電路體積小、功耗小、性能穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、使用方便，目前得到了廣泛的應(yīng)用。仍然受元件參數(shù)的分散性、同步電壓波形畸變、電

5、網(wǎng)電壓波動(dòng)等干擾因素的影響。KJ系列、KC系列等數(shù)字化晶閘管移相觸發(fā)電路使用了微處理器控制，脈沖不對稱性極小，控制精度極高，是目前最優(yōu)的觸發(fā)電路形式。需要給微控制器編寫程序，且成本較高。單片機(jī)、DSP等三相橋式全控整流電路的觸發(fā)電路一般有三種可選的方案，它們分別是由分立元件組成的觸發(fā)電路、集成化晶閘管移相觸發(fā)電路、數(shù)字化晶閘管移相觸發(fā)電路。對于這三種電路拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，如表3-1所示。通過比較三種電路的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮各方面因素，本次設(shè)計(jì)中選用集成化晶閘管移相觸發(fā)電路。通過比較各種集成芯片，最終決定選用高性能集成晶閘管移相觸發(fā)器TC787。3.2 觸發(fā)電路原理TC787是采用獨(dú)有的先進(jìn)I

6、C工藝技術(shù)，并參照國外最新移相觸發(fā)電路而設(shè)計(jì)開發(fā)的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的單片集成電路，主要應(yīng)用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相電力晶體管脈寬調(diào)制電路。它是目前國內(nèi)廣泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發(fā)電路的代換產(chǎn)品，具有功耗小、功能強(qiáng)、抗干擾性好、移相范圍寬、外接元件少等特點(diǎn)。只用一片TC787外加少數(shù)器件即可實(shí)現(xiàn)三片TCA785或四片KJ系列的功能。TC787內(nèi)部集成了三個(gè)過零檢測單元、三個(gè)鋸齒波形成單元、三個(gè)比較器、一個(gè)脈沖發(fā)生器、一個(gè)抗干擾鎖定電路、一個(gè)脈沖形成電路、一個(gè)脈沖分配電路，TC787的引腳功能分配如表3-2所示。表3-2 TC787引腳功能表引腳標(biāo)號功能簡述說明1、2、

7、18分別為Ua、Ub、Uc三相同步輸入電壓輸入端一般要加輸入濾波器8、10、12分別為與三相同步電壓正半周對應(yīng)的同相觸發(fā)脈沖輸出端一般要加輸出隔離電路7、9、11分別為與三相同步電壓負(fù)半周對應(yīng)的反相觸發(fā)脈沖輸出端4移相控制輸入端電壓幅值不能大于芯片工作電壓5Lock信號輸入端，高電平封鎖所有脈沖輸出接保護(hù)電路的輸出6工作方式選擇端，為高時(shí)輸出雙脈沖，為低時(shí)輸出單脈沖本次設(shè)計(jì)中接高電平13所接電容的大小決定輸出脈沖的寬度14、15、16對應(yīng)三相同步電壓的鋸齒波電容連接端一般接0.1uF的電容到地3、17電源端可使用單電源與雙電源TC787的典型應(yīng)用(yngyng)電路如圖3-1所示，這里只給出原

8、理框圖，具體的電路圖請到附錄中查看。圖3-1 TC787組成的觸發(fā)電路(dinl)原理簡圖當(dāng)TC787的引腳6接高電平時(shí)，芯片被設(shè)置(shzh)為雙窄脈沖工作方式。由電阻、電容組成的T型網(wǎng)絡(luò)一方面可以用來濾除同步電壓上的干擾毛刺電壓，增加抗干擾能力，二則根據(jù)主電路整流變壓器與同步變壓器的不同聯(lián)結(jié)(linji)組別實(shí)現(xiàn)同步電壓的移相，使輸出觸發(fā)脈沖更好的與晶閘管兩極間電壓實(shí)現(xiàn)相位同步。第四章 開關(guān)器件觸發(fā)次序及相位分析六個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖按的順序，相位依次相差；共陰極組、的觸發(fā)脈沖依次差，共陽極組、的觸發(fā)脈沖也依次差；同一相上下兩個(gè)橋臂，即與、與、與，觸發(fā)脈沖相差。本次設(shè)計(jì)中采用雙脈沖觸發(fā)方式，

9、雙脈沖的發(fā)生與分配完全由TC787內(nèi)部集成的脈沖形成電路和脈沖分配電路完成，不需要用戶另外再外加雙脈沖形成芯片。第五章 保護(hù)(boh)電路原理及電路圖5.1 過電壓保護(hù)(boh)過電壓保護(hù)可以(ky)采用圖5-1所示的阻容保護(hù)電路，該網(wǎng)絡(luò)的RC直接接于線路之間，平時(shí)支路中就有電流流動(dòng)，電流流過電阻必然要使電阻發(fā)熱，造成能量的損耗。為了克服這些缺點(diǎn)，可采用整流式阻容保護(hù)電路，阻容式保護(hù)電路如圖5-1所示。三相交流電經(jīng)過二極管整流橋變?yōu)槊}動(dòng)直流電，通過給充電，電路正常工作（無過電壓）時(shí)電容兩端保持交流電的峰值電壓，整流橋給電容回路提供微弱的電流，以補(bǔ)充電容放電所損失的電荷。由于與并聯(lián)的阻值很大，電

10、容的放電速度非常慢，因此整流橋輸出的電流也非常小。一旦出現(xiàn)過電壓，過電壓的能量被電容吸收，只要的容量足夠大，就可以保證此時(shí)電容電壓的數(shù)值在允許范圍之內(nèi)，從而也使電流電壓不超過額定值。過電壓消失后，電容經(jīng)放電使兩端電壓恢復(fù)到交流電正常的峰值。由此可以看出，越大整個(gè)電路的功耗越小，但過電壓過后電容電壓恢復(fù)到正常的時(shí)間也越長，因此的大小受到兩次過電壓最小時(shí)間間隔的限制。另外，對于過電壓的保護(hù)，除了以上介紹的方法之外，采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是常用的措施。在這里就不再一一詳述。圖5-1 整流式阻容保護(hù)電路5.2過電流(dinli)

11、保護(hù)在本次設(shè)計(jì)中采用了兩種過電流保護(hù)的措施，一是在每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)快速熔斷器，二是使用霍爾電流傳感器的輸出封鎖觸發(fā)信號?？烊凼请娏﹄娮友b置中應(yīng)用最廣泛的有效的保護(hù)措施，根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求來選擇一定功率的快熔，基本上能滿足要求。但快熔也存在缺點(diǎn)，它需要經(jīng)常更換，而且不易整定它的參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)中還采用了霍爾電流傳感器來檢測負(fù)載中的過電流，一旦過電流超過了限定的值，霍爾傳感器的輸出即可封鎖觸發(fā)電路的脈沖輸出。 而且這種方案響應(yīng)(xingyng)時(shí)間一般不大于1ms，速度快。圖5-2所示是在整流橋每個(gè)橋臂上串聯(lián)快熔的電路圖。元器件具體參數(shù)的選擇將在本文的第8部分進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖5-2為用霍爾元件

12、(yunjin)組成的過電流保護(hù)電路。適當(dāng)調(diào)節(jié)RP20使比較器輸入管3為某一確定的電壓。當(dāng)流過霍爾元件的電流超過它的額定值時(shí)，霍爾元件會(huì)輸出一個(gè)電壓，若這個(gè)電壓能使比較器翻轉(zhuǎn)，則比較器的輸出端7會(huì)變高，Lock信號傳到出觸發(fā)芯片TC787，從而封鎖觸發(fā)脈沖，不再給晶閘管輸出觸發(fā)信號。圖5-2 用快熔作過電流保護(hù)電路圖圖5-3 用霍爾元件檢測過電流如果電路發(fā)生故障時(shí)，霍爾傳感器輸出為高使比較器翻轉(zhuǎn)，Lock為高，封鎖驅(qū)動(dòng)信號，裝置會(huì)停止運(yùn)行；故障消失后，霍爾傳感器輸出為低是比較器再一次翻轉(zhuǎn)，Lock為低，裝置由開始運(yùn)行，而此時(shí)故障并未消除。這樣裝置會(huì)頻繁地啟、停，這是不利的情況。采用圖5-3所示

13、的電路能防止這種情況發(fā)生。圖中比較器的輸出端接一個(gè)二極管反饋到輸入端組成自鎖式保護(hù)電路，當(dāng)霍爾傳感器檢測到故障而使比較器輸出有效的Lock信號后，二極管立即正偏導(dǎo)通，由于二極管的鉗位作用，無論檢測的信號是否再變化，比較器的輸出Lock總是保持為高。只有當(dāng)維護(hù)人員停機(jī)檢修成功后再啟動(dòng)方能正確運(yùn)行。第六章 緩沖電路及濾波(lb)網(wǎng)絡(luò)6.1緩沖(hunchng)電路緩沖電路(dinl)又叫吸收電路，在硬開關(guān)工作方式下，增加緩沖電路是正確使用器件的有效措施。緩沖電路的主要作用是抑制開關(guān)器件的、，改變開關(guān)軌跡，減少開關(guān)損耗，使之工作在安全工作區(qū)內(nèi)。常用的緩沖電路有耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路?？紤]到附

14、加元器件的成本問題，本次設(shè)計(jì)中使用耗能式緩沖電路。耗能式緩沖電路有開通緩沖、關(guān)斷緩沖、復(fù)合緩沖（前兩者的結(jié)合），在這里選用符合緩沖方式，電路圖如圖6-1所示。由于二極管具有單向?qū)щ娦?，晶閘管關(guān)斷時(shí)，立即起作用，兩端的電壓不能突變，使得。電感抑制電流的上升率，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，儲存在電感中的能量通過二級管續(xù)流，其能量消耗在和電阻中。圖6-1 復(fù)合緩沖電路6.2濾波電路在變壓器原邊設(shè)置如圖6-2-1所示的RC網(wǎng)絡(luò)，可以對變壓器一次側(cè)輸入電流的三次諧波及三的倍數(shù)次諧波有一定的濾除作用，可以在一定程度上提高變流器的輸入功率因數(shù)。另外，在網(wǎng)側(cè)阻容式RC網(wǎng)絡(luò)還有抑制網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)過電壓的作用。在網(wǎng)側(cè)瞬間受到過電壓

15、沖擊時(shí)，過電壓給電容充電，在充電的的過程中，電阻消耗過電壓的能量。這樣的RC星型網(wǎng)絡(luò)還可以消除電路形成的寄生的震蕩。 圖6-2 網(wǎng)側(cè)RC星型網(wǎng)絡(luò)(wnglu)第七章 電路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算 三相(sn xin)橋式全控整流電路中，整流輸出電壓的波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)6次，且每次脈動(dòng)的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對一個(gè)脈波（即1/6周期）進(jìn)行計(jì)算即可。由于負(fù)載電感為無窮大，負(fù)載電流連續(xù)。以線電壓的過零點(diǎn)為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，可得整流輸出電壓連續(xù)時(shí)的平均值為流過負(fù)載的電流平均值為則流過晶閘管的電流平均值與有效值分別為，流過變壓器二次側(cè)的電流有效值為將變壓器二次側(cè)的電流波形分解為傅里葉級數(shù)，可

16、得基波因數(shù)和位移因數(shù)分別為，整流器輸出視在功率和有功功率分別為，功率因數(shù)為。第八章 元器件參數(shù)(cnsh)的計(jì)算與選型8.1 晶閘管的選型每個(gè)晶閘管承受的最大反向(fn xin)電壓為，所選用(xunyng)的晶閘管的額定電壓應(yīng)為。當(dāng)晶閘管觸發(fā)角時(shí)，通過晶閘管的電流最大。每個(gè)晶閘管的平均電流為所選用晶閘管的額定電流為可選晶閘管額定電壓2000V，額定電流為50A，都符合要求。8.2 主變壓器的選型當(dāng)晶閘管的觸發(fā)角時(shí)，系統(tǒng)容量最大，主變壓器容量必須大于24.5KVA且二次側(cè)輸出的線電壓為380V。選擇S9系列額定容量為30KVA、6.3/0.4KV級別的銅繞組低損耗電力變壓器。8.3 觸發(fā)電路各

17、元件的參數(shù)觸發(fā)(chf)電路選用集成移相觸發(fā)芯片TC787，其外接電路各元件的參數(shù)值可參照有關(guān)技術(shù)手冊中典型電路的應(yīng)用。電容(dinrng)的大小決定脈沖(michng)的寬度，取值范圍為33000.01，應(yīng)該使用高精度的鉭電容。在50Hz時(shí)一般選，其脈沖寬度大約為0.5ms。8.4 閥側(cè)整流式阻容保護(hù)電路參數(shù)整流式阻容保護(hù)電路的電路圖如圖5-1所示。其中整流二極管可選用6個(gè)普通的整流管ZP5（正向平均電流為5A），這里主要介紹電容及電阻和的選擇。當(dāng)變壓器次級作星型連接時(shí)，電容及電阻、的計(jì)算公式分別為，其中為整流變壓器激磁電流相對值，取2%，為變壓器二次側(cè)相電壓。代入數(shù)值可得，。由于整流式阻容

18、保護(hù)網(wǎng)絡(luò)要吸收瞬時(shí)過電壓，對的耐壓要求一般較高，綜合考慮各方面因素，選擇為AC1000V10uF的電解電容，為30000，=1500。8.5 快速熔斷器的選型整流器要求帶反電勢負(fù)載，在實(shí)際中一般為直流電動(dòng)機(jī)，熔斷器的選擇要考慮到直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流的沖擊?？紤]最壞的情況：晶閘管的觸發(fā)角，輸出電壓的平均值最大，。直流電機(jī)直接啟動(dòng)瞬間，電樞反電勢，由于電路中存在限流電阻，因此，最大啟動(dòng)電流為，為直流電機(jī)內(nèi)部等效電阻之和，往往可以忽略，所以。在正常情況下通過每個(gè)晶閘管的最大電流有效值為，考慮到電路中存在瞬態(tài)沖擊電流，選用熔斷器熔體額定電流為40A。8.6 霍爾元件及其調(diào)理電路的參數(shù)當(dāng)晶閘管的觸發(fā)角時(shí)

19、，負(fù)載中流過的最平均大電流為當(dāng)流過負(fù)載的電流超過45.5A時(shí)則視為不正常，此時(shí)應(yīng)使保護(hù)電路動(dòng)作。因此，可選擇敏感電流為50A的霍爾電流傳感器。在這里選用CSP通用電流傳感器系列CSP050，這種電流傳感器的響應(yīng)速度非常快，只要有過電流現(xiàn)象產(chǎn)生，傳感器就能馬上給出指令信號使其后的保護(hù)電路動(dòng)作。在霍爾元件后的電路選用比較器LM311，電路圖如圖5-3所示。LM311是一種高靈活性的電壓比較器，可以用單電源或雙電源供電，這里采用雙電源供電方式(fngsh)。圖5-23中各元器件的參數(shù)可參照LM311的數(shù)據(jù)手冊中典型電路的應(yīng)用。8.7 緩沖(hunchng)電路元器件參數(shù)緩沖電路(dinl)中用到的元

20、器件主要有用于關(guān)斷緩沖的電容、用于開通緩沖的電感、二極管及電阻。晶閘管的開通時(shí)間取，關(guān)斷時(shí)間，開關(guān)頻率取可能的最大值。晶閘管的電源電壓為U=380V，流過晶閘管的電流取I=16.7A。則緩沖電容和電感的取值分別為，二極管選用普通整流管ZP5（正向平均電流為5A），電阻不宜取太大，取。8.8 網(wǎng)側(cè)RC星型吸收與濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)電路圖如圖6-2所示，這里的RC星型網(wǎng)絡(luò)主要用來吸收電網(wǎng)瞬間過電壓時(shí)的能量和濾除高次諧波，R和C的值都不宜取太大。這里取，的高壓瓷片電容。第九章 應(yīng)用舉例在某種程度上，隨著性能優(yōu)良的電力MOSFET和IGBT的推廣應(yīng)用，特別是近年來IGBT的制造及應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步成熟，晶閘管相

21、控整流電路的應(yīng)用似乎受到了限制。但是，由于晶閘管的耐高電壓、大電流的能力在所有電力電子器件中具有無可比擬的優(yōu)勢，因此，使用晶閘管作開關(guān)器件的三相全控整流電路一般用于大功率的場合。如電力機(jī)車的調(diào)速系統(tǒng)、大功率交流調(diào)壓系統(tǒng)、諧振逆變器等應(yīng)用場合都以晶閘管作為主要的開關(guān)器件。在這里主要介紹晶閘管在相控調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。晶閘管相控調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖10-1所示。圖10-1 晶閘管相控雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)這個(gè)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，使用串級聯(lián)接的方式。兩個(gè)調(diào)節(jié)器都可以(ky)設(shè)計(jì)成PI調(diào)節(jié)器以達(dá)到無靜差的結(jié)果。 結(jié)論(jiln)雖然電力MOSFET和IGBT已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)一部分市場，但晶閘管在電力領(lǐng)域的地位也依然不容忽視。本次設(shè)計(jì)完成了三相橋式整流電路的設(shè)計(jì)。其中有主電路的設(shè)計(jì)，觸發(fā)電路的選擇，濾波電路和緩沖電路的設(shè)計(jì)，最后涉及到了各種元件參數(shù)的計(jì)算，其中觸發(fā)電路所用芯片電路以及霍爾元件電路均可參考相關(guān)手冊典型應(yīng)用電路。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用在電力機(jī)車的調(diào)速系統(tǒng)、大功率交流調(diào)壓系統(tǒng)、諧振逆變