三相桥式整流电路设计.docx

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1、一、设计的基本要求1.1、主要技术数据1）电源电压：交流220V50Hz2）输出电压范围50VIOoV3）最大输出电流：10A4）具有过流保护功能，动作电流：12A5）具有稳压功能6）效率不低于70%1.2、主要用途三相桥式整流电路在电力电子领域中的应用及其重要，也是应用最为广 泛的电路。不仅在一般的工业领域的应用非常广泛，如中频炉、发电机励磁、 自动控制等，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统、以 及其他领域。二、总体方案控制电路 1保护电路触发电路-主电路光耦隔离三、电路原理说明3 . 1、主电路原理说明4 .L 1、工作原理三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可

2、控整流电路和 一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串起来组成的，如上图所示。为了 便于表达晶闸管的导通顺序，把共阴极组的晶闸管依次编号为VT1、VT3、VT5, 而把共阳极组的晶闸管依次编号为VT4、VT6、VT2o假设六个晶闸管换成六个整流二极管，则电路为不可控电路。相当于晶 闸管触发角。二0。时的情况。三相电压正、负半周各有三个自然换相点，六 个自然换相点依次相差60。对于共阴极组，阳极电位最高的器件导通；对 于共阳极组，阴极电位最低的器件导通。六个自然换相点把一个周期分成以 下六段：1) tl tW t2时，共阴极组VTl导通,共阳极组VT6导通,Ud=Uab。2) t2 t t3时，共

3、阴极组VTl导通，共阳极组VT2导通，ud=uaco3) t3 t t4时，共阴极组VT3导通，共阳极组VT2导通，ud=ubco4) t4 t t5时，共阴极组VT3导通，共阳极组VT4导通，ud=ubao5) t5 t t6时，共阴极组VT5导通，共阳极组VT4导通，ud=ucao6) t6 t tl时，共阴极组VT5导通，共阳极组VT6导通，ud=ucbo 通过以上分析，可知三相全控桥式整流电路有以下几个基本特点：D 任何时刻必须有两个晶闸管同时导通，一个为共阴极组，一个为共阳 极组，以便形成通路2)晶闸管在组内换相，同组内晶闸管的触发脉冲互差120 ,由于共阴 极组及共阳极组的自然换相

4、点互差60。，所以每隔60。有一个元件换相。同 一桥臂上的两个元件的触发脉冲互差1800 ,元件导通顺序为VTl - VT2-VT3 VT4VT5VT6VTlo3)输出电压的波形为线电压的一部分，一周期脉动6次。4)变压器正负半周都有电流流过，所以没有直流磁化问题，变压器利用 效率高。为了保证任何时刻共阴极组合共阳极组各有一个元件导通，必须对两组中 应导通的两个元件同时加触发脉冲。可以采用宽脉冲(脉冲大于60。)或双 窄脉冲实现。5)整流变压器采用/接法，使电源线电流为正、负面积相等的阶梯波, 更接近正弦波，谐波影响小。3. 1. 2、基本数量关系(1)阻性负载电阻负载“W60。时，电流波形连

5、续，一个波头为60。，所以积分区间为60整流电压的平均值为：电阻负载且60。Wq W120。时，电流波形断续，一个波头小于60。，所以积分区间小于60 ,整流电压平均值为：积分上限到几，移相范围为120。(2)感性负载当电感足够大时，整流电流波形连续且为水平线。整流电流的平 均值和有效值相等Id=L每个晶闸管每周期导通120 ,整流电压的平 均值为=0o 时，Ud0=2. 34U2； =90o 时，Ud=OVo 移相范围为 90。负载电流平均值为：（3）晶闸管的工作三相全控桥式整流电路中，晶闸管的换流只有在本组内进行，且每隔 120换流一次，即在电流连续的情况下每个晶闸管的导通角为120。 因

6、此D流过晶闸管的电流平均值和有效值为2）流进变压器次级的电流有效值为3）晶闸管承受的最高电压3.2、控制电路原理说明3. 2.1电路图的选择三相桥式全控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起 始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证 按触发角Q的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶 闸管相控电路，习惯称为触发电路。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作， 且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电 子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：D当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶

7、闸管都不会导 通。2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管 才导通。3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如 何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时， 晶闸管关断。根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能 控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时, 为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触 发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲 代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60。，脉宽

8、一般为20。30。，称为双脉冲 触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。3. 2.2触发芯片的选择关于触发电路芯片的选择，我们选用高性能晶闸管三相移相触发集成电 路TC787。TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相 触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多 种交流调速和变流装置。它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或 KC)系列移相触发集成电路的换代产品，及TCA785及KJ (或KC)系列集成电路 相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移

9、相范围宽、外 接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就 可完成 3 只 TCA785 及 1 只 KJ041、1 只 KJ042 或 5 只 KJ (3 只 KJoO4、1 只 KJ041、 1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此，TC787可 广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的 移相触发系统，从而取代TCA785、KJoO4、KJoO9、KJo41、KJ042等同类电路, 为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。TC787的引脚排列图各引脚的名称、功能及用法如下(1)同步电压输入端

10、：引脚I(VC)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步 输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值 应不超过TC787的工作电源电压VDD。(2)脉冲输出端:在半控单脉冲工作模式下,引脚8(C)、引脚IO(B)、引 脚12(A)分别为及三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚 7(-B),引脚9(-A)、引脚H(Y)分别为及三相同步电压负半周对应的反相触发 脉冲输出端。当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为 及三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为 及三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个

11、脉冲输出端；引脚为 及三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为 及三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出 端；引脚7为及三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个 脉冲输出端；引脚10为及三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个 脉冲输出端。(3)控制端引脚4(Vr)：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着 TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787 的工作电源电压VDDo引脚5(Pi)：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的 输出，高电平有效，应用中，接保护

12、电路的输出。引脚6(Pc)： TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出 双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。引脚13 (Cx)：该端连接的电容CX的容量决定着TC787或TC788输出脉 冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca):对应三相同步电压的锯齿波 电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中 分别通过一个相同容量的电容接地。(4)电源端TC787可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地， 而引脚17(VDD)允许施加的电压为818V0双电源工作时，引脚3(VSS

13、)接负电 源，其允许施加的电压幅值为-4-9V,引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电 压为+4+9V o 二、内部结构及工作原理简介TC787的内部结构及工作原理框图如图所示。由图可知，在它们内部集成有 三个过零和极性检测单元、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、一个脉冲分配及驱动电路。它 们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检 测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。三个恒流源输出的恒值 电流给三个等值电容Ca、Cb、CC恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波 形成单元输出的锯齿波及移相控制电压V

14、r比较后取得交相点，该交相点经集成 电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿 波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号及脉冲发生器输出的脉冲(对 TC787为调制脉冲，对TC788为方波)信号经脉冲形成电路处理后变为及三相输 入同步信号相位对应且及移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电 路。假设系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止端的信 号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲(引脚6为 高电平)或单脉冲(引脚6为低电平)的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后 输出，一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁

15、止信号有 效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路 的6个引脚12、11、1。9、8、7输出全为低电平。3. 2.3触发电路原理说明如上图所示，本实验的触发电路采用双脉冲触发的方式，即TC787的6号 引脚接高电平。触发电路图的电路分析如下：TC787的同步输入采用降压后的三相交流电信号，三相交流信号相位差为 120度，根据波形图可以得知输出脉冲信号的波形。输出信号的过程如下: 如图所示Tl时亥U，7号引脚-B和12号引脚A输出脉冲,VT5和VT6导通。 经过60度后，12号引脚A和号引脚-C输出脉冲,VTl和VT6导通。 经过60度后，号引脚-C和10号引脚B输出脉冲,VTl和VT2导通。经过60度后,10号引脚B和9号引脚-A输出脉冲,VT3和VT2导通。 经过60度后,9号引脚-A和8号引脚C输出脉冲,VT3和VT4导通。 经过60度后，8号引脚C和7号引脚-B输出脉冲,VT5和VT4导通。3.3、 主电路、触发信号典型波形3.3.1、 阻性负载电阻负载Q= 30。如图所示为a = 30。时的波形。Wtl时Ugl触发Tl导通，电源电压Uab 通过Tl、D6加于负载。wt2时和二极管自然换流，D2导通，D6关断，电源 电压UaC通过Tl