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三相可控整流触发电路设计学生代伟指导老师王寿槐(三峡大学成人教育电子信息)摘要本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR可控硅再整流为直流供负载用但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经升压变压器后由SCR可控硅再整流为直流供负载用但是由于工艺要求大功率,大电流,高电压,因此控制比较复杂,特别是触发电路部分必须一一对应,否则输出的电压波动大甚至还有可能短路造成设备损坏关键词SCR电力电子整流电路导通角前言研究背景和意义本课题来源下我单位的国产化技术改造项目,即三相SCR的整流及触发控制SCR是应用r电力领域的电子技术,指使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术SCR的发展现状晶闸管出现前的时期,用于电力变换的电子技术已经存在1904年出现了电子管Valve,能在真空中对电子流进行控制,并应用于通信和无线电,从而开了电了技术之先河;后来出现了水银整流器mercury—VapourThyratrons,其性能和晶闸管很相似在30年代到50年代,是水银整流器发展迅速并大量应用的时期它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动,甚至用于直流输电;各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用在晶闸管出现以后的相当一段时期内,所使用的电路形式仍然是这些形式;交流电变为直流电的方法除水银整流器外,还有发展更早的电动机一直流发电机组,即变流机组和旋转变流机组相对应,静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今;晶闸管出现前的时期,用于电力变换的电子技术已经存在1947年美国贝尔实验室发明晶体管transistor,引发了电子技术的一场革命;晶闸管19i7年SCRSiliconControlledRcctifier可通过门极控制开通,但通过门极不能控制关断,属于半控型器件目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目in器件中最高的,而日.工作·U靠,所以许多大容量场合仍大量使用SCR电力电子技术的前景电力电子器件发展的目标足大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积(高芯片利用率、模块化新的控制技术的使脂,以减小电力电子器件的开关损耗,如软开发技术通过谐振电路使得器件在零电压ZVS或零电流ZCS的状态下进行开关电力电子应用系统向萧高效、节能、小型化和智能化的方向发展SCR的应用一般工业直流电动机有良好的调速性能,给其供电的可控整流电源或电流斩波电源都是电力电子装置交通运输电气机车中的直流机车中采用整流装置,交流机车采用变频装置电力系统电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用最终用户在使用电能时常常需要进行预处理如降压、滤波、无功补偿等据估计,发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理电力系统在通向现代化的进程中,电力电子技术是关键技术之一毫不夸张地说,离开电力电子技术,电力系统的现代化是不可想象的;直流输电HVIc在长距离、大容量输电时有很大的优势,其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置近年发展起来的柔性交流输电FACTS可以人幅度提高电网输电能力和稳定性手段快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高如有源滤波器APFActivePowerFilter可进行用户端的无功补偿和谐波抑制不间断电源和各种开关电源这一类的应用最为普遍各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用品闸管整流电源,现在已改为采用全控型器件的高频外关电源大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源在各种电子装置中,以前大量采刚线性稳压电源供电,由于高频外关电源体积小、质量轻、效率高,现在己逐渐取代了线性电源家用电器照明在家用电器中有十分突出的地位由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源,通常称为“节能灯”,正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一主要工作新能源的开发和利用传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电能源危机后,各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视其中太阳能发电、风力发电的发展较快,燃料电池更是备受关注太阳能发电和风力发电受环境的制约,发出的电力质量较差,常需要储能装置缓冲,需要改善电能质量,这就需要电力电子技术当需要和电力系统联网时,也离不开电力电子技术;为了合理地利用水力发电资源,近年来抽水储能发电站受到重视其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术超导储能是未来的一种储能方式,它需要强大的直流电源供电,这也离不开电力电子技术;核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时,需要大容量的脉冲电源,这种电源就是电力电子装置科学实验或某些特殊场合,常常需要一些特种电源,这也是电力电子技术的用武之地.·三相桥式整流系统的研究·三相桥式整流系统的触发分析与设计·晶闸管(SCR)的触发电路
1.三相可控整流电路
1.1晶闸管的特点及触发方式三相桥式整流主要由SCR晶闸管器件组成,基本结构图;晶闸管的开关特点1当SCR的阳极和阴极电压UAK0,即EA下正上负,无论门极G加什么电压,SCR始终处于关断状态.2UAK0时,只有EGK0,SCR才能导通说明SCR具有正向阻断能力;3SCR一旦导通,门极G将失去控制作用,即无论EG如何,均保持导通状态SCR导通后的管压降为lv左右,主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定4当UAK0时,无论SCR原来的状态,都会使R熄灭,即此时SCR关断其实,在I逐渐降低通过调整RW至某一个小数值时,刚刚能够维持SCR导通如果继续降低电流,则SCR同样会关断该小电流称为SCR的维持电流综上所述SCR导通条件UAKO同时UGK0由导通一关断的条件使流过SCR的电流降低至维持电流以下一般通过减小EA,,直至EA0来实现晶闸管的几种导通方式1正常触发导通UAK0,同时UGK0;2阳极电压作用当UAK上升至某个大数值,使V2的漏电流由于雪崩效应而加大,同时由于正反馈而使漏电流放大,最终使SCR饱和导通;3dU/dt作用如果UAK以高速率上升,则在中问结电容上产生的电流可以引起导通;4温度作用温度上升,V1,V2的漏电流加大,引起SCR导通;5光触发当强光直接照射在硅片上,产生电子空穴对,在电场的作用,产生触发SCR的电流目前,有一些场合使用这种方式来触发SCR,如高压直流输电HVDC这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良好的绝缘这种SCR又称为光控晶闸管LightTriggeredThyristor—LTT晶闸管的基本特性1承受反向电压时,无论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;2承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通3晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用;4要使晶闸管关断,只能使晶闸管的电流降到接近十零的某数值以下从这个角度可以看出,SCR是种电流控制型的电力电子器什晶闸管的触发1作用产生符合要求的门极触发脉冲,保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通2广义上讲,晶闸管触发电路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路3晶闸管触发电路应满足下列要求.触发脉冲的宽度应保汪晶闸管可靠导通门极电流应大于擎住电流;·触发脉冲应有足够的幅度·不超过门极电压、电流和功率,且在可靠触发区域之内;.应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离三相全桥按负载不同可分为带电阻和带电感负载,以下分别讨论这两种负载的区别
1.2三相桥式全控整流电路三相全桥的特点
1.负载容量较大,或要求直流电压脉动较小、易滤波时使用二二相整流电路
2.应用最为广泛
3.共阴极组一—阴极连接存起的3个晶闸管VT1,VT3,VT5;
4.共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管VT4,VT6VT
25.注意编号顺序l、
3、5和
4、
6、2,一般没有特别蜕明,均采用这样的编号顺序
6.由于零线平均电流为零,所以可以不用零线对于每相二次电源来说,一个工作周期中,即有正电流,也有负电流,所以不存在直流磁化问题,提高了绕组利用率
1.
2.1三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0度的波形.1带电阻负载时的1“a=0度时的情况·对于共阴极阻的3个晶闸管,阳极所接交流电压值最大的一个导通;·对于共阳极组的3个晶闸管,阴极所接交流电压值最低或者说负得最多的导通·任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态其余的SCR均处于关断状态·触发角a的起点,仍然是从自然换相点开始计算,注意正负方向均有自然换相点·从线电压波形看,ud为线电压中最大的一个,因此ud波形为线电压的包络线1—1三相桥式全控整流电路电阻负载a=0度时晶闸管工作状态2三相桥式全控整流电路的特点三相全桥
1.两个SCR同时导通形成供电回路,其中共阴极组和共阳极组各有一个SCR导通,且不能为同相的两个SCR否则没有输出
2.对触发脉冲的要求.按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序,相位依次差60度;.共阴极组VT
1、VL
3、VL5的脉冲依次差120度,共阳极组VT
4、VT
6、VT2也依次差120度.同一相的上下两个桥臂,即VT
1.VL4VT3与VL6VT5与VT2,脉冲相差180度
3.ud一周期脉动6次,每次脉动的波形都一样,所以三相全桥电路称为6脉波整流电路
4.需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲采用两种方法一种是宽脉冲触发大于60度;
5.另一种是双脉冲触发常用在ud的六个时间段,均给应该导通的SCR提供触发脉冲,而不管其原来是否导通所以每隔60度就需要提供两个触发脉冲
6.实际提供脉冲的顺序为l,2—2,3—34—4,5—5,6—6,1—l,2,不断重复
7.晶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为Ufm=URM=
2.45U2
(1)a=30度时的工作情况、波形分析,晶闸管起始导通时刻推迟了30度,组成ud的每一段线电压因此推迟30度;.从ut1开始把一周期等分为6段,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表1一l的规律;·变压器二次侧电流iu波形的特点在VT1处于通态的120度期间,iu为正,iu波形的形状与同时段的ud波形相同,在VT4处于通态的120度期间,iu波形的形状也与同时段的ud波形相同,但为负值
(2)a=60度时工作情况、波形分析,ud波形中每段线电压的波形继续后移,ud平均值继续降低a=60度时ud出现为零的点因为在该点处,线电压为零
(3)当a60度时工作情况、波形分析,当a60度时,如a=90度时电阻负载情况下的工作波形三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90度是的波形本节小结·当a≤60度时,电压波形均连续,对于电阻负载,电流波形与电压波形一样,也连续;·当a60度时,u波形每60度中有一段为零,u波形不能出现负值;·带电阻负载时三相桥式全控整流电路口角的移相范围是120度
1.
2.2三相桥式全控整流电路三相全桥电感性负载
(1)电感性负载时的工作情况当a≤60度时ud波形连续,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;区别在于由于负载不同,同样的整流输出电压加到负载上,得到的负载电流i波形不同电感性负载时,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三相桥式全控整流电路带电感性负载a=0度时的波形三相桥式全控整流电路带电感性负载a=30度时的三相桥式全控整流电路带电感性负载a=60度时的波形三相桥式全控整流电路带电感性负载a=90度时的波形
(2)三相桥式全控整流电路a60度时
1.当a60度时电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同,电阻负载时u波形不会出现负的部分,而电感性负载时,出于电感L的作用,u波形会出现负的部分;带电感性负载时,三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90度因为在a=90度时,州波形上下对称,平均值为零
2.基本参数关系·当整流输出电压连续时即带电感性负载时,或带电阻负载a≤60度时的平均值为·带电阻负载且口60时,整流电压平均值为·输出电流平均值为Id=ud/R
(3)三相桥式全控整流的电流有效值当三相整流变压器供电,变压器次级接为星形,初级接三角形以减少三次谐波的影响,带电感性负载时,变压器二次侧电流波形,为正负半周各宽120度、前沿相差180度的矩形波,其有效值为三相桥式全控整流电路接反电势电感性负载时,在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下,电路工作情况与电感性负载时相似,电路中各处电压、电流波形均相同,仅在计算Id时有所不同,接反电势电感性负载时的Id为式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值本章小结变压器二次侧每相有两个匝数相同、极性相反列名端相反的绕组分别构成a,b,c和a‘,b’,c‘两组电路中设置了平衡电抗器Lp来保证两组三相半波电路能同时导电,每相的触发脉冲,从第一个正自然换相点开始计算起,分别为1,3,5和2,4,6这样,在不同的时刻导通的SCR分别为6,l、1,
2、2,
3、3,
4、4,
5、5,
6、6,l…实际上,通过每个时刻的等效电路,发现和分析变压器漏感作用时的电路十分类似,输出电压Ud的瞬时电压为导通两电压瞬时值的平均值2电压电流的取样方法及误差、干扰的处理
2.1电压电流的取样图3.1取样电路图此电路是对二向桥式整流电路的输出电压,输出电流的取样放大隔离电流取样山分流器300A/100MV精密电阻实际上电是取的电压,取样的电压,电流经反相输入放大器放大l0倍再经ISOl00隔离放大器放大30倍,如果过取得电压为100mV则输出的电压为3V电压和电流取样的方法本电路主要是对电压和电流的取样并经闭环控制去控制SCR的导通角1电压的取样电压取样是电子电路中的基本内容在电子电路中,电路的工作状念如谐振,工作点的动态范围,通常都以电压形式表现出来电子设备的控制信号,反馈信号极其它信息,主要表现为电压在非电量的测量中,也多利用各种传感装置,将非电参数转换成电压参数电路中其他电参数,包括电流,功率,以及信号的调幅度等,部可以看为电压的派生量,通过电压测量获得其量值电压测量是最为直接方便的,此电路山于在负载端是直流电压,因此可直接用大电阻分压得到2电流的取样电流取样的方法有两种其一是被测电流流过分流器,在分流器两端产生电压,测量此电压即可达到电流的目的,这种方法称为直接式电流取样法;其二,是用钳型表取样电流,即被测电流由钳子荚注,在铁心中产生磁场,此磁场通过霍耳元件,在霍耳元件的输出端产生电压,将此电压通过放大后,再进行取样,这种方法称为间接式电流取样法
2.2电压和电流取样的误差源及分析
2.
2.1系统误差的分析处理在任何电路取样系统中,都不可避免地存在着误差根据其成因及表现形式,可分为系统误差和随机干扰两大类它们有着不同的成因和对应的处理方法特别是在晶闸管大功率频繁关断的开关器件,如果取样值与真实值相差太大则会使SCR误导通,从而造成短路现象是设备烧坏甚至造成人员伤亡在SCR三相桥式整流中干扰的处理极为重要,否则控制电路将无法工作电路取样中一般都存在着系统误差系统误差是指在相同的条件下,多次取样同一量时,其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差例如调式系统时存在的固有误差,取样的基准误差等恒定系统误差取样的零点和放大倍数的漂移,热电偶冷端随室温度变化而引起的误差等变化系统误差系统误差的主要特点是,只要取样条件不变,误差即为确切的值,用多次测量取平均值的办法不能改变或消除系统误差,而当条件改变时,误差也随之按照某种确定的规律变化,具有可重复性系统误差的产生主要有几种原因设计原理及制作上的缺陷如使用过程中的零点漂移等
1.环境条件与器件的要求不一样
2.采用近似的测量方法或近似的计算公式
3.系统误差找不出一些普遍适用的处理办法,而只能针对某一种具体情况在电路上采取一定的措施通常采用某种校准算法对系统误差进行修正常用的一些方法如下1)模型校JF法在某些情况下,对仪表的系统误差进行理论分析和数学处理,可以建立仪表的系统误差模型,从而可以确定校正系统误差的算法和表达式2)利用校准曲线查表法修正在较复杂的电路中,对较多的误差来源往往不能充分的了解,因此难以建立适当的误差模型这时可通过实验,即通过实际校准来求得电路的校准曲线,然后将校准曲线上的各点数据存入存贮器的校准表格中,在以后的实际测量中,为内容通过查表求得修正了的测量结果获得校准曲线的过程为在电路的输入端逐次加入一个已知量,并得到实际的测量结果.于是可得校准曲线将实际测量得到的值作为存贮器的一个地址,把对应的已知量作存入其中,这就建立了一张校准表格在任意两个校准点之问的校准曲线段,可以近似地看成是一段直线段3)非线性特性的校正非线性校正也称线性化过程,是一项重要功能非线性校IF的方法有很多,例如,利用校准曲线用查表法做修正;利用分段折线法获得校准算法,直接从所描绘的非线性方程中获得算法等线性化的关键是找出校正函数,校正函数难以找到的,可以通过曲线拟和来完成曲线拟和主要有连续函数和分段拟和两种1连续函数拟和首先应根据对取样对象的了解来选择函数类型-般}i是通过一个N次多项式进行拟和若要得到较高的精度,可采用最小_乘法来拟和曲线,这种方法还能消除测量过程中的随机干扰的影响2分段拟和分段拟和是用一条折线来拟和器件的非线性曲线在每一段中,可以采用线性拟和,也可以采用二阶抛物线拟和在实际应用中采取哪种方法,墩决于系统误差和非线性特性的具体情况和所要求的校正精度在保证校正精度的前提下,应选用简荦的校正模型
2.
2.2随机干扰的处理电路中除了系统误差外,往往还伴有随机干扰随机误差又称偶然误差,是指对同一量进行多次测量时,其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化的误差随机误差的特点足,在多次测量中误差绝对值的波动有一定的界限;当测量次数足够多时,正负误差出现的机率几乎相同;同时随机误差的算术平均值趋于零产生随机误差的原因主要有器件产生的噪声;温度及电源电压的无规则波动,电磁干扰等克服随机干扰多采用统计平均的办法当由于存在随机干扰是被测信号中混入了无用成分时,可以采用滤波器滤掉信号中的无用成分,提高信号质量模拟滤波器在低频时实现是比较困难的,而数字滤波器则不存在这些问题它具有高精度,高可靠性和高稳定性的特点,因此广泛用于克服随机误差采用数字滤波算法克服随机误差具有以下优点数字滤波是由软件程序实现的,不需要硬件,因此不存在阻抗匹配的问题对于多路信号输入通道,可以公用一个软件滤波器,从而降低的硬件成本只要适当改变滤波器程序或运算参数,就能方便地改变滤波特性,这对于低频脉冲干扰和随机噪声的克服特别有效主要存在几种滤波算法柬处理实际中存在的几种随机干扰的情况分别如下l限幅滤波由于测控系统中存在随机脉冲干扰,或由于变送器不可靠而将尖脉冲丁扰引入输入端,从而造成取样信号的严重失真对于这种随机即干扰,限幅干扰是一种有效的方法,其基本方法是比较两个采样值yn,yn-1,根据经验确定两次采样允许的最大偏差如果两次采样值vn,yn-1差值超过了允许的最大偏差范围,则认为发生了随机干扰,并认为后一次为非法值,应予剔除2中位值滤波中位值滤波是对某一被测参数连续采样N次,然后把N次采样值按大小排列,取中间值为本次采样值中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰对温度,液位等缓慢变化的被测参数采用此法能收到良好的滤波效果,但对于流量,压力等快速变化的被测参数一般不宜采用此法3算术平均值滤波算术平均值滤波适用于对一般的具有随机干扰的信号进行滤波这种信号的特点是信号本身在某一数值范围内上下波动,如测量流量,液位时就是这种情况算术平均值滤波是按输入的N个采样值,寻找一个Y,使之与各采样值之问的偏差的平均和最小4滑动平均值滤波算术平均值滤波,每计算一次数据,需测量N次对要求速度较高的系统是难以实现的而滑动平均值滤波采用队列,每进行一新的测量,把测量结果放在队尾,而扔掉原来队首的一个数据,这样队列中始终有N个最新的测量数据计算平均值时,只要把队列中的N个数据进行算术平均,就可以得到新的平均值这样,只需要一次测量,就可以得到一次平均值5复合滤波存实际应用中,所受到的随机干扰往往不是单一的,有时既要消除脉冲干扰的影响,又要做数据平滑处理因此,在实际中往往把前面介绍的两种以上的滤波方法结合起来使用,形成复合滤波比如可以先用中位值滤波滤掉采样值中的脉冲干拢,然后把剩下的采样值进行滑动滤波6加权滑动平均滤波在算术平均滤波和滑动平均滤波中,N次采样值在输出结果中的比重是均等的,用这样的滤波算法对于时变信号会引入滞后为了增加新的采样值在滑动平均中的比重,以提高系统对当前采样值中所受干扰的灵敏度,可以采用加权滑动平均滤波在电路中究竟应选用那种滤波算法,取决于设备的使用场合及过程中所含有的随机干扰情况3触发电路的选择
3.1晶闸管触发电路
1.单结晶体管触发电路脉冲宽度窄,输出功率小,控制线性度差;移相范围一般小于180度,电路参数差异大,在多相电路中使用不易一致,不付加放大环节适用范围可触发50A以下的晶闸管,常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中,但在大电感负载中不易采用
2.集成触发电路移相范围小于180度,为保证触发脉冲的对称度,要求交流电网波形畸变率小于5%适用范围应用于各种晶闸管
3.
1.1对触发电路的基本要求及触发电路的型式1)晶闸管最主要的特性是正向导通的可控性当阳极加上一定的正向电压后,还必须在门极与阴极之间加上足够的正向控制电压即触发电压,晶闸管才能从阻断转化为导通根据晶闸管的特性,这个触发电压可以是交流、直流或短暂的脉冲电压,为减少门极损耗与触发功率,常用脉冲电压触发晶闸管为保证晶闸管正常的工作,触发电路必须满足以下要求触发信号应该有足够的功率(电压与电流)触发脉冲应有一定的宽度和前沿陡度,以使晶闸管在触发导通后,阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通触发脉冲必须雨晶闸管的阳极电压同步,并有足够的移相范围晶闸管的触发电路可以归纳为两大类一类为模拟触发电路,用模拟信号控制晶闸管的导通角;另一类为数字触发电路,用给定的数字量控制晶闸管的导通角无论是模拟触发器还是数字触发器,它的输入量与中间变量导通角的关系均为线性,而导通角对于输出量电压有效值则为非线性这样,输入量与输出量的关系必然为非线性这种非线性关系往往给控制系统的分析、设计和调试带来很多麻烦触发电路和晶闸管驱动电路作为控制系统的一个环节,如果能使其给定量与输出的关系线性化,会给系统的控制带来很多方便触发角与输出电压的非线性关系是正弦交流电所固有的,且不可能消除所以本章将寻求给定量与导通角的一种非线性关系,用于抵消导通角与输出电压的非线性,使触发驱动环节线性化2触发电路的定相在三相SCR变流装置中,触发电路应保证每个SCR触发脉冲与施加于SCR上的交流电压保持固定、正确的相位关系正确选择同步电压相位以及获取不同相位同步的方法,称为触发电路的定相对三相SCR变流器来说六个同步电压均由三相同步变压器的二次绕阻提供一般同步变压器的副边接成星形按法以获得公共地端同步变压器原边接入为主电路供电的电网,可以保证频率一致;触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系3变压器的接法和时钟表示方法符号D——三角形接法;Y——星形接法数字代表钟点数,将十二小时与角度对应,即将360度分为12等份逆时针方向为正方向该数字为UA的指向;如果原边的A相电压UA定在12点钟,UB滞后UAl20度指向4点钟,UC超前UA120度指向8点钟;则由UAB=UA—UB,指向11点钟同理,UCA指向7点钟,UBC指向3点钟;在D,Y1l的变压器中,原边接成D接法,意味着副边的UA指向1l点钟4以三相全控桥为例,采用锯齿波同步触发电路,采用NPN管时的情况对于负半周有效的电路UTS为负时才能产生触发脉冲,对于连接于UA相正向的VT1,应选用滞后UAl80的度即反相的电压作为VT1的同步电压Us,常计为-Usa;对于连接UA相反向的VT4,由于VT1和VT4触发导通相差180度,所以选用和UA同步的电压作为VT4的同步电压Us,常记为Usa;同理可以获得其它四个SCR的同步电压
3.2触发电路方案
3.
2.1方案一单结晶体管触发电路单结晶体管又叫做双基极二极管,它有一个PN结和三个电极,其中一个为发射极,另两个均为基极单结晶体管具有负载特性,单结晶体管有负阻特性,利用这一特性可组成各种振荡器
(1)a.单结晶体管b.单结晶体管的伏安特性c.等效电路
(2)a.单结晶体管触发电路b.波形图
3.
2.2单结晶体管的结构、工作原理单结晶体管的等效电路、伏安特性等如上图所示单结晶体管中第一基极B1和第二基极B2之间的电阻就是硅片本身的电阻,约为4—40千欧姆在N型硅片上渗入P型杂质形成PN结,并由P区向外引线作为发射区E,于是E对B1和B2都构成一个PN结,具有二极管的单向导电性当在B
1、B2极间接一个外加电压UBB后,若此时UE=0,则二极管负极点电压为其中式中η称为单结晶体管的分压比,其数值主要与管子的结构有关,一般在
0.5~
0.9之间二极管经受电压UA反向偏置,将有反向漏电流-IE流过随着UE的增加二极管所承受的反向偏置电压将相应减小,漏电流也将随之减小
(1)当UE<ηUBB时,发射结处于反向偏置,管子截止,发射极只有很小的漏电流ICEO
(2)当UE≥ηUBB+VDVD为二极管正向压降(约为
0.7伏),PN结正向导通,IE显著增加,Rb1阻值迅速减小,UE相应下降,这种电压随电流增加反而下降的特性,称为负阻特性管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点,与其对就的发射极电压和电流,分别称为峰点电压Up和峰点电流IpIp是正向漏电流,它是使单结晶体管导通所需的最小电流,显然Up=ηUBB
(3)随着发射极电流IE不断上升,UE不断下降,降到V点后,UE不在降了,这点V称为谷点,与其对应的发射极电压和电流,称为谷点电压,UV和谷点电流Iv
(4)过了V点后,发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态,所以UC继续增加时,IE便缓慢地上升,显然Uv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压,如果Ue<Uv,管子重新截止
3.
2.3方案二集成化触发电路集成化晶闸管移相触发电路具有移相线性度好、性能稳定可靠、体积小、温度漂移小等优点,下面以KC系列KC04移相触发电路为例,介绍其原理结构和工作过程
3.
2.4工作原理、结构KC04集成触发器为16引脚双列直插式封装,其电路原理图于工作原理和由分立元件组成的锯齿波垂直移相电路类似原理图及各点的工作波形如下2-1各元器件的参数表工作波形图该集成电路油同步单元、锯齿波形成单元、移相控制单元、脉冲形成单元和功率方大单元等几部分组成同步单元由晶体管V1—V4实现,外接正弦同步电压uT经电阻R14接至芯片的8端口,即加至晶体管V
1、V2的基极当uT为正半周时,晶体管V1导通,构成+15V电源经R
3、VD1(A点)、V1至地的通路;当uT为负半周时,晶体管V2导通并导致V3导通,于是构成+15V电源经过R
3、VD2(B点)、V
3、R5到—15V电源的通路所以不管uT的正半周或负半周,A,B两点总有一点是处于低电位状态,因而是晶体管V4处于截至状态,只有在同步电压处于零点附近(uT
0.7V)时,晶体管V
1、V
2、V3才同时处于截至状态,使得A、B两点同时为高电位,于是构成了V4管的基极电路,+15V电源经R
3、R
4、V4发射结到地,使V4管导通,可用V4管导通作为同步电压过零的检测标准锯齿波形成单元是由晶体管V5及外接电容C1为核心组成的外接电容C1通过芯片的
3、4端口接到V5管基极和集电极之间,构成了电容负反馈的锯齿波发生器当同步检测晶体管V4截至时,电容C1充电,充电路径为+15V、R
6、C
1、R
15、RP1至—15V电源,电容C1两端电压,即晶体管V5的集电极电压uV5C将按照左负右正的反向线性增长,形成了锯齿波的上升沿,当V4导通时,电容C1经V4及二极管VD3迅速放电,形成锯齿波的下降沿锯齿波电压的斜率将由充电电路的相关参数C
1、R
6、R
15、RP1来决定移相控制单元由晶体管V6构成的综合器实现在V5集电极形成的锯齿波电压uV5C和外接偏移电压uP、移相控制电压uct,分别经过电阻R
16、R
17、R18由芯片端子9加到V6管的基极,得到叠加后的电压uV6B,并当uV6B
0.7V时V6管导通如果偏移电压UP和锯齿波电压uV5B为定值,那么改变Uct的大小即可改变V6管的导通时刻,即改变脉冲产生的时刻,起到移相控制作用脉冲形成单元由晶体管V7及外接元件组成,外接电容C2由芯片端子
11、12接到V6管的集电极和V7管的基极,平时由于+15V电源、R
7、C
2、VD
5、V7发射结到地;而当V6管导通时,电容C2上充的电压经V6管使V7管的发射结承受反向电压而截止而后,电容C2又经+15V电源、R
19、C
2、V6至地反向充电;当C2的12端口电压大于
1.4V时,V7管重新导通,于是在V7管的集电极上就得到一个宽度固定的移相脉冲,该脉冲宽度由时间常数C2*R19决定功率放大单元由脉冲分选和功率放大两部分组成晶体管V
8、V12承担脉冲分选任务,在同步电压的一个周期内,在V7管的集电极上形成的是脉宽一定,相位相差180度的两个脉冲经V8和V12管分选,在uT的正半周时,A点为低点位,是V8管截至,由V7集电极来的脉冲经由二极管VD
7、稳压管VS3是晶体管V9导通,导致复合管V
10、V11导通,触发脉冲的1端输出;与此同时,由于B点为高电位,V12管导通,将由V7管集电极来的脉冲钳制在“0”电位,故而V
13、V
14、V15均截至15端口无脉冲输出同理,在uT的负半周时,B点为低电平,V12管截至而V8管导通,于是触发脉冲由15端口输出,而1端口无脉冲输出触发脉冲常常要经过脉冲变压器隔离后才加到晶闸管的门极和阴极4课题的结论和总结本课题设计实现了单结晶体管触发和KC04集成化触发晶闸管的电路,在对三相桥式可控整流电路带电阻负载时的工作情况进行分析中,我知道了电力电子技术是一门基础性和支持性很强的技术,由于这是电力电子技术里面的重点,反复的强调自己要学好专业知识,交流电压源的参数设置,三相电源的相位互差120度,设置交流峰值相电压为100伏,频率为60赫兹三相桥式全控整流电路是由共阴极组和共阳极组串联而成,共阴极组和共阳极组均包括三只晶闸管(一般上面三个为共阴极组,下面三个为共阳极组).对于共阴极组的晶闸管而言,某一相电压较其它为正,同时又有触发脉冲就触发导通.对共阳极组的晶闸管而言,某一相电压较其它为负,同时又有触发脉冲就触发导通. 由于某一个时刻,相电压是有比较的,同时还要触发脉冲,所以不可能同时触发.如某一时刻,A相较其它为正,C相则较其它为负,那么A相对应的共阴极组的晶闸管VS1和C相对应的共阳极组的晶闸管VS2导通.即每次触发时,要保证共阴和共阳极组各有一只晶闸管导通且都是对应好了的从触发角α=0度时的情况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点如下1)每个时刻均需2个晶闸管同时导通,形成向负载供电的回路,其中1个晶闸管是共阴极组的,1个是共阳极组的,且不能为1相的晶闸管2)对触发脉冲要求6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序,相位依次差60度;共阴极组VT
1、VT
3、VT5的脉冲依次差120度,共阳极组VT
4、VT
6、VT2也依次差120度;同一相的上下两个桥臂,即VT1与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2,脉冲相差180度3)整流输出电压ud一周期脉动6次,每次脉动的波形都一样,故该电路为6脉波整流电路4)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致谢在此毕业论文完成之际,我首先要向导师王寿槐老师致以衷心的感谢和崇高的敬意!在研究生学习期间,王老师对我一直孜孜教诲、严格要求,并且不失时机的鼓励,令我克服了学习期间的众多难题王老师深厚的理论造诣、丰富的实践经验、严谨的治学态度、积极的工作作风对我产生的影响将令我受益终身在本次论文设计中使我受益匪浅,让我更加了解了电力电子技术在我们生活中的重要作用和基本的原理,大量的翻阅资料,让我对此更加感兴趣,希望以后能想王老师一样,有更深的研究和开发,在此郑重的感谢王老师和学校给我们的这次学习的机会感谢王老师在百忙之中给我们详细的指导,才能使我顺利的完成这次论文报告同时也感谢我的好同学们在我的追问下,不耐其烦的跟我一起讨论和学习,让我们懂得了更多的专业方面的知识总之忠心的感谢老师同学们对我的教导参考文献【1】张立,可关断可控硅及应用,人民邮电出版社,1982【2】林渭勋,可控硅中频电源,机械工业出版社,1983【3】姜丽君,集成电路移相触发器,电力电子技术,1988【4】徐建,混合式微型计算机可控硅触发系统,电气自动化,1990【5】廖晓钟,电力电子技术与电气传动,北京理工大学出版社,2000【6】王兆安,刘进军,电力电子技术,第五版,机械工业出版社,2009【7】葛延津,钱晓龙,电力电子技术,第二版,东北大学出版社,2002【8】曲学基,曲敬铠,电力电子整流技术及应用,电子工业出版社,2008【9】曲永印,电力电子变流技术,冶金工业出版社,2002【10】黄诗萱,电力电子实用技术,中国电力出版社,2010【11】李先允,电力电子技术,中国电力出版社,2006【12】叶斌,电力电子应用技术及装置,北京,铁道出版社,1999【13】王兆安,黄俊,电力电子技术,北京,机械工业出版社,2008【14】王维平,现代电力电子技术及应用,南京,东南大学出版社,1999【15】马建国,电子系统设计,北京,高等教育出版社,2004【16】马建国,孟宪元,电子设计自动化基础,北京,清华大学出版社2004附录三相全控桥式电路实验图实验仿真电路图R110KR
126.2KC
30.1uVD62CP12VT23DG12BR
24.7KR13200C
40.1uVD72CP12VT33DG12BR
34.7KR1420C
50.047uVD82CP12VT43DG12BR4200R15300C61uVD92CP12VT53DG12BR510KR1630C72000uVD102CP12VT63DG2BR
63.3KR1730VS2cw12VD112CZI/AVT73DG12BR712KR1820VD12CP12VD122CZI/AVT83DA1BR
86.2KRP
11.5KVD22CP12VD132CZI/AR
96.2KRP
21.5KVD32CP12VD142CZI/AR1030KC11uVD42CP12VD152CZI/AR1130KC21uVD52CP12VT13CC1D。