湖南工程學院
課程設計任務書
課程名稱電力電子技術
題目三相整流電路的設計
專業班級
學生姓名學號
指導老師
審批任務書下達日期 2012 年 6 月 4 日
設計完成日期 2012 年 6月 17 日
目錄一、 設計總體思路，基本原理和框圖
1． 設計總體思想
依據所學知識，在比較了幾種方案後，本次課程設計採用atmel89s52 微控制器控制的三相橋式可控整流電路觸發電路的設計方法，包括三相橋式全控整流電路、同步訊號的檢測、脈衝的形成與放大、鍵盤電路、保護電路等內容。
2. 基本原理和框圖
在三相整流電路中，由電網提供的380v三相交流連線到三相變壓器一次側，而三相變壓器二次側則接三相橋式整流主電路。通過控制電路調節觸發角α的大小來改變三相整流電路輸出電壓的大小。而在控制電路與主電路之間設計了乙個驅動電路，它相當於介面。
與此同時為保證電路能夠正常工作還設定了保護電路。總體結構框圖如下
圖一總體結構框圖
二、 主電路設計
1.三相交流輸入
由電網提供的380v三相交流連線到三相變壓器一次側，而三相變壓器二次側則接三相橋式整流主電路。必須注意的是，為了避免三次諧波電流流入，一次側接成三角形。三相變壓器二次側為星形連線。
圖2 三相整流主電路
2.主電路工作過程分析
現在以閘流體觸發角α=0°分析主電路工作原理：此時，對於共陰極組的3個閘流體，陽極所接交流電壓值最高的乙個導通。而對於共陽極組的3個閘流體，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的乙個導通。
這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個閘流體處於導通狀態，施加於負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖3所示。
圖3 三相橋式整流電路帶阻性負載α=0°時的波形
α=0°時，各閘流體均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二次繞組相電壓與線電壓波形的對應關係看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。 從相電壓波形看，以變壓器二次側的中點n為參考點，共陰極組閘流體導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud = ud1－ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。
將波形中的乙個週期等分為6段，每段為60°度，如圖3所示，分析有每一段中導通的閘流體及輸出整流電壓的情況，如表1所示。
表1 三相橋式整流電路電阻負載α°時閘流體工作情況
由圖分析可得：6個閘流體的脈衝按vt1－vt2－vt3－vt4－vt5－vt6的順序，相位依次差60°；共陰極組和陽極組依次差120°；同一相的上下兩個橋臂脈衝相差180°。 整流輸出電壓ud一週期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。
在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個閘流體均有觸發脈衝。為此，可採用兩種方法：一種是使脈衝寬度大於60°，稱為寬脈衝觸發。
另一種方法是，在觸發某個閘流體的同時，給序號緊前的乙個閘流體補發脈衝。即用兩個窄脈衝代替寬脈衝，兩個窄脈衝的前沿相差60°，脈寬一般為20°~30°，稱為雙脈衝觸發。雙脈衝電路較複雜，但要求的觸發電路輸出功率小。
寬脈衝觸發電路雖可少輸出一半脈衝，但為了不使脈衝變壓器飽和，需將鐵心體積做得較大， 繞組匝數較多，導致漏感增大，脈衝前沿不夠陡，對於閘流體串聯使用不利，故採用雙脈衝觸發。α＝0°時閘流體承受的電壓波形如圖所示。
圖中還給出了閘流體vt1流過電流 ivt 的波形，由此波形可以看出，閘流體一週期中有120°處於通態，240°處於斷態，由於負載為電阻，故閘流體處於通態時的電流波形與相應時段的ud波形相同。
當觸發角α改變時，電路的工作情況將發生變化。正是觸發角是可以改變的，這樣才有通過控制觸發角以達到控制三相整流輸出的目的，從而使得輸出的電壓ud、輸出電流id及id都發生相應的改變。其分析原理及方法都與觸發角α=0°一樣，此處略。
3.定量分析與引數設定
在以上的分析中已經說明，整流輸出的波形在一週期內脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對乙個脈波（即1/6週期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間座標的零點，於是可得當整流輸出電壓連續時（即帶阻感負載時，或帶電阻負
載α≤60°時）的平均值為
電阻負載且α>60°時，整流電壓平均值為
輸出電流平均值為id = ud/r。
當整流變壓器為圖1中所示採用星形聯結，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖7中所示，為正負半周各寬120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值為
閘流體電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。
閘流體的引數：
（1）電壓額定：閘流體在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓utn=u2考慮安全裕量，一般閘流體的額定電壓為工作時所承受峰值電壓的2~3倍。即u額=(2~3)utn 。
假設，380v交流電從變壓器一次側輸入，二次側輸出功率為2kw，負載電阻為20歐姆，理想變壓器二次側電壓u2=200∨，所以閘流體的額定電壓u=(2~3) u2=(2~3)×200∨。
（2）額定電流：通態平均電流ivt(**)=0.368id，id=ud/r, ud=2.
34 u2.考慮安全裕量，應選用的通態平均電流為計算的（1.5～2）倍。
計算得ivt(**)=7.36a。
（3）對於閘流體我們選用可關斷閘流體gto。它是具有門極正訊號觸發導通和門極負訊號關斷的全控型電力電子器件。她既具有普通閘流體耐壓高、電流大的特點，同時又具有gtr可關斷的優點。
（4）總上述，我們選用額定電流為50a，額定電壓1500v的gto。有關引數如下.
正向阻斷電壓:1000～1500ⅴ,受反壓，陽極可關斷電流：30、50a擎柱電流0.
5～2.5正向觸發電流：200～800ma，反向關斷電流：
6～10a，開通時間：<6us,m關斷時間:<10us,工作頻率：
<3khz,允許du/dt>500v/us,允許di/dt>100a/us,正管壓降2～4v。
整流變壓器的引數：
（5）很多情況下閘流體整流裝置所要求的變流供電壓與電網電壓往往不能一致，同時又為了減少電網與整流裝置的相互干擾，可配置整流變壓器。
我們假設變壓器是理想的。u2=ud/2.34≈85.5v.所以變壓器的匝數比為380/85.5=760/171.變壓器
一、二次容量為s2=3 u2i2=3*85.5*0.816id。
選擇電阻r=20ω
三、 觸發電路的硬體電路設計
硬體電路以atmel89s52 微控制器為控制器，其結構框圖如圖2 所示。它包括同步訊號檢測、ad轉換電路、脈衝的形成與放大、鍵盤電路等。
圖4 觸發器的硬體結構框圖
1. 同步訊號的檢測
採用北京森社公司生產的chv - 100 /300a 型號的電壓感測器，其額定電壓為300v （ 有效值） ,額定輸出電流25ma.檢測電路中，電壓感測器接入220v 的a 相交流電，輸出的電流訊號經100 歐姆的電阻後，轉變為大小為0 ~ 2. 5v 的電壓訊號（ 實際輸出為- 2.
5v ~ 2. 5v） ,此電壓訊號接入lm258 構成的加法器轉換成0 ~ 5v 的直流訊號，此訊號輸入到飛利浦半導體公司生產的8 位a/d 轉換器pcf8591 的模擬訊號輸入通道ain3,pcf8591 的輸出訊號aout 即可接入atmal89s52微控制器，利用i2c 匯流排進行資料傳輸，微控制器經過軟體檢測，即可得知同步電壓us 過零點訊號。其硬體電路如圖5所示。
圖5 同步訊號檢測電路
2 觸發脈衝的形成與放大—驅動電路
脈衝的形成與放大電路如圖6所示。來自微控制器p1. 0 ~p1.
5 的六路較弱的脈衝訊號輸入到反相器74hc04,經過光電隔離器4n25 隔離輸出，最後經過脈衝變壓器tb1 放大輸出到相應閘流體的門極g 和陰極k。
圖6 觸發脈衝形成與放大電路
如圖7所示，六路觸發脈衝形成過程如下。當微控制器檢測到a 同步電壓ua 從負到正的過零點訊號（ 實際上檢測到的應該是2.5v） 時，它會接收到來自於int1 的中斷請求訊號，這時，微控制器會中斷響應，服務子程式。
這個子程式的功能是決定如何產生第乙個觸發脈衝的上公升沿。當微控制器檢測到同步訊號過零點時，微控制器的16 位計數器/定時器1 同時開始計時，它工作在工作方式1; 由於atmel89s52 微控制器的晶振是12mhz,它的乙個機器週期是1μm.定時的長度是由微控制器的要產生的觸發延時角α 決定的。
由於乙個正弦波的週期是20ms,定時的長度由下式決定： tα = α × 20 /360°ms.定時器的初始化值可以根據tα來設定。
為了簡單起見，本文定義了乙個長度為180 的陣列，它對應於觸發延時角α 從0 到180 度的變化。這個陣列儲存在微控制器的rom 儲存區。這樣，定時器對應於每個觸發角的初始化設定值就可以直接賦值給定時器1 了。
定時器初始化之後，就啟動定時器工作。當定時時間就一到，定時器的溢位標誌位置1,微控制器開始執行定時器1 的中斷服務子程式。
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