课程设计大功率可控整流器设计
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目录1设计任务及要求 21.1 初始条件 21.2 要求完成的主要任务 22 变流器主电路设计与原理说明 32.1 主电路图的设计 32.2 主电路原理 33 触发电路设计 83.1 触发电路选择 83.2 触发电路 93.3 触发电路的定相 134 保护电路的设计 154.1 过电流保护 154.2 过电压保护 165 参数的设定和计算 186 应用举例 196.1 作为蓄电池充电器 196.2 在温度控制上的应用 197 心得小结 20参考文献 21大功率可控整流器的设计 1设计任务及要求1.1 初始条件1．220V交流供电电源，整流变压器（六相绕组），晶闸管若干只；2.各种电阻和电感，快速熔断器FU，电容C1.2 要求完成的主要任务1．变流器主电路设计，原理说明；2. 触发电路设计，每个开关期间触发次序与相位分析；3. 保护电路设计，过电流保护，过电压保护原理分析；4. 参数设定和计算（包括触发角的选择，输出平均电流，输出平均电压，输出有功功率计算，输出波形分析）；5.应用举例；6．心得小结2 变流器主电路设计与原理说明2.1 主电路图的设计在电解电镀等工业设计应用中，经常需要大功率的可调直流电源。
如果采用三相桥式电路，整流器件的数量很多，还有两个管压降损耗，降低了效率在这种情况下，可采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，如图1所示该电路课简称双反星形电路图1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路2.2 主电路原理整流变压器二次侧为星型接法的两个绕组,a与a’、b与b’、c与c’接在三相变压器的三个铁芯柱上，且匝数相同但同名端位置相反，使Ua与Ua’、Ub与Ub’、Uc与Uc’的电压大小相等、相位差180度两个绕阻分别接成两组三相半波共阴极接法的整流电路，通过平衡电抗器Lp并联起来变压器二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化平衡电抗器Lp是从中心抽头，左右两部分绕在同一铁芯上，匝数相等，绕向相同，用来保证两组三相半波整流电路能同时并联导通，每组承担一半负载因此，与三相桥式电路相比，在采用相同晶闸管的条件下，双反星形电路的输出电流可大一倍当两组三相半波的控制角 α=0º 时，两相整流电压、电流的波形如图2所示图2 双反星形电路， α=0º 时两组整流电压、电流波形 在上图中，两组的相电压互差180º，因而相电流亦互差180º其幅值相等，都是Id/2以a相而言，相电流ia与ia，出现的时刻虽不同，但他们的平均值都是Id/6。
因为平均电流相等而绕组的极性相反，所以直流安匝互相抵消因此本电路的利用绕组的极性相反来消除直流磁通势的在这种并联电路中，在两个星形的中点间接有带中间抽头的平衡电抗器，这事因为两个直流电源并联运行时，只有当两个电源的电压平均值和瞬时值均相等时，才能是负载电流平均分配在双反星形电路中，虽然两组整流电压的平均值Ud1和Ud2是相等的，但是它们的脉动波相差60º，它们的瞬时值是不同的，如图3a所示现在把六个晶闸管的阴极连接在一起，因而两个星形的中点n1和n2间的电压便等于ud1和ud2之差其波形是三倍频的近似三角波，如图3b所示这个电压加在平衡电抗器Lp上，产生电流ip,它通过两组星形自成回路，不流到负载中去，称为环流或平衡电流考虑到ip后，每组三相半波承担的电流分别为Id/2±ip为了使两组电流尽可能平均分配，一般使Lp值足够大，以便限制环流在其负载额定电流的1%~2%以内图3 平衡电抗器作用下输出电压的波形和平衡电抗器上电压的波形 在图1所示的双反星形电路中，如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流器电路，在任一瞬间只能有一个晶闸管导电，其余五个晶闸管均承受反压二阻断，每个管子的最大导通角为60º，每个管子的平均电流为Id/6。
当α=0时，六相半波整流电路的Ud为1.35U2，比三相半波是的1.17U2略大些，其波形如图3a的包络线所示，由于六相半波整流电路因晶闸管导电时间段，变压器利用率低，估计少采用可见，双反星形与六相半波电路的区别在于有无平衡电抗器以下分析由于平衡电抗器的作用，使得两组三相半波整流电路同时导电的原理在图3a中取任一瞬间如ωt1,这时ub'及ua均为正值，然而ub'大于ua,如果两组三相半波整流电路中点n1和n2直接相连，则必然只有b'相的晶闸管能导电接了平衡电抗器后，n1、n2间的电位差加在Lp的两端，它补偿了ub'和ua的电动势差，使得ub'和ua相的晶闸管能同时导电，如题4所示由于在ωt1时电压ub'比ua高，VT6导通，此电流在流经Lp时，Lp上要感应一电动势up,它的方向是要阻止电流增大可以导出平衡电抗器两端电压和整流输出电压的数学表达式如下： （1） （2）虽然ub'>ua，导致ud1
此时变成VT1、VT2同时导电每隔60º有一个晶闸管换相每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电120º图4 α取不同值时输出电压波形 α=30º、α=60º和α=90º时输出电压波形如图4所示从图中可以看出，双反星形电路的输出电压波形与三相半波电路比较，脉动程度减小了，脉动频率加大一倍，f=300Hz在电感负载情况下，当α=90º时，输出电压波形正负面积相等，Ud=0，因而要求的移相范围为90º如果是电阻负载，则ud波形不应出现负值，仅保留波形中正的部分同样可以得出，当α=120º时，Ud=0，因而电阻负载要求的移相范围为120º双反星形电路是两组三相半波电路的并联，所以整流电压平均值与三相半波整流电路的整流电压平均值相等，在不同控制角α时 Ud=1.17U2cosα比较双反星形电路与三相桥式电路可得：三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需用平衡电抗器；当变压器二次侧电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id是三相桥式电路的两倍；在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压ud和整流电流id的波形形状一样。
3 触发电路设计3.1 触发电路选择变流电路的功能通常是依靠电力半导体器件的可控性实现的，用于为电力半导体器件提供驱动信号的电路称为驱动电路晶闸管变流电路的功能是依靠晶闸管正相导通的可控性实现的经闸管由正向阻断状态转为正相导通状态时，必须在门极与阴极间施加足够的正向电压为了减少门极损耗并提高触发强度，触发电压常采用脉冲型信号一般晶闸管变流电路的控制框图如图5所示图中，同步电路获得与交流电源同步的正弦交流信号，并确定各元件自然换相点和移相范围；控制电路综合系统信息进行处理，产生和负载所需电压相适应的相位控制信号；移相控制电路接受相位控制信号，在移相范围内确定以自然换相点为计算起点的控制角，产生移相脉冲信号；驱动电路对该移相脉冲信号进行整形处理，产生所需幅值和宽度的触发脉冲信号 变流电路负 载电 源触发信号驱动电路同步电路反馈信号控制电路移 相控制电路相 位同步信号给 定信 号控制信号图5 晶闸管变流电路的控制框图 触发电路的类型很多,各有其特点在选择触发电路时，应根据系统的要求合理选择 对于三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。
为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取～），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前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，脉宽一般为～，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宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡因此，常用的是双脉冲触发3.2 触发电路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，与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与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、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/TC788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、KJ004、KJ009、KJ041、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 图6 TC787(或TC788)的引脚排列(引脚向下)一、各引脚的名称、功能及用法如下(1) 同步电压输入端：引脚1(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/TC788的工作电源电压VDD2) 脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与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11(-C)分别为与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为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中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为与三相同步电压中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为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。
应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极3) 控制端:① 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/TC788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/TC788的工作电源电压VDD② 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/TC788的输出。
