基于电力电子晶闸管全控整流电路的保护电路.docx
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基于电力电子晶闸管全控整流电路的保护电路
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内容提要
全控整流电路技术在工业生产上应用极广。
如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。
把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。
整流器的输入端一般接在交流电网上。
为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。
由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载（如电炉，电热器，电焊机，和白炽灯等）、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。
以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。
为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。
该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，其中包括恒流源充电，输出为双窄脉冲（也可为单窄脉冲），脉冲宽度在8°左右。
为了方便，我们使用集成触发电路，同时考虑了保护电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对使用事项做了简单的介绍。
目录
内容提要
一.设计目的及要求…………………………………………………………..
1.1设计目的…………………………………………………………………………..
1.2设计要求…………………………………………………………………………..
二.三相晶闸管全控整流电路的触发电路设计方案的选择与论证………
2.1集成触发电路的方案选择…………………………………………………………
2.2选取集成触发电路功能说明………………………………………………………
2.3主要参数和限制…………………………………………………………………..
三.三相全控整流电路的原理说明………………………………………….
3.1主电路原理说明…………………………………………………………………
3.1.1带电阻负载时的工作情况…………………………………………………..
3.1.2阻感负载时的工作情况……………………………………………………..
3.1.3定量分析……………………………………………………………………….
3.1.4各元件参数计算……………………………………………………………….
四.三相晶闸管全控整流电路的保护电路设计方案的选择与论证………
4.1电路的保护措施………………………………………………………………….
4.1.1主电路的过电压保护………………………………………………………….
4.1.2晶闸管的过电压保护
4.1.3晶闸管的过电流保护………………………………………………………….
4.2各元件参数与选择………………………………………………………………
五.主电路与触发电路的同步…………………………………………….
六.适用范围及使用注意事项…………………………………………….
七.设计体会……………………………………………………………….
八.参考文献…………………………………………………………..
附录一.总电路原理图…………………………………………………….
一.设计目的及要求
1.1设计目的：
培养学生以下几个方面的能力：
（1）．综合运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力。
（2）．了解与熟悉常用的电力电子电路的电路拓扑、控制方法。
（3）．理解和掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。
（4）．具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
（5）.培养学生综合分析问题.发现问题.解决问题的能力.
1.2设计要求:
（1）.输入电压:
三相交流380伏.50赫兹.
（2）.输出功率:
2KW
（3）.用集成电路组成触发电路.
（4）.负载性质:
电阻.电阻电感.
（5）.对电路进行设计.计算与说明.
（6）.计算所有元器件型号参数.
二.三相晶闸管全控整流电路的触发电路设计方案的选择与论证
2.1集成电路方案的选择
集成电路可靠性高，技术性能好，体积小．功耗低，调试方便、随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及．现已逐步取代分立式电路。
目前国内常用的有用系列KJ和KC系列，最新的还有TC系列的。
KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。
KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。
该电路具有输出负载能力大，移项性好，正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。
对与KC系列的比较落后，性能不稳定；TC系列的TC787TC788价格比较昂贵。
所以考虑到性价比，我们选用KJ004可控硅移相触发电路，组成集成触发器，就可以实现我们的要求。
电路图如图1
图1
2.2KJ004功能说明
该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。
电路原理见表1：
锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。
对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移VP。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。
触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。
R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。
KJ004的同步电压为任意值
表1
功能
输出
空
锯齿波形成
-Vee（1kΩ）
空
地
同步输入
综合比较
空
微分阻容
封锁调制
输出
+Vcc
引线脚号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁标准。
《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100—76
2.3KJ004参数及限制
电源电压：
直流+15V、-15V，允许波动±5%（±10%时功能正常）。
电源电流：
正电流≤15mA，负电源≤10Ma。
同步电压：
任意值。
同步输入端允许最大同步电流：
6mA（有效值）。
移相范围≥170°（同步电压30V，同步输入电阻15KΩ）。
锯齿波幅度≥10V（幅度以锯齿波平顶为准）。
输出脉冲：
（1）宽度：
400μs~2ms（通过改变脉宽阻容元件达到）。
（2）幅度：
≥13V。
（3）KJ004最大输出能力100mA（流出脉冲电流）。
（4）输出管反压：
BVCEO≥18V（测试条件Ie≤100μA）。
正负半周脉冲相位不均衡≤±3°。
使用环境温度为四级：
C:
0~70℃R:
-55~85℃E:
-40~85℃M:
-55~125℃
三．三相晶闸管全控整流电路原理说明
3．1主电路原理说明
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图2所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。
此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。
从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。
图2
3.1.1带电阻负载时的工作情况
可以采用与分析三相半波可控整流电路时类似的方法，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。
此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。
而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。
这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。
此时电路工作波形如图2所示。
α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。
由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。
在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。
从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。
为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，如图2-18所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如2-1表所示。
由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。
表2三相桥式全控整流电路电阻负载@=0时晶闸管工作情况
时段
1
2
3
4
5
6
共阴极组中
导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中
导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压ud
ua-ub=uab
ua-uc=uac
ub-uc=ubc
ub-ua=uba
uc-ua=uca
uc-ub=ucb
从触发角α=0o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60o；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120o，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120o；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180o。
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。
为此，可采用两种方法：
一种是使脉冲宽度大于60o（一般取80o~100o），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60o，脉宽一般为20o~30o，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器饱和，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，对于晶闸管串联使用不利。
虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。
因此，常用的是双脉冲触发。
5）α＝0o时晶闸管承受的电压波形如图3所示。
图3
图中仅给出VT1的电压波形。
将此波形与三相半波中的VT1电压波形比较可见，两者是相同的，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也与三相半波时一样。
图2中还给出了晶闸管VT1流过电流iVT的波形，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120o处于通态，240o处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。
当触发角α改变时，电路的工作情况将发生变化。
当α=30o时。
从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中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的规律。
区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。
晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。
图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。
当α=60o时，电路工作情况仍可对照表1分析。
ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。
α＝60o时ud出现了为零的点。
由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。
当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下，此时ud波形每60o中有30o为零，这是因为电阻负载时id波形与ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，因此ud波形不能出现负值。
如果继续增大至120o，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120o。
3.1.2阻感负载工作情况
三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。
当α≤60o时，ud波形连续，电路的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。
区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与ud的波形形状一样。
而阻感负载时，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。
图6为电路带阻感负载α=0o的波形。
图6中除给出ud波形和id波形外，还给出了晶闸管VT1电流iVT1的波形，可与图2带电阻负载时的情况进行比较。
由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，iVT1波形由负载电流id波形决定，和ud波形不同。
当α＜60o时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。
若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。
这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90o。
3.1.3定量分析
在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。
此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负
载α≤60o时）的平均值为
电阻负载且α>60o时，整流电压平均值为
输出电流平均值为Id=Ud/R。
当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值为
晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
3.1.4各元件参数计算与选择
晶闸管的参数：
（1）电压额定：
晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压Utn=
U2考虑安全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的2~3倍。
即U额=（2~3）Utn。
根据要求，输出功率为2kw，负载电阻为20欧姆，理想变压器二次侧电压U2=200∨，所以晶闸管的额定电压U额=（2~3）
U2=（2~3）
×200∨.
（2）电流额定：
通态平均电流IVT（AV）=0.368Id，Id=Ud/R,Ud=2.34U2.考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.5～2）倍。
计算得IVT（AV）=7.36A.
（3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管CTO。
它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。
她既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断的优点。
（4）总上述，我们选用国产50AGTO。
参数如下.选用电阻20欧姆。
正向阻断电压:
1000～1500Ⅴ,受反压，阳极可关断电流：
30、50A擎柱电流0.5～2.5正向触发电流：
200～800MA，反向关断电流：
6～10A，开通时间：
<6us,m关断时间:
<10us,工作频率：
<3KHz,允许du/dt>500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降2～4V关断增益：
5.
整流变压器的参数：
很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。
我们假设变压器是理想的。
U2=Ud/2.34≈85.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3U2I2=3*85.5*0.816Id。
四．三相晶闸管全控整流电路的保护电路
4.1电路的保护措施
4.1.1主电路的过电压保护
我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的副值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。
抑制过电压的方法不外乎三种：
用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。
对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。
所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。
使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。
由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。
电路图如图4：
图4
4.1.2晶闸管的过电压保护
晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向
击穿而损坏。
如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。
因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。
对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图5
图5
4.1.3晶闸管的过电流保护
在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：
电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。
所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。
常见的过电流保护有：
快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种：
桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。
过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。
限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。
直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
总结的结果：
最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。
如图6
图6
4.2各元件参数计算与选择
晶闸管阻容吸收元件参数可按表3所提供的经验数据选取，电容耐压一般选晶闸管额定电压1.1～1.5倍。
表3
晶闸管额定电流IT（AV）/A
1000
500
200
100
50
20
10
电容C/UF
2
1
0.5
0.25
0.2
0.15
0.1
电阻R/欧姆
2
5
10
20
40
80
100
由题意得，我们选用电容为0.2UF，电容耐压为900）
V;电阻为40欧姆。
对于主电路的保护，电容C=6I0%SФ/U2/U2,电阻R≥2.3U2*U2
对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充以石英砂填料，构成封闭式熔断器。
选择快熔，要考虑一下几点：
（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压；
（2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；（3）熔体的额定电流是有效值。
根据以上特点，我们选用国产RLS系列的RLS-50快速熔断器。
五．触发电路与主电路的同步
所谓的同步，就是要求触发脉冲和加于晶闸管的电源电压之间必须保持频率一致和相位固定。
为实现这个，利用一个同步变压器，将其一侧接入为主电路供电的电网，其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终保持一致的。
再是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发电路相位正确。
六．适用范围及使用注意事项
三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。
在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1—2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。
其他可控整流电路在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。
而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。
虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比其他可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。
在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。
当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。
七.设计体会
在大学有这种机会很好，课程设计给我一个自学的好机会。
通过这次设计我学到了很多东西，不单是课本知识的加深，还有的是学到了很多以前不会的事。
通过对三相桥式全控整流电路的研究，更了解了整流电路的线路、原理，知道了许多触发电路，加深了对触发电路的功能了解，还要保护电路，认识保护电路的重要，并对其深入了研究。
其次，我还学习了电气CAD,虽不很专业，但也了解不少，对word文档也复习了一遍，更深层的理解了。
在课程设计中，我们分组合作，真正体会到团队的力量，一个团队绝不是个人的事，合作很重要。
总之，这次课程设计对我帮助很大，很满意。
八.参考文献
1.王兆安，黄俊主编．电力电子技木．第四版．北京：
机械工业出版社，2004年1月
2.郑忠杰，吴作海编.电力电子变流技术.第二版.北京：
机械工业出版社，1988年7月
3.刘志刚主编.电力电子学.第一版.北京：
清华大学出版社，2004年6月
附录一：
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