毕业设计论文：三相桥式全控整流电路设计Word文档格式.doc

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2.2三相桥式全控整流电路电感性负载 8

2.3小结 11

第三章基于芯片TC787的三相六脉冲晶闸管触发电路设计 13

3.1TC787芯片介绍 13

3.2基本参数和特点 13

3.3引脚排列、功能和用法 14

3.4内部结构及工作原理简介 15

3.5基于TC787的三相六脉冲晶闸管触发电路的设计与调试 16

第四章控制及显示系统原理 20

4.189C51芯片介绍 20

4.1.2管脚说明 20

4.1.3振荡器特性 22

4.1.4芯片擦除 22

4.2A/D转换 23

4.3LCD1602显示 25

4.4控制及显示系统设计 27

4.4.1系统结构框图 28

4.4.2单片机I/O口分配表 28

4.4.3系统工作说明 28

第五章单片机软硬件抗干扰技术 30

5.1产生软硬件干扰分析 30

5.2单片机系统软件的抗干扰 31

5.3单片机系统中硬件抗干扰设计 35

第六章系统软件设计 38

6.1主程序设计 38

6.2A/D转换程序 39

第七章结论 40

致谢 41

参考文献 42

附录 43

第一章绪论

1.1研究背景和意义

基于TC787芯片设计三相桥式全控整流触发电路和基于89C51单片机设计控制及显示电路，将触发角和整流输出电压在LCD上显示。

1.2晶闸管发展的现状

在晶闸管出现前，用于电力变换的电子技术已被应用：

1904年出现的电子管（Valve），能在真空中控制电子流，并且应用于通信和无线电领域，从而开始了电子技术的先河。

以后出现的水银整流器（Mercury-vapourthyratrons），其性能和晶闸管挺相似的。

在30年代至50年代，是Mercury-vapourthyratrons发展并迅速大量应用的时期。

它广泛应用于电化学行业、电气铁道直流变电行业及轧钢用直流电动机传动领域，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己经发展完善并且广范应用。

在晶闸管出现之后的很长一段时期内，所有使用电路的形式仍然是以这些形式为主。

除水银整流器能将交流电变成直流电外，还有发现更早的像电动机-直流发电机组，即是变流机组。

对应的是旋转变流机组，静止变流器的称呼从Mercury-vapourthyratrons开始并沿用至今。

1947年在美国贝尔实验室发明了晶体管（Transistor），引发了整个电子技术领域的一场革命；

晶闸管（1957年）SCR（SiliconControlledRectifier）能够通过门极控制其触发开通，但三再通过门极不能控制其关断，属于半控型器件。

现在承受的电压、电流容量最高的器件仍然是晶闸管，并且工作很可靠，所以大量使用许多大容量场合。

1.3电力电子技术的前景

高频率、大容量、低损耗、小体积（芯片利用率高）、易驱动、模块化是现在电力电子器件发展的目标。

减小电力电子器件的开关损耗是基于新的控制技术的使用，例如软开关技术；

通过谐振电路后能使器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）的状态下进行开或者关。

高效、节能、小型化和智能化是目前电力电子应用系统的方向发展。

1.4晶闸管的应用

交通运输：

整流装置被采用在电气机车中的直流机车中，变频装置被采用在交流机车上。

铁道车辆也广泛应用直流斩波器。

现在高速发展的磁悬浮列车，电力电子技术的应用更是一项关键技术。

车辆中的蓄电池的充电也离不开电力电子装置，其各种辅助的电源也都离不了电力电子技术。

电力电子装置控制电动汽车的电机进行电力变换和驱动控制。

控制电机被多次应用在一台高级汽车中，它们也需靠着斩波器和变频器驱动并且控制。

不同型号的电源也被应用在飞机、船舶上，所以航海和航空全部离不开电力电子技术。

如果交通运输工具包括电梯，电力电子技术也要被应用。

以前直流调速系统被大量应用于电梯，最近几年交流变频调速被广泛应用。

一般工业：

直流电动机的调速性能很好，给其供电的电力电子装置都是可控整流电源或者是直流斩波电源。

近年来迅速发展的电力电子变频技术，使得交流电机的调速性能可以与直流电机相当，使得交流调速技术被大量应用并且占据着主导的地位。

像电解铝、电解食盐水等电化学工业在大量使用着直流电源。

大容量整流电源被急需用在冶金工业中的高频或中频感应加热电源、直流电弧炉电源及淬火电源等场合。

电镀等一些装置也需要整流电源。

电力系统：

电子电力系统中广泛的应用了大量电力电子的技术。

末了客户在使用电能的时候，经常性的进行预处理。

如无功补偿、滤波、降压等等。

据统计，在一些发达国家中用户末了小号的电能里有70%经过了一次电力电子变流装置的一般处理。

现代化的电力电子系统中，关键技术之一就是电力电子技术。

可以这样地说，离开电力电子技术，现代化的电力系统是不可想象的。

大容量、长距离输电时直流输电有很大的优势，其逆变阀的受电端和整流阀的送电端全都采用晶闸管的变流装置。

现在发展起来柔性的交流输电能够大幅度的提高电网输稳定性和电能力。

手段：

连续、精确、快速地控制大容量无功和有功等性能的实现对系统的功率流向、潮流变化、阻尼振荡、输送能力的性能加以提高和改进。

像有源的滤波器（APFActivePowerFilter）一可进行应用端的谐波抑制和无功补偿。

各种开关的电源和不间断着的电源（UPS），应用这一类的最为普遍。

像各类电力电子装置大致都用不同的电压等级直流的电源提供电。

现在高频开关电源己被采用了全控型器件，以前晶闸管整流电源被用在通信设备中的程控交换机。

现在小型计算机的内部电源、大型的计算机应用的工作电源也全部采用了高频开关电源。

在一些电子装置中，以前线性稳压电源被大量采用供电，因为高频的开关电源重量轻、体积小、效率高，现在线性电源己被慢慢取代了。

家用电器：

家用的电器中起着重要地位的有照明。

因为电子照明的电源发光效率高、体积小、可以节约大量能源，经常被叫做“节能灯”，传统的日光灯和白炽灯正被逐渐取缔。

家用电器里被大量应用电子技术，像变频空调器。

家用计算机、音响设备、电视机、等电子设备电源模块也大量需要电力电子技术。

此外，有些微波炉、电冰箱、洗衣机等电器也都大量应用了电力电子技术。

利用和开发新能源：

传统发电的方式有水力发电、火力发电以及后来兴起的核能发电。

能源危机以后，各种可再生能源、新能源以及新型的发电方式逐渐受到重视。

其中风力发电、太阳能发电的发展比较快，备受关注的还有燃料电池。

风力发电和太阳能发电因环境有限制，产生的电力质量比较差，改善电能的质量必须经常用储能的装置缓冲，这样就需要用到电力电子技术。

要是和电力系统联网的时候，也离不了电力电子技术。

为了水力发电资源能被合理地利用，最近抽水储能发电站备受重视。

像里面的大型的电动机调速和起动都需要电力电子技术。

未来里一种储能方式超导储能，它将用强大的直流电源提供电，电力电子技术也离不了。

核聚变反应堆在产生注入能量和强大磁场时，需要一些大容量脉冲的电源，电力电子装置就是这种电源。

某些特殊场合和科学实验，特种电源被大量应用。

第二章主电路设计及原理

2.1主电路设计

其原理图如图2-1所示。

图2-1三相桥式全控整流电路原理图

将其中的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）的阴极连接在一起称为共阴极组；

的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）的阳极连接在一起称为共阳极组。

此外，晶闸管习惯上要按照从1至6的顺序导通，因此按图2-1所示的顺序将晶闸管编号，就是与a、b、c三相电源相接的共阴极组的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，与a、b、c三相电源相接的共阳极组的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。

在以后的分析就能了解，按图2-1编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

每个工作周期中对于每相二次电源来说，即有负电流，也有正电流，所以没有直流磁化的问题，提高了绕组的利用率。

·

1三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=0°

时的情况

图2-2三相桥式全控整流电路（带电阻负载ａ=0°

时的波形）

1）带电阻负载时的工作情况

表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载ａ=0°

时晶闸管工作情况

时段

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

共阴极组中导通的晶闸管

VT1

VT3

VT5

共阳极组中导通的晶闸管

VT6

VT2

VT4

整流输出电压Ud

Ua–Ub

=Uab

Ua–Uc

=Uac

Ub–Uc

=Ubc

Ub–Ua

=Uba

Uc–Ub

=Uca

=Ucb

（1）ａ=0°

对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。

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。

从线电压波形看，线电压中最大的一个为Ud，因此Ud的波形为线电压的包络线。

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。

其余的均处于断开状态。

触发角ａ的起点，还是要从自然换相点来开始计算，注意正负方向都有自然换相点。

（2）三相桥式全控整流电路的特点：

.两个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导通，且不能为同相的两个否则没有输出。

.对触发脉冲的要求：

.按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60°

。

.共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°

，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°

.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°

.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。

.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°

）。

.另一种是双脉冲触发（常用）：

在Ud的6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°

就需要提供两个触发脉冲。

.实际提供脉冲的顺序为：

VT1，VT2—VT2，VT3—VT3，VT4—VT4，VT5—VT5，VT6—VT6，VT1—VT1，VT2，不断重复。

.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

2三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=30°

图2-3三相桥式全控整流电路（带电阻负载ａ=30°

晶闸管起始导通时刻推迟了30°

，组成的每一段线电压因此推迟30°

●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2-1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°

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°

期间，iu波形的形状也与同时段的Ud波形相同，但为负值。

3三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=60°

时工作情况

Ud波形中每段线电压的波形继续后移，平均值继续降低。

ａ=60°

时Ud出现为零的点。

（因为在该点处，线电压为零）

4三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ﹥60°

当ａ﹥60°

时，如ａ=90°

时电阻负载情况下的工作波形如图2-4所示：

图2-4三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=90°

时的波形

小结：

●当ａ≦60°

时，Ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与Ud波形一样，也连续；

●当ａ﹥60°

时，Ud波形每60°

中有一段为零，Ud波形不能出现负值；

●带电阻负载时三相桥式全控整流电路ａ角的移相范围是120°

2.2三相桥式全控整流电路电感性负载

1三相桥式全控整流电路电感性负载时的工作情况：

当ａ≦60°

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。

图2-5三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=0°

图2-6三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=30°

图2-7三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=60°

图2-8三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=90°

（1）当ａ﹥60°

电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，Ud时波形不会出现负的部分，而电感性负载时，由于电感L的作用，Ud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角ａ移相范围为90°

因为在ａ=90°

时，Ud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（即带电感性负载或带电阻负载ａ≦60°

时）的平均值为：

Ud=U2Sinωtd（ωt）=2.34U2cosα

●带电阻负载且ａ﹥60°

时，整流电压平均值为：

Ud=U2Sinωtd（ωt）=2.34U2[1＋cos（＋α）]

●输出电流平均值为：

Id=

2三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°

前沿相差180°

的矩形波，其有效值为：

I2==Id=0.816Id

晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。

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，接反电动势电感性负载时的Id为：

（式中和分别为负载中的电阻值和反电动势的值）

2.3小结

变压器二次侧每相有两个匝数相同、极性相反（同名端相反）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6，1、1，2、2，3、3，4、4，5、5，6、6，1………。

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相电压瞬时值的平均值。

第三章基于芯片TC787的三相六脉冲晶闸管触发电路设计

3.1TC787芯片介绍

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。

3.2基本参数和特点

电路单双源均可工作，单电源8V-18V，双电源±

4V～±

9V。

三相触发脉冲调相角可在0-180°

之间连续同步改变。

识别零点可靠，可方便地用作过零开关。

器件内部设计有交相锁定电路，抗干扰能力强。

可用于三相全控触发（6脚接VDD），也可用于三相半控触发（6脚接地）。

电路具有输出保护禁止端，可在过流过压时保护系统安全。

TC787输出为调制脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载。

A型器件典型应用于同步信号为50Hz，B型器件典型应用于同步信号为400Hz。

调制脉冲或方波的宽度可根据需要通过改变电容Cx而选择。

（1）TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑电路结构的系统中作为功率晶闸管的移相触发电路。

它可同时产生六路相序互差60°

的输出脉冲。

（2）TC787在单双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛。

输出三相触发脉冲的触发控制角可在0～180°

范围内之间连续同步改变。

对零点的识别可靠，使它也可作为过零开关使用。

器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点（交相）的锁定电路，抗干扰能力强。

电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。

（3）TC787具有A型及B型器件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择（工频时选A型器件，中频100～400Hz时选B型器件）。

TC787输出为脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载.

（4）TC787可方便地通过改变引脚6的电平高低来设置其输出为双脉冲还是单脉冲。

3.3引脚排列、功能和用法

TC787是一标准双列直插式18引脚的集成电路。

它的引脚排列见图3-1，引脚的名称、功能及用法如下。

图3-1TC787的引脚排列

（1）同步电压输入端：

引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）分别为三相同步输入电压连接端，应用中分别经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰峰值应不超过TC787或TC788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被设置为全控双窄脉冲工作方式时（双窄脉冲相隔60°

），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