【正文】 ........................................................................... 42 附錄 ............................................................................................................................. 43 1 第一章 緒論 研究背景和意義 基于 TC787 芯片 設(shè)計(jì) 三相 橋式全控 整流觸發(fā) 電路 和基于 89C51 單片 機(jī) 設(shè)計(jì) 控制及顯示電路，將觸發(fā)角和 整流輸出電壓 在 LCD 上顯示 。 晶閘管 發(fā)展 的 現(xiàn)狀 在晶閘管出現(xiàn)前 ，用于電力變換的電子技術(shù) 已被應(yīng)用 ： 1904 年出現(xiàn) 的 電子管(Valve)，能在真空中控制電子流 ，并 且 應(yīng)用于通信和無(wú)線(xiàn)電 領(lǐng)域 ，從而開(kāi) 始 了電子技術(shù) 的 先河。 以后 出現(xiàn) 的 水銀整流器（ Mercuryvapour thyratrons），其性能和晶閘管 挺 相似 的 。在 30 年代 至 50 年代，是 Mercuryvapour thyratrons 發(fā)展并 迅速 大量應(yīng)用的時(shí)期。它廣泛 應(yīng) 用于電化學(xué) 行 業(yè)、電氣鐵道直流變電 行業(yè)及軋鋼用直流電 動(dòng)機(jī) 傳動(dòng) 領(lǐng)域 ，甚至用于直流輸電。各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論己經(jīng)發(fā)展 完善 并 且 廣范 應(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn) 之 后的 很長(zhǎng) 一段時(shí)期內(nèi)，所 有使用 電路 的 形式仍然是 以 這些形式 為主 。除水銀整流器 能將交流電變成直流電 外，還有 發(fā)現(xiàn) 更早的 像電動(dòng)機(jī) 直流發(fā)電機(jī)組，即 是變流機(jī)組。對(duì)應(yīng)的是旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 ，靜止變流器的稱(chēng)呼從 Mercuryvapour thyratrons 開(kāi)始并沿用至今。 1947 年 在 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明 了 晶體管（ Transistor），引發(fā)了 整個(gè) 電子技術(shù) 領(lǐng)域 的一場(chǎng)革命；晶閘管（ 1957 年） SCR（ Silicon Controlled Rectifier） 能夠 通過(guò)門(mén)極控制 其 觸發(fā) 開(kāi)通，但 三再 通過(guò)門(mén)極不能控制 其 關(guān)斷，屬于半控型器件 。 現(xiàn)在 承受的電壓、電流容量最高的 器件仍然是晶閘管 ， 并 且工作 很 可靠，所以 大量使用許多大容量場(chǎng)合 。 電力電子技術(shù)的前景 高頻率、 大容量、 低損耗、 小體積（ 芯片利用率 高 ）、 易驅(qū)動(dòng)、 模塊化 是現(xiàn)在 電力電子器件發(fā)展的目標(biāo) 。 減小電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗 是基于新的控制技術(shù)的使用，例 如軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；通過(guò)諧振電路 后能使 器件在零電壓（ ZVS）或零電流（ ZCS）的狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi) 或者 關(guān)。 高效、節(jié)能、小型化和智能化 是 目前 電力電子應(yīng)用系統(tǒng) 的 方向發(fā)展。 2 晶閘管的應(yīng)用 交通運(yùn)輸：整流裝置 被采用在 電氣機(jī)車(chē)中的直流機(jī)車(chē)中，變頻裝置 被采用在交流機(jī)車(chē)上 。鐵道車(chē)輛 也廣泛應(yīng)用 直流斬波器。 現(xiàn)在高速發(fā)展的磁懸浮列車(chē)， 電力電子技術(shù) 的應(yīng)用 更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。車(chē)輛中的蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置 ，其 各種輔助 的 電源也都離不 了 電力電子技術(shù) 。 電力電子裝置 控制 電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制。控制電機(jī) 被多次應(yīng)用在 一臺(tái)高級(jí)汽車(chē)中，它們也 需 靠 著 斬波器 和變頻器 驅(qū)動(dòng)并 且 控制 。 不同 型號(hào) 的電源 也被應(yīng)用在 飛機(jī)、船舶 上 ， 所以 航海 和航空全部 離不開(kāi)電力電子技 術(shù) 。 如果交通運(yùn)輸 工具包括電梯 ，電力電子技術(shù) 也要被應(yīng)用 。以前直流調(diào)速系統(tǒng) 被大量應(yīng)用于 電梯， 最近幾年 交流變頻調(diào)速 被廣泛應(yīng)用 。 一般工業(yè)：直流電動(dòng)機(jī) 的 調(diào)速性能 很好 ，給其供電的 電力電子裝置都是 可控整流電源或者是 直流斬波電源 。 近年來(lái) 迅速發(fā)展的電力電子變頻技術(shù) ，使 得 交流電機(jī)的調(diào)速性能可 以 與直流電機(jī) 相當(dāng) ， 使得 交流調(diào)速技術(shù) 被 大量應(yīng)用并 且 占據(jù) 著 主導(dǎo) 的 地位。像 電解鋁、電解食鹽水等 電化學(xué)工業(yè) 在 大量使用 著直流電源 。 大容量整流電源 被急需用在 冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、 直流電弧爐電源 及淬火電源等場(chǎng)合 。電鍍 等一些 裝置也需要整流電 源。 電力系統(tǒng)： 電子電力系統(tǒng)中 廣泛的應(yīng)用 了大量 電力電子 的 技術(shù) 。 末了客戶(hù) 在使用電能 的時(shí)候，經(jīng)常性的 進(jìn)行預(yù)處理。如 無(wú)功補(bǔ)償 、 濾波、 降壓 等 等 。 據(jù) 統(tǒng) 計(jì)， 在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中 用戶(hù) 末了小號(hào)的電能里 有 70%經(jīng)過(guò) 了 一次電力電子變流裝置的 一般 處理?，F(xiàn)代化 的 電力 電子 系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)之一 就是 電力電子技術(shù) 。 可以這樣 地說(shuō)，離開(kāi)電力電子技術(shù)， 現(xiàn)代化 的電力系統(tǒng) 是不可想象的 。 大容量 、長(zhǎng)距離 輸電時(shí) 直流輸電 有很大的優(yōu)勢(shì)，其 逆變閥 的 受電端 和 整流閥 的 送電端 全 都采用晶閘管 的 變流裝置 。現(xiàn)在發(fā)展起來(lái) 柔性 的 交流輸電 能夠 大幅度 的 提高電網(wǎng)輸 穩(wěn)定性 和 電能力 。 手段： 連續(xù) 、 精確、快速 地控制大容量 無(wú)功 和有功 等 性能的 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng) 的 功率流向、 潮流變化、 阻尼振蕩 、輸送能力 的性能加以 提高 和改進(jìn)。像 有源 的 濾波器（ APF Active Power Filter）一可進(jìn)行 應(yīng)用 端的 諧波抑制 和無(wú)功補(bǔ)償 。 各種開(kāi)關(guān) 的 電源 和 不間斷 著的 電源（ UPS）， 應(yīng)用 這一類(lèi)的最為普遍 。像各類(lèi)電力 電子裝置 大致 都 用 不同 的電壓等級(jí) 直流 的 電源 提 供電。 現(xiàn)在高頻開(kāi)關(guān)電源己 被 采用了 全控型器件 ，以前 晶閘管整流電源 被用在 通信設(shè)備中的程控交換機(jī)。 現(xiàn)在 小型 計(jì)算機(jī) 的內(nèi)部 電源 、 大型 的 計(jì)算機(jī) 應(yīng)用的工作電源 也 全部 采用 了 高頻開(kāi)關(guān)電源。在 一些 電子裝置中，以前線(xiàn)性穩(wěn)壓電源 被 大量采用 供電， 因?yàn)?高頻 的 開(kāi)關(guān)電源 重量輕、 體積小、效率高，現(xiàn)在 線(xiàn)性電源 己 被慢慢 取代了。 家用電器：家用 的 電器中 起著重要 地位 的有照明 。 因?yàn)?電子照明 的 電源 發(fā)光效率 3 高、 體積小、可 以節(jié)約 大量能源， 經(jīng) 常被 叫做 “節(jié)能燈”，傳統(tǒng)的 日光燈 和白熾燈 正被逐漸取締。 家用電器 里被大量 應(yīng)用電子技術(shù) ，像 變頻空調(diào)器 。 家用計(jì)算機(jī) 、 音響設(shè)備、 電視機(jī)、 等電子設(shè)備 電源 模塊也大量 需要電力電子技術(shù)。此外，有些 微波爐 、 電冰箱、 洗衣機(jī) 等電器也 都大量 應(yīng)用了電力電子技術(shù)。 利用 和開(kāi)發(fā) 新能源 ：傳統(tǒng) 發(fā)電 的 方式 有 水力發(fā)電 、火力發(fā)電 以及后來(lái)興起的核能發(fā)電。能源危機(jī) 以 后，各種 可再生能源 、新能源以 及新型 的 發(fā)電方式 逐漸 受到重視。其中 風(fēng)力發(fā)電 、太陽(yáng)能發(fā)電 的發(fā)展 比 較快，備受關(guān)注 的還有燃料電池 。 風(fēng)力發(fā)電 和太陽(yáng)能發(fā)電因 環(huán)境 有限制 ， 產(chǎn)生 的電力質(zhì)量 比 較差， 改善電能 的 質(zhì)量 必須經(jīng) 常 用 儲(chǔ)能 的裝置緩沖，這 樣 就需要 用到 電力電子技術(shù)。 要是 和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 的時(shí)候 ，也離不 了 電力電子技術(shù) 。 為了水力發(fā)電資源 能被 合理地利用 ， 最近 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站 備受重視。像里面的 大型 的電動(dòng)機(jī) 調(diào)速 和起動(dòng) 都需要電力電子技術(shù)。未來(lái) 里 一種儲(chǔ)能方式 超導(dǎo)儲(chǔ)能 ，它 將用 強(qiáng)大的直流電源 提供電， 電力電子技術(shù) 也離不了 。 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生 注入能量 和強(qiáng)大磁場(chǎng) 時(shí)， 需要 一些大容量 脈 沖 的 電源， 電力電子裝置 就是這種電源 。 某些特殊場(chǎng)合 和科學(xué)實(shí)驗(yàn) ，特種電源 被大量應(yīng)用 。 4 第 二 章 主電路設(shè)計(jì)及原理 主電路設(shè)計(jì) 其原理圖如圖 21 所示 。 圖 21 三相橋式全控整 流 電路原理圖 將其中的 3 個(gè)晶閘管（ VT VT VT5） 的 陰極連接在一起 稱(chēng)為共陰極組；的3 個(gè)晶閘管（ VT VT VT2） 的 陽(yáng)極連接在一起 稱(chēng)為共陽(yáng)極組。此外，晶閘管 習(xí)慣上 要按照 從 1 至 6 的順序?qū)ǎ?因此 按圖 21 所 示的順序 將晶閘管 編號(hào)， 就是 與 a、b、 c 三相電源 相接的 共陰極組 的 3 個(gè)晶閘管分別為 VT VT VT5，與 a、 b、 c 三相電源相接的 共陽(yáng)極組 的 3 個(gè)晶閘管分別為 VT VT VT2。 在以后 的分析 就能了解 ，按 圖 21 編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)? VT1－ VT2－ VT3－ VT4－ VT5－ VT6。 每個(gè)工作周期中 對(duì)于每相二次電源來(lái)說(shuō)，即有 負(fù) 電流，也有 正 電流，所以 沒(méi)有 直流磁化的 問(wèn)題，提高了繞組 的 利用率。 178。 1 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載 ａ =0176。時(shí)的情況 5 圖 22 三相橋式全控整流電路（帶電阻負(fù)載 ａ =0176。時(shí)的波形） 1）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況 表 21三相橋式全 控整流電路電阻負(fù)載 ａ =0176。 時(shí)晶閘管工作情況 （ 1）ａ =0176。時(shí)的情況 178。對(duì)于共 陽(yáng) 極組的 3 個(gè)晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的 一個(gè) 導(dǎo)通。 178。對(duì)于 共陰極阻 的 3 個(gè)晶閘管 ，陽(yáng)極所接交流電壓值 最大的一個(gè)導(dǎo)通。 178。從線(xiàn)電壓波形看，線(xiàn)電壓中最大的一個(gè) 為 Ud，因此 Ud 的 波形為線(xiàn)電壓的包絡(luò)線(xiàn)。 時(shí)段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 整流輸出電壓 Ud Ua– Ub =Uab Ua– Uc =Uac Ub– Uc =Ubc Ub– Ua =Uba Uc– Ub =Uca Uc– Ub =Ucb 6 178。任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有 1 個(gè) 晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。其余的均處于斷 開(kāi) 狀態(tài)。 178。觸發(fā)角ａ的起點(diǎn)， 還 是 要 從自然換相點(diǎn) 來(lái) 開(kāi)始計(jì)算，注意正負(fù)方向 都 有自然換相點(diǎn)。 （ 2）三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)： . 兩個(gè)同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)導(dǎo)通，且不能為同相的兩個(gè)否則沒(méi)有輸出。 . 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求： . 按 VT1— VT2— VT3— VT4— VT5— VT6 的順序，相位依次差 60176。 . 共陰極組 VT VT VT5 的脈沖依次差 120176。，共陽(yáng)極組 VT VT VT2也依次差 120176。 . 同一相的上下兩個(gè)橋臂，即 VT1 與 VT4， VT3 與 VT6， VT5 與 VT2，脈沖相差 180176。 . Ud 一周期脈動(dòng) 6 次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，所以三相全橋電路稱(chēng)為 6 脈波整流電路。 . 需保證同時(shí)導(dǎo)通的 2 個(gè)晶閘管均有脈沖（采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)（大于 60176。）。 . 另一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）：在 Ud 的 6 個(gè)時(shí)間段，均給應(yīng)該導(dǎo)通的 SCR 提供觸發(fā)脈沖，而不管其原來(lái)是否導(dǎo)通。所以每隔 60176。就需要提供兩個(gè)觸發(fā)脈沖。 . 實(shí) 際提供脈沖的順序?yàn)椋?VT1， VT2— VT2， VT3— VT3， VT4— VT4， VT5—VT5， VT6— VT6， VT1— VT1， VT2，不斷重復(fù)。 . 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同為： UFM =URM= U2 178。 2 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載 ａ =30176。 時(shí)的情況 7 圖 23 三相橋式全控整流電路（帶電阻負(fù)載 ａ =30176。 時(shí)的波形） 晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了 30176。，組成的每一段線(xiàn)電壓因此推遲 30176。 。 ●從 Ut1 開(kāi)始把一周期等分為 6 段， Ud 波形仍由 6 段 線(xiàn)電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合表 21 的規(guī)律。 ●變壓器二次側(cè)電流 iu 波形的特點(diǎn)：在 VT1 處于通態(tài)的 120176。期間， iu 為正，iu波形的形狀與同時(shí)段的 Ud 波形相同，在 VT4 處于通態(tài)的 120176。期間， iu波形的形狀也與同時(shí)段的 Ud 波形相同，但為負(fù)值。 178。 3 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載 ａ =60176。時(shí)工作情況 Ud 波形中每段線(xiàn)電壓的波形繼續(xù)后移，平均值繼續(xù)降低。 ａ =60176。時(shí) Ud 出現(xiàn)為零的點(diǎn)。（因?yàn)樵谠擖c(diǎn)處，線(xiàn)電壓為零） 178。 4 三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載 ａ﹥ 60176。時(shí)工作情況 當(dāng) ａ﹥ 60176。時(shí)，如 ａ =90176。時(shí)電阻負(fù)載情況下的工作波形如圖 24 所示 ： 8 圖 24三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載 ａ =90176。 時(shí)的波形 小結(jié) ： ● 當(dāng) ａ≦ 60176。時(shí)， Ud 波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載， id 波形與 Ud 波形一樣，也連續(xù)； ● 當(dāng) ａ﹥ 60176。時(shí)， Ud 波形每 60176。中有一段為零， Ud 波形不能出現(xiàn)負(fù)值； ● 帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路 ａ 角的移相范圍是 120176。 。 三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載 178。 1 三相橋式全控整流電路電感性負(fù)載時(shí)的工作情況： 當(dāng) ａ≦ 60176。時(shí)： Ud 波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷 情況、輸出整流電壓 Ud 波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣；區(qū)別在于：由