三相桥式整流电路课程设计.doc

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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书 目录1.原理及方案12.主电路的设计与器件的选择22.1三相全控桥工作原理32.2三相全控桥的工作特点32.3阻感负载时的波形分析42.4参数计算83.触发电路的设计103.1集成触发电路103.2 KJ004的工作原理113.3集成触发器电路图123.4用altium designer绘制集成触发电路134.保护电路的设计144.1晶闸管的保护电路154.2交流侧保护电路164.3直流侧阻容保护电路175.三相桥式整流电路MATLAB仿真185.1电路的构成及其工作原理185.2 建模195.3参数的设置195.4仿真结果205.5仿真结果分析24心得

2、体会25参考文献26三相桥式整流电路的设计1.原理及方案三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行过电流保护。采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。结构框图如图1-1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。框图中没有表明保护电路。

3、当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电通给直流电动机，使之工作。电源三相桥式全控整流电路直流电动机同步电路集成触发器触发信号触发模块图1-1 三相桥式全控整流电路结构图2.主电路的设计与器件的选择设计要求是设计一三相桥式整流电路，负载为直流电动机，电机技术数据如下：,， 2.1三相全控桥工作原理如图2-1所示，为三相桥式全控带电动机负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组

4、。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。晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。图2-1 三相桥式全控整流电路带电动机负载原理图2.2三相全控桥的工作特点三相桥式全控整流电路带电动机负载原理图如图2-1所示，它主要是在不同阶段通过控制共阴极与共阳极的晶闸管导通与关断来实现整流作用的，现具体介绍不同阶段各晶闸管的工作情况，如表格2-2所示表2-2三相桥式全控整流电路阻感负载（触发

5、角=0）时晶闸管工作情况 2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同一相器件。 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的脉冲也依次差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。 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。 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。2.3阻感负载时的波形分析三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反

6、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，带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。1.当60时，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 波形不同，电阻负载时 波形与 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2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0和=30的波形。图2-2三相全控桥式带阻感负载（=0）时波形

7、图图2-3三相全控桥式带阻感负载（=30）时的波形图2定量计算当时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，整流输出电压连续时的平均值为： （2-3-1）当时，带电阻负载，整流电压平均值为： （2-3-2）输出电流平均值为 （2-3-3）当整流变压器为星型接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-3所示，为正负半周各宽120，前沿相差180的矩形波，其有效值为： （2-3-4）三相桥式全控整流电路接，反电动势阻感负载时，在负载阻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相似，电路中各处电压 电流波形均相同，仅在计算时有所不同，接反电动势阻感负载的为： （2-3-5

8、）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23倍。即 （2）电流额定：通态平均电流，考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.52）倍，即（3）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。变压器的一、二次容量为3当60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。图2-4给出了=90时的波形。若电感L值足够大，中正负面积将

9、基本相等，平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。图2-4三相全控桥式带电感负载（=90）时的波形图2.4参数计算（1）电动机的等效电阻；（2）变压器二次侧相电压有效值：； （2-4-1） 触发角的确定： （2-4-2）触发角； 变压器二次侧电压的峰值：； （2-4-3） 负载电流平均值的最小值：； （2-4-4）（3）等效电感的值：； （2-4-5）（4）电动机的等效反电动势:； （2-4-6）（5）整流电路的输出值：整流输出电压的平均值：；（2-4-7）电流平均值：； （2-4-8）变压器二次侧电流有效值： ; （2-4-9）（6）晶闸管的选择： 本电

10、路中晶闸管承受的最大反向电压： ； （2-4-10） 流过晶闸管的电流有效值：； （2-4-11）考虑一定的安全裕量，则晶闸管的额定电压：； （2-4-12）晶闸管的额定电流：; （2-4-13）（7）变压器的选择：变压器的二次侧功率：； (2-4-14)一次侧的功率和二次侧功率是相等的3.触发电路的设计控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。3.1集成触发电路本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，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。KJ

11、004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、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。原理图如3-2所示：图3-2 集成触发电路3.2 KJ004的工作原理如图3-2 KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4等组成同步环节，同步电压经限流电阻R20加到V1、V2基极。在的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R2

12、1(15V)。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|0.7V时，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R2

13、4、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6导通。设uC5、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经 （+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个

14、相位差为180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经 V13V15放大后输出负相脉冲。说明：1) KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、VD6VD8为隔离二极管。2) 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6进行脉冲功率放大。3)

15、 由于 V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差 的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc分别与同步变压器的uSA、uSB、uSC相接 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位。3.3集成触发器电路图三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT

16、3，VT4，VT5，VT6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图3-3所示：图3-3集成触发电路电路图3.4用altium designer绘制集成触发电路3.4.1 KJ004各引脚的作用引脚1：输出 引脚9：综合比较引脚2：空 引脚10：空引脚3：锯齿波形成 引脚11：微分阻容引脚4：锯齿波形成 引脚12：微分阻容引脚5：-Vee（1K） 引脚13：封锁调制引脚6：空 引脚14：封锁调制引脚7：接地 引脚15：输出引脚8：同步输入 引脚16：接+Vcc4.保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件

17、，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1晶闸管的保护电路 晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器

18、进行保护。如图4-1所示：图4-1串联电感及熔断器抑制回路 晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图4-2所示：图4-2并联RC电路阻容吸收回路4.2交流侧保护电路晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图4-3所示的

19、反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 、 放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。图4-3反向阻断式过电压抑制RC电路4.3直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护

20、装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。图4-4直流侧阻容保护5.三相桥式整流电路MATLAB仿真5.1电路的构成及其工作原理三相桥式全控整流电路原理图如图2-1所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于3的宽脉冲。

21、宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差23；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差，给分析带来了方便；当=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理

22、，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。0时，Ud的波形出现缺口，随着角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当=23时，输出电压为零，所以电阻性负载时，的移相范围是O23；当O3时，电流连续，每个晶闸管导通23；当323时，电流断续，个晶闸管导通小于23。=3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。5.2 建模4-2三相桥式全控整流电路仿真模型根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图4-2所示，设置三个交流电压源V1，V2，V2相位角依次相差120，得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6个PULSE gene

23、rator产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给16号晶闸管触发脉冲5.3参数的设置三相电源的相位互差120，交流峰值电压为159.55V，频率为50 Hz。晶闸管的参数为：Rn=O001 ，Lon=0000 1 H，Vf=0 V，Rs=50 ，Cs=25010-9。负载电阻性设R=0.18 ，电感性负载设L=7.31mH。脉冲发生器脉冲宽度设置为脉宽的20 ，脉冲高度为5 V，脉冲周期为0.02 s，脉冲移相角随着控制角的变化对“相位角延迟”进行设置。（1）三相电源的设置情况三相电源的相位互差120，V1为0，V2为-120，V3为120，频率为50HZ，电压峰值为159.55V。（2）脉冲

24、的仿真情况根据触发角为61.24，所以晶闸管VT1，VT3，VT5，VT4，VT6，VT2的延迟时间分别为0.0034s，0.01s，0.0167s，0.0134s，0.02s，0.0267s5.4仿真结果 （1）触发角61.24时的三相电源，脉冲，电压，电流，晶闸管VT1电压的仿真 图5-4-1 触发角为61.24时的仿真图（2）触发角为30时，三相电源，脉冲，电压，电流，晶闸管VT1电压的仿真根据触发角为30，所以晶闸管VT1，VT3，VT5，VT4，VT6，VT2的延迟时间分别为0.00166s，0.00833s，0.015s，0.01166s，0.01833s，0.025s图5-4-2

25、 触发角为30时的仿真图（3）触发角为60时，三相电压，脉冲，电压，电流，晶闸管VT1电压的仿真根据触发角为60，所以晶闸管VT1，VT3，VT5，VT4，VT6，VT2的延迟时间分别为0.0033s，0.01s，0.0166s，0.0133s，0.02s，0.0266s图5-4-3 触发角为60时的仿真图(4) 触发角为90时，三相电压，脉冲，电压，电流，晶闸管的仿真根据触发角为90，所以晶闸管VT1，VT3，VT5，VT4，VT6，VT2的延迟时间分别为0.005s，0.0117s，0.0183s，0.015s，0.0217s，0.0283s由于设计中要求，所用到的电感不是无穷大，所以得到

26、的波形与课本上有很大的差别。图5-4-4触发角为90时的仿真图 5.5仿真结果分析由前面的理论分析知道，当60时，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 波形不同，电阻负载时 波形与 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。当60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，波形会出现负的部分。图2-4给出了=

27、90时的波形。若电感L值足够大，中正负面积将基本相等，平均值近似为零。由仿真结果可知，当60时，电压波形连续，与理论值相差不大，但由于电感与无穷大相差甚远，所以电流并不是一条直线，而是符合电机启动电流由零逐渐增大趋于稳定；但当60，比如=90时，本来阻感负载电压波形连续，但由于电感与无穷大相差甚远，所以电压波形出现断续，电流也断续。心得体会首先，我学到了不少东西。是我开阔了眼界，本次课程设计完美结束。同时我也意识到到自己的不足，觉得应该好好学习，努力增加自己的知识含量。在设计中，我感到自己平时下功夫太少，以至于书到用时方恨少。同时，我觉得，一次课程设计是我如此疲惫，所以应该珍惜学习的机会。我知

28、道电力电子技术是一门基础性和支持很强的技术，但我真正体会到这一点却是在这次课设的过程中。通过本次课程设计 ，我对电力电子技术这门课有了很深的了解，对各个知识点有个更好的掌握。本次设计，我所设计的是三相桥式全控整流电路，开始设计时我遇到了很多的问题，使我有种很深的无助感。好在后来经过仔细查阅资料，各类图书，以及老师和同学的帮助，我顺利完成了课设中的任务。通过这次电力电子课程设计，让我明白了课堂学习与实际动手操作的巨大差距，课堂学习为动手操作提供了不可或缺的理论指导，实际动手操作可以让自己更好地理解自己所学过的理论知识，本次课程设计中，很多地方用到了课堂上没有详细讲解的内容，比如触发电路，所以在课

29、设的过程中，就需要自己花费大量的时间与精力去查找相关的资料，弄清楚触发电路的原理，虽然过程比较辛苦，但觉得自己过得还是很充实，毕竟搞清楚了自己曾经不清楚的地方，收获还是很大。在此我要感谢我的指导老师对我的悉心指导，感谢老师在百忙之中给我的帮助。在课程设计的过程中我培养了自己独立工作的能力，给自己的未来树立了信心，我相信它会对我今后的工作、学习、生活产生重要影响，我相信这次的课程设计会让我终身收益！参考文献1王兆安、黄俊,电力电子技术.北京：机械工业出版社，20082王维平,现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 3叶斌,电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19994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5马建国,电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004 6王锁萍,电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社2002本科生课程设计成绩评定表姓 名陆浩性 别男专业、班级自动化0902班课程设计题目：三相桥式整流电路的设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计态度认真、遵守纪律（10分）绘图或仿真（25分）方案论证（10分）报告规范，参考文献充分（10分）电路设计、参数计算正确（20分）答辩（25分） 总分：_最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日28