三相桥式全控整流

1绪论

1.1课题背景

高频率、大容量、低损耗、小体积、易驱动、模块化是现在电力电子器件发展的目标。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。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它是一种将交流电变为直流电的电路，在工业技术上应用十分广泛。主要用在直流电动机调速，发电机励磁调节，电镀，电解等各种工业生产领域。

1.2课题研究的目的和意义

（1）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

（2）通过对不可逆直流电力拖动系统中三相桥式全控整流电路的设计，掌握三相桥式全控整流电路的工作原理，综合运用所学知识，三相桥式全控整流电路和系统设计的能力

（3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。

1.3国内外概况

目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到95%。

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。

而电能的传输中，直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。

1.4课题的主要研究工作

此次课程设计研究的是三相桥式全控整流电路，与三相半波整流电路相比，三相桥式整流电路的电源利用率更高，应用更为广泛。

2 系统设计方案的研究

2.1三相桥式全控整流电路的原理

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，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。

晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：

1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。

2)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。

3)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。

（3）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）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）

（5）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。

三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。 6 个晶闸管导通的顺序是按 VT6 –VT1 → VT1 – VT2 → VT2 – VT3 → VT3 – VT4 → VT4 – VT5 → VT5 –VT6 依此循环，每隔 60 °有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为 60 °。三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。

三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的 a ＞ 90 °，使 U d 为负值。

2.2设计内容和要求

本次设计条件：电源电压：三相交流U：220V/50Hz；输出功率：11000W；

α，纯电阻负载；α=0°,15°,45°,90°,150°电触发角?

,

45

,

0o

,

15

?

?

?

=120

,

90

阻电感负载

设计内容：1.晶闸管电流、电压额定参数选择

2.主电路的设计

3.触发电路的设计

2.3三相桥式全控整流电路定量分析

(1)当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤时）的平均值为：

公式（2.1）(2)带电阻负载且a 时，整流电压平均值为：

公式（2.2）输出电流平均值为：Id=Ud /R

(3)晶闸管额定电流、额定电压的选择

①晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即

公式（2.3）②晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的

峰值，即

公式（2.4）③输出电压Ud为0~200V，负载电阻，输出负载电流为：

公式（2.5）④晶闸管上流过电流为：

公式（2.6）选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时

晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.5~2倍。

3总体设计

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，设计集成触发器实现产生同步信号的触发电路。分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。

3.1主电路

主电路为带电阻负载的三相桥式电路

图3-1

主电路为带电阻电感负载的三相桥式电路,

图3-2

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(VT4,VT6,VT2)的串联组合。

表3-1 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0时晶闸管工作情况

以此类推，当α=15°,45°,90°,120°时可得出三相桥式全控整流电路电阻负载时晶闸管工作情况；同理可推出α=0°，15°,45°,90°,150°时出三相桥式全控整流电路电阻电感负载时晶闸管工作的情况。

3.2触发电路

触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。

本题中使用了synchronized 6-pluse generator作为题中的六个晶闸管的触发脉冲输入电路，初始触发脉冲设为30度角。芯片会自动给各个晶闸管提供所需要的触发脉冲，使晶闸管在需要导通的时候导通，以确保电路的正常运行。

图3-3

3.3保护电路

3.3.1晶闸管的保护电路

⑴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进行保护

图3-4

⑵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

图3-5

3.2.2 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，可采用如图所示的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3-6

3.3.3 直流侧阻容保护电路

直流侧也可能发生过电压，在图中，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3-7

4详细的设计和仿真

根据实验原理集电路图设计三相桥式全控整流电路仿真模型并根据实验步骤得出仿真结果

4.1建立模型

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所示,设置三个交流电压源Va,Vb,Vc 相位角依次相差120度,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pulsegenerator 产生整流桥的触发脉冲,且从上到下分别给1~6号晶闸管触发脉冲。

Continuous

id

v +-

Vd

Vc

Vb Va g

A B

C

+

-Universal Bridge

Ud1

Ud

v +-Uca v +-

Ubc

v +-Uab

alpha_deg AB BC CA Block

pulses

Synchronized 6-Pulse Generator

Mean

Mean Value

1

2

++

L3

1

2

++L2

1

2

++L1

i

+

-

Id

0Constant1

15Constant

+

R

图4-1 三相桥式全控整流电路仿真模型

4.2参数设置集仿真

三相电源的相位互差120°,交流峰值电压为220V,频率为50H 。当三相桥式全控整流电路为阻性负载时，电阻R=0.3Ω；当三相桥式全控整流电路为电阻电感负载时，电阻R=0.6Ω，电感L=0.02H 。有一个置零软件，一个可调触发角度的装置（阻性负载0~120°，阻感性负载0~180°）。

当为三相桥式全控整流电路为阻性负载时仿真波形： 触发角α=0°时输出电流，电压波形

触发角α=15°时输出电流，电压波形

触发角α=45°时输出电流，电压波形

触发角α=90°时输出电流，电压波形

触发角α=120°时输出电流，电压波形

当为三相桥式全控整流电路为电阻电感性负载时仿真波形触发角α=0°时输出电流，电压波形

触发角α=15°时输出电流，电压波形

触发角α=45°时输出电流，电压波形

触发角α=90°时输出电流，电压波形

触发角

α=120°时输出电流，电压波形

通过动态仿真能有效知道整流电路出现故意时候的工作情况,同时也加深对三相全控整流电路的理解和运用。

波形上的电流波形同电压波形相同，可知，电阻对电流没有滞后或超前的影响，即不会改变电流的相位。并且电流和电压有突变现象，说明电阻对电流或电压没有抑制现象。而且，电压和电流的突变点与触发脉冲的跳跃点是同时的！这也正好符合电路图的设计原理。

5总结与展望

通过仿真和分析,可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角 负载特性的影响,文中应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析,并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较,进一步验证了仿真结果的正确性。采用Matlab/Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用Matlab/Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活改变仿真参数,并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab对整流电路故障仿真研究时,可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象,为分析三相桥式整流电路打下较好的基础,是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件,同进也是电力电子技术实验较好辅助工具。

当然这次实验有遇到了不少的困难，也出现了不少的错误，反映出基础知识的某些地方还有薄弱的地方。通过自己查找资料，苦心探索实践，与同学讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。不论是在基础理论上还是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。希望在今后的学习中努力解决仿真中出现的问题，设计出更加完美的作品。

致谢

在这次的论文设计中，我要感谢我的指导老师曾仑明老师对我的悉心指导，感谢曾老师在白忙之中给我的帮助。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，使我也明白了许多在课堂上没有学习到的东西，同时也增强了我的实际动手能力，让我学习到了MATLAB软件的许多功能。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！

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