三相桥式整流电路课设解析

1 绪论

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。

电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。半导体硅整流的应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。

整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路，大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，在直流电动机的调速、发电机励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛地应用。整流电路由主电路、滤波器和变压器组成。

随着科学技术的日益发展人们对电路的要求越来越高，由于在生产实际中需要大小可调的直流电源，而相控整流电路结构简单、控制方便、性能稳定，利用它可方便得到大、中、小各种容量的直流电能，是目前获得直流电能的主要方法，得到了广泛应用。在电能的生产和传输上，目前以交流电为主。电力网供给用户的是交流电，而在许多场合，例如电解、蓄电池的充电、直流电动机等，需要用直流电。要得到直流电，除了直流发电机外最普遍应用的是利用各种半导体元件产生直流电。这个方法中，整流是最基础的一步。整流，即利用具有单向导电性的器件，把方向和大小交变的电流变换为直流电。本设计主要是对三相桥式全控整流电路（带反电动势的负载）的研究。

三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，输出整流电压提高一倍，输出电压的脉动率高，基波频率为300HZ，在负载要求相同的直流电压下，晶闸管承受的最大正方向电压将比三相半波减少一半，变压器的容量也比较小，同时三相电流平衡，无须中线。所以，三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。

2 课程设计的方案

2.1 概述

本设计是三相全控桥式整流电路的设计。而三相桥式整流电路作用是给直流电动机供电，可以知道这是一个交流到直流的变换电路，即整流电路。直流电动机负载可以看成是三相全控桥式电路接一个反电动势负载，由此可以得出此设计的重点在于设计三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换，且保证输出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可。然后分别对主电路及触发电路进行设计。

2.2 系统组成总体结构

本设计是三相全控桥式整流电路的设计。主要由主电路、触发电路、保护电路三部分组成，主电路主要完成对交流电到直流电的整流过程，触发电路控制晶闸管的导通和关断控制输出电压的大小，保护电路保护主电路中的元器件。

图2-1 系统总框图

3 三相桥式全控整流电路的设计

3.1 主电路设计及原理

将阴极连接在一起的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。习惯上我们希望晶闸管按从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U、V、W三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与U、V、W三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2,。又后面的分析可知，晶闸管的导通顺序为

VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。

图3-1 晶闸管顺序标号

3.2 主电路设计的原理

整流电路的负载为带反电动势的阻感性负载。当晶闸管触发角α=0°时，此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阴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。α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。

图3-2 α=0°波形

3.3 输出参数计算

三相桥式全控整流电路中，整流输出电压Ud 的波形在一个周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算平均值时，只需要一个脉动进行计算即可。应为0°≤α≤90°时输出电流波形是连续的，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得到整流输出电压的平均值。

2323

1

6sin ()3

d u U td t π

απ

α

ωωπ

++=

?

22.34cos U α= (3-1)

把030α= 和U 2=220V 代入式（3-1）计算有把 22.34cos d u U α= 02.34220cos30=?? 445.8V = 输出电流平均值为: d d U E

I R

-=

(3-2)

把E=300V,R=10Ω, 445.8d u V =代入式（3-2）计算有。 d d U E

I R

-=

14.5A = 变压器二次侧电流Ia 为。

a d I I =

（3-3） 代入数值计算得

a d I I =

11.83A = 同理把090α=和U 2=220V 代入式（3-1）计算有

22.34cos d u U α=0V =

输出电流平均值为: d d U E

I R

-=

(3-2) 把E=300V,R=10Ω, 0d u V =代入式（3-2）计算有。 d d U E

I R

-=

30A =- 变压器二次侧电流Ia 为。

a d I I =

（3-3） 代入数值计算得

a d I I =

24.5A =-

4 外围电路设计及元件选择

4.1 触发电路的设计

4.1.1 电路图的选择

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高压。大电流下工作，且工作过程可以控制。被广泛应用与可控整流、交流调压、无触点电子开光、逆变变频等电子电路中晶闸管具有以下特性：当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。晶闸管在导通的情况下，当主回电压减小到接近于零时，晶闸管关断。

根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证导通的两个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号的前一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个脉冲前沿相差60度，脉冲一般为20度到30度，称为双脉冲触发。

4.1.2 触发电路原理说明

双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041内部结构如图4-1所示。

图4-1 KJ041内部结构原理图

如图4-1所示，KJ041的1-6管脚为单脉冲信号输入，把单脉冲信号由10-15管脚两两同时形成双脉冲信号，10-15管脚两两同时输出对应输送给VT6-VT1。

（1）假设在T1时刻15脚开始给VT1输送脉冲信号，刚经过60度后14脚开始给VT2双脉冲信号，即只有15脚和14脚有信号输出，其它脚没有信号输出，此时VT1和VT2同时导通；

（2）过60度后，15脚停止输出信号，而13脚开始给VT3输出信号，即只有14脚和13脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT2和VT3同时导通；

（3）再过60度后，14脚停止输出信号，而12脚开始给VT4输出信号，

即只有13脚和12脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT3和VT4同时导通；

（4）再过60度后，13脚停止输出信号，而11脚开始给VT4输出信号，

即只有12脚和11脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通；

（5）再过60度后，12脚停止输出信号，而10脚开始给VT6输出信号，

即只有11脚和10脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通；

（6）再过60度后，11脚停止输出信号，而15脚开始给VT1输出信号，

即只有10脚和15脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通；重复以上步骤就可得到所要的触发脉冲。

4.2 保护电路的设计

4.2.1 主电路的过电压保护

抑制过电压的方法：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。

晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，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4-2所示。

图4-2 晶闸管的过电压保护

4.2.2 晶闸管的过电流保护

常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；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。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。

5 三相桥式整流电路的PSIM仿真

运用PSIM软件对本三相桥式晶闸管整流电路进行系统仿真实验。主电路图如下：

图5-2主电路仿真

1 当负载为阻感负载且带反电动势触发角α=30 时的U

d 、I

d

、U

VT

、I

VT

、Ia波形图如下：

图5-3 U d 波形

图5-4 Id波形

图5-5 Uvt波形

图5-6 Ia波形

图5-7 Ivt波形

2 当负载为阻感负载且带反电动势触发角α=90 时的U d、I d、U VT、I VT、Ia波形图如下：

图5-8 Ud波形

图5-9 Ia波形

图5-10 Id波形

图5-11 Uvt1波形

图5-12 Ivt波形

6 课程设计总结

本次课程设计，做的是三相桥式整流电路设计。从本次课程设计的目的来看，收获是不少的。通过仔细审题和思考，我发现有很多东西要做，首先要解决的问题就是变压器的选择，因为之前对变压器的学习大多是理论很少涉及具体应用选型，为此我从找了一些关于变压器应用的书籍弥补了自己在这反面的缺憾，再者主要就是保护电路的设计部分，之前学习的保护电路大多是理论方面，而针对具体电路各种保护器件的选择方法较少提到，所以我还是求助于同学的同时也在网上论坛向别人求助解答，虽然得到的很多东西对现在的课程设计并不是很有用，我最终也找到了自己想要学习的部分知识。同时设计时还遇到很多小的问题因为自己知识不牢固或者自己根本不懂在此去回顾课本或者借书或者求助于同学或则网络。最终都解决掉了自己的疑惑。

经过这次课程设计后，觉得自己有一个不小的进步。虽然有些方面有些不足，但通过阅读相关书籍，学到了更好更多的东西。他们从另一个方面透析了自己的不足，这是很重要的，它让我学会了怎样学习别人的长处并把它变成自己的长处。

总之课程设计让我学到了好多能力，这些能力不是学习理论知识的时候可以得到的，比如查阅资料的能力，与人交流的能力，这些都是我们以后工作生活中必不可少的能力。