三相半波桥式(全波)整流及六脉冲整流电路
三相桥式整流电路
1 原理及方案1.1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，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。
1.2方案设计整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用广泛。
当整流负载容量较大，或要求直流电压脉冲较小时，应采用三相整流电路，其交流测由三相电源供电。
三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。
本设计要求整流电路带直流电机负载，希望获得的直流电压脉冲较小，所以用三相全波整流比较合理。
三相桥式全控和三相桥式半控是常见的三相桥式可控全波整流电路。
三相半控桥式整流电路适用于中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动中，它采用共阴极的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波不可控整流电路串联而成，电路兼有可控与不可控两者的特性。
共阳极组的三个整流二极管总是在自然换流点换流，使电流换到阴极点为更低的一相中去。
该电路在使用中需加设续流二极管，以避免可能发生的失控现象，所以电路不具备逆变能力。
虽然三相半控电路相应触发电路较简单，但只能用于整流不能用于逆变，现在很少使用。
本设计选择使用三相桥式全控整流电路。
整流电路的输入部分是变压器，作用是降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，将整流电路与电网隔离，并将电网电压值转变为整流所需输入值。
整流部分是六个晶闸管，是由共阴极的三相半波可控整流电路与共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成。
为使整流电路能正常工作，除了要给晶闸管配设可靠的触发电路外，还要有保护电路，以防止各种原因产生的过电压和过电流影响或损坏晶闸管。
三相桥式半控整流电路原理
三相桥式半控整流电路原理
整流电路
桥式整流电路的工作原理如下:e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通;对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通;对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。
电路中构成e2、
D2Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。
如此重复下去，结果在Rfz ，上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。
TR为三相整流变压器，其接线组别采用Y/Y-12。
VT1~VT6为晶闸管元件，
FU1~FU6为快速熔断器。
TS为三相同步变压器，其接线组别采用?/Y-11。
P端为集成化六脉冲触发电路+24V电源输出端，接脉冲变压器一次绕组连接公共端。
P1~P6端为集成化六脉冲触发电路功放管V1~V6集电极输出端，分别接脉冲变压器一次绕组的另一端。
UC端为移相控制电压输入端。
三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路基本相同，仅将共阳极组
VT4，VT6，VT2的晶闸管元件换成了VD4，VD6，VD2整流二极管，以构成三相桥式半控整流电路。
三相桥式半控整流电路
绪论整流电路技术在工业生产上应用极广。
如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。
把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。
整流器的输入端一般接在交流电网上。
为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。
由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。
以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。
为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。
目录绪论第一章设计任务书1.1设计任务内容 (3)1.2设计任务要求 (3)第二章方案选择2.1 整流电路的选择 (4)2.2触发电路的选择 (4)2.3保护电路的选择 (5)2.4选择合适电路 (6)第三章主电路的设计3.1主电路工作原理 (6)3.2电路原理图 (8)3.3参数计算 (8)第四章触发电路4.1触发电路原理图 (10)4.2触发电路的设计 (10)4.3触发电路与主电路同步 (11)4.4电路保护设计 (12)第五章总电路图设计 (15)第六章课程设计小结 (17)第七章参考文献 (18)第一章设计任务1.1设计任务内容在本次课程设计当中我们以三相桥式半控整流电路--------电感性负载作为研究对象。
三相桥式全控整流电路的工作原理
三相桥式全控整流电路的工作原理三相桥式全控整流电路是一种常用的电能转换电路，广泛应用于交流电转直流电的场合。
它具有电控性好、能耗低、体积小等优点，在电力系统中的应用非常广泛。
下面将详细介绍三相桥式全控整流电路的工作原理。
三相桥式全控整流电路由六个可控硅器件组成，分为两个并联的三相半波可控整流器。
其中，每个三相半波可控整流器包含三个可控硅器件，它们按照星形连接方式连接在交流电源的三相线上。
可控硅器件是由二极管和双向可控开关组成的，可以对电流进行双向控制。
整个电路通过操纵可控硅器件的导通角来控制输出电压的大小和形状。
当交流电源开始供电时，根据交流电源的正负半周变化，可控硅器件会先导通一半波，然后断开一半波，实现半波整流。
对于每个可控硅器件来说，当其导通时，流经它的电流方向与电流的正方向一致，为正半周；当其断开时，流经它的电流方向与电流的正方向相反，为负半周。
通过控制可控硅器件的导通角，可以实现对输出电压的调节。
当可控硅器件导通角度增大时，导通时间增长，输出电压增加；当导通角度减少时，导通时间减小，输出电压减小。
通过改变导通角度来改变输出电压的大小和形状，以满足不同负载的需求。
在控制可控硅器件的导通角度时，需要采用触发电路来提供触发脉冲。
触发脉冲的宽度决定了可控硅器件导通的时间，从而控制输出电压的大小。
通常采用零点触发方式，即在每个交流周期的零点附近触发可控硅器件的导通。
三相桥式全控整流电路的输出电压是由六个可控硅器件的导通角度和触发脉冲的宽度共同决定的。
通过合理地控制这些参数，可以实现输出电压的调节。
此外，为了保证可控硅器件的正常工作，需要采用继电器或保险丝等保护措施，以防止过电流或过压的损坏。
总之，三相桥式全控整流电路是一种通过控制可控硅器件的导通角度来实现交流电转直流电的电路。
它通过改变导通角度来改变输出电压的大小和形状，具有电压调节范围广、精度高等优点，适用于各种交流电转直流电的应用场合。
三相桥式全控整流电路
1系统概述整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。
可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
由电力二极管等不可控器件构成的整流电路叫做不可控整流电路，由晶闸管等半控器件构成的整流电路称为半控型整流电路，由门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）以及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型器件构成等的整流电路称为全控整流电路。
按电路结构可分为桥式电路和零式电路。
按交流输入相数分为单相电路和多相电路。
按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
本系统属于三相桥式全控整流电路，而三相可控整流电路一般有三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路。
三相半波可控整流电路只需要三个晶闸管，若带阻感负载，则只在正半周开通。
三相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次测电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。
为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的。
因此，实际中一般不采用半波整流，而采用全波整流。
三相可控整流电路中应用较多的是三相桥式全控整流电路，共六个晶闸管组成三对桥臂。
由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。
在u2一个周期内，整流电压波形脉动6次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。
变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。
1.1总体方案设计现要设计一三相桥式半控整流电路，带直流电动机负载，电压调节范围为0～220V。
整个系统可分为主电路和触发电路两部分，总体结构框图如下图1所示：1.2系统工作原理在系统主电路中，首先由主变压器将电网电压变换为需要的交流电压，接着由整流桥将交流电转化为直流电供给直流电动机负载。
三相桥式全控整流电路
1系统概述整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。
可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
由电力二极管等不可控器件构成的整流电路叫做不可控整流电路，由晶闸管等半控器件构成的整流电路称为半控型整流电路，由门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）以及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型器件构成等的整流电路称为全控整流电路。
按电路结构可分为桥式电路和零式电路。
按交流输入相数分为单相电路和多相电路。
按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
本系统属于三相桥式全控整流电路，而三相可控整流电路一般有三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路。
三相半波可控整流电路只需要三个晶闸管，若带阻感负载，则只在正半周开通。
三相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次测电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。
为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的。
因此，实际中一般不采用半波整流，而采用全波整流。
三相可控整流电路中应用较多的是三相桥式全控整流电路，共六个晶闸管组成三对桥臂。
由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。
在u2一个周期内，整流电压波形脉动6次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。
变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。
1.1总体方案设计现要设计一三相桥式半控整流电路，带直流电动机负载，电压调节范围为0～220V。
整个系统可分为主电路和触发电路两部分，总体结构框图如下图1所示：1.2系统工作原理在系统主电路中，首先由主变压器将电网电压变换为需要的交流电压，接着由整流桥将交流电转化为直流电供给直流电动机负载。
三相半波、桥式(全波)整流及六脉冲整流电路
图中的晶闸管整流器 VS 和二极管整流器 VD 的工作方式有很大区别。 （1） 二极管整流器 VD 阳极和阴极之间的正向电压只要大于其 PN 结的势 垒电压，二极管就导通。而晶闸管整流器 VS，在其控制极没有触发信号加上时， 只要其阳极和阴极之间的正向电压不大到把管子击穿，那么它就不导通。 （2） 晶闸管整流器 VS 的导通条件有： ① 阳极和阴极之间的正向电压。对于二极管整流器来说，这个电压只要在 0.7V 左右时，就开始导通了；而晶闸管一般规定在 6V 以上。 ② 控制极触发信号电压。晶闸管一般都用脉冲触发，要求这个电压脉冲要 有一定的幅度和宽度，没有一定的幅度就不能抵消 PN 结的势垒电压，没有一定 的宽度就不能有足够的时间使导通由一点扩散到整个 PN 结。一般要求幅度为 3~5V，宽度 4~10µs，触发电流 5~300mA。 ③ 维持电流。是指可以维持晶闸管整流器 VS 导通的最小电流，一般对 20A 到 200A 的晶闸管来说，规定其维持电流小于 60mA。 ④ 擎住电流。是指晶闸管被打开而控制极触发信号电压消失后，可以维持 继续导通的最小电流，这个电流一般是维持电流的若干倍。 （3）控制角α与导通角θ为了表征晶闸管对交流电压的控制行为而引出了 这两个参量。图 5 所示是控制角α与导通角θ的关系。下面就对它们的含义进行 讨论。
其中 P 为控制脉冲数，比如 6 脉冲时是 60º，12 脉冲时是 30º，18 脉冲时是 20º， 24 脉冲时是 15º等等，脉动周期越小，其整流输出电压越高、越接近交流电压峰 值，其表示式为在区间的积分：
（5） 对于 12 脉冲半波整流来说，当α=0 时，
这已是 220V 相电压的峰值；若是 12 脉冲全波整流，其值为：
三相整流
1.三相半波整流滤波当功率进一步增加或由于其他原因要求多相整流时，三相整流电路就被提了出来。
图1所示就是三相半波整流电路原理图。
在这个电路中，三相中的每一相都和单独形成了半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次相差120º叠加，并且整流输出波形不过0点，其最低点电压式中U——是交流输入电压幅值。
p并且在一个周期中有三个宽度为120º的整流半波。
因此它的滤波电容器的容量可以比单相半波整流和单相全波整流时的电容量都小。
图1 三相半波整流电路原理图2.三相桥式（全波）整流滤波图2所示是三相桥式全波整流电路原理图。
图3是它们的整流波形图。
图3(a)是三相交流电压波形；图3(b)是三相半波整流电压波形图；图3(c)是三相全波整流电压波形图。
在输出波形图中，N粗平直虚线是整流滤波后的平均输出电压值，虚线以下和各正弦波的交点以上（细虚线以上）的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。
图2 三相桥式全波整流电路原理图由图1和图2可以看出，三相半波整流电路和三相桥式全波整流电路的结构是有区别的。
（1）三相半波整流电路只有三个整流二极管，而三相全波整流电路中却有六只整流二极管；(2) 三相半波整流电路需要输入电源的中线，而三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。
由图3可以看出三相半波整流波形和三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。
图3 三相整流的波形图①三相半波整流波形的脉动周期是120º而三相全波整流波形的脉动周期是60º；②三相半波整流波形的脉动幅度和输出电压平均值：三相半波整流波形的脉动幅度是：(1)式中 U——脉动幅度电压；Up是正弦半波幅值电压，比如有效值为380V的线电压，其半波幅值电压为： (2)那么其脉动幅度电压就是：输出电压平均值Ud是从30º~150º积分得，（3）式中 Ud——输出电压平均值；UA——相电压有效值。
如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值Up。
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三相半波桥式（全波）整流及六脉冲整流电路
1. 三相半波整流滤波
当功率进一步增加或由于其他原因要求多相整流时，三相整流电路就被提了出来。
图1所示就是三相半波整流电路原理图。
在这个电路中，三相中的每一相都和单独形成了半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次相差120o 叠加，并且整流输出波形不过0点，其最低点电压
式中Up——是交流输入电压幅值。
并且在一个周期中有三个宽度为120o的整流半波。
因此它的滤波电容器的容量可以比单相半波整流和单相全波整流
时的电容量都小。
图1 三相半波整流电路原理图
2. 三相桥式（全波）整流滤波
图2所示是三相桥式全波整流电路原理图。
图3是它们的整流波形图。
图3(a)是三相交流电压波形；图3(b)是三相半波整流电压波形图；图3(c)是三相全波整流电压波形图。
在输出波形图中，N粗平直虚线是整流滤波后的平均输出电压值，虚线以下和各正弦波的交点以上（细虚线以上）的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。
图2 三相桥式全波整流电路原理图
由图1和图2可以看出，三相半波整流电路和三相桥式全波整流电路的结构是有区别的。
（1）三相半波整流电路只有三个整流二极管，而三相全波整流电路中却有六只整流二极管；
(2) 三相半波整流电路需要输入电源的中线，而三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。
由图3可以看出三相半波整流波形和三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。
图3 三相整流的波形图
①三相半波整流波形的脉动周期是120o而三相全波整流波形的脉动周期是60o；
②三相半波整流波形的脉动幅度和输出电压平均值：三相半波整流波形的脉动幅度是：
(1)
式中U——脉动幅度电压；Up是正弦半波幅值电压，比如有效值为380V的线电压，
其半波幅值电压为：
(2)
那么其脉动幅度电压就是：
输出电压平均值Ud是从30o~150o积分得，
（3）
式中Ud——输出电压平均值；
UA——相电压有效值。
如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值Up。
三相全波整流波形的脉动幅度是：
输出电压平均值Ud是从60o~120o积分得：
UAB=2.34 UA=514V (4)
式中Ud——输出电压平均值，
UAB——线电压有效值。
如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值Up。
由上面的计算还可以看出，三相全波整流比三相半波整流优越得多，三相全波整流用比半波整流小得多的电容器就可以达到最大值Up。
因此，UPS的输入整流器中都采用了三相全波整流电路。
3. 三相6脉冲整流器
上面的三相全波整流是不稳压的，因此在UPS中都用晶闸管整流器（简称晶闸管）代替了二极管整流器，如图4所示。
图4 三相桥式6脉冲全控整流电路原理图
图中的晶闸管整流器VS和二极管整流器VD的工作方式有很大区别。
（1）二极管整流器VD阳极和阴极之间的正向电压只要大于其PN结的势垒电压，二极管就导通。
而晶闸管整流器VS，在其控制极没有触发信号加上时，只要其阳极和阴极之间的正向电压不大到把管子击穿，那么它就不导通。
（2）晶闸管整流器VS的导通条件有：
①阳极和阴极之间的正向电压。
对于二极管整流器来说，这个电压只要在0.7V左右时，就开始导通了；而晶闸管一般规定在6V以上。
②控制极触发信号电压。
晶闸管一般都用脉冲触发，要求这个电压脉冲要有一定的幅度和宽度，没有一定的幅度就不能抵消PN结的势垒电压，没有一定的宽度就不能有足够的时间使导通由一点扩散到整个PN结。
一般要求幅度为
3~5V，宽度4~10μs，触发电流5~300mA。
③维持电流。
是指可以维持晶闸管整流器VS导通的最小电流，一般对20A到200A的晶闸管来说，规定其维持电流小于60mA。
④擎住电流。
是指晶闸管被打开而控制极触发信号电压消失后，可以维持继续导通的最小电流，这个电流一般是维持电流的若干倍。
（3）控制角α与导通角θ为了表征晶闸管对交流电压
的控制行为而引出了这两个参量。
图5所示是控制角α与导通角θ的关系。
下面就对它们的含义进行讨论。
图5 控制角α与导通角θ的关系
①控制角α。
当交流正半波加到晶闸管上时，就具有了使晶闸管导通的基础条件，什么时刻给晶闸管控制极加触发信号使其开通呢？从交流正弦波过0开始，一直到晶闸管被触发导通（时间b）的这段晶闸管不导通的时间0b，称为控制角，用α表示。
由于晶闸管开启很快，一般是小于1μs，故认为加触发信号的时间就是晶闸管被打开的时间，即一般都把开启时间忽略不计。
②导通角θ。
由于晶闸管的开启是一个正反馈过程，故打开后就不能自动关断，这个导通过程要一直延续到电压过0，把从开启到截止这段时间称为导通角，用θ表示。
UPS中的输入整流器就是利用对上述这两个参量的控制来
实现稳压的。
一般称这种控制为“相控”。
很明显，在这里α+β=180o,就是说只要知道这两个参数中的一个，另一个也就知道了。
4. 六相全波整流和12脉冲整流器
六相全波整流及12脉冲整流器在一些UPS中为了提高输入功率因数或者提高功率容量，就采用了六相全波整流即12
脉冲整流。
实际上，在UPS中都采用的六相全波相控整流，
也就是通常所说的12脉冲整流。
既然是12脉冲，就说明了两个问题：一个是采用了12只晶闸管，一个是6相输入电源。
图6 12脉冲整流电路
图6所示是12脉冲整流电路。
不难看出，两个整流器的结构一模一样，都是三相6脉冲整流，不同的是两个整流器输入变压器的结构不同，一个变压器绕组是“Y”型连接，一个变压器绕组是“Δ”型连接。
这样连接的结果就使二者的电压相位差为30o，也即整流脉动的最大宽度是30o。
由此得出多相整流时的最大脉动宽度（即晶闸管导通时间θ）表达式为：
其中P为控制脉冲数，比如6脉冲时是60o，12脉冲时是30o，18脉冲时是20o，24脉冲时是15o等等，脉动周期越小，其整流输出电压越高、越接近交流电压峰值，其表示式为在区间的积分：
（5）
对于12脉冲半波整流来说，当α=0时，
这已是220V相电压的峰值；若是12脉冲全波整流，其值为：
（6）
当α=0时其整流电压：Ud=618V
图中两个一样的整流器输出是通过各自的扼流圈后进行并
联的，目的是使二者的输出电流均衡，因为两个整流器虽然一样，但它们的内阻决不会一样，就会造成输出电流的不均衡。
因此，扼流圈的阻抗值要远远大于整流器的内阻，即整流器的内阻和扼流圈的阻抗相比可以忽略不计。
由上面可知，整流相数越多，其整流输出电压的脉动频率越高，脉动幅度越小，脉动系数就越小。
输出纹波就越低，纹波系数也就越小。
图7给出了12脉冲整流时的波动和多相半波整流时平均值接近峰值的情况。
图7 12脉冲整流时的波动和多相半波整流时平均值接近峰
值的情况
下面也给出脉动系数和纹波系数的表达式：
脉动系数：
（7）
纹波系数：
（8）
为了有一个量的概念，表1给出了半波整流输出电压的脉动系数、纹波系数和整流相数P的关系。
由表中可以看出：三
相全波（半波6相）整流比单相全波（半波2相）整流时的麦冬系数和纹波系数小得多，比后者的1/10还小，当然加在后面的滤波电容也就小得多，这也就是为什么当UPS的容量达到一定值时，都尽量采用三相全波整流：为了提高效率，都不采用6相半波整流，虽然都是6只整流管，但由于三相全波整流的输出电压比6相半波整流的输出电压高，因此在同样功率下，三相全波整流的电流小，所以功耗也小，效率也就高了。
表1 半波整流输出电压的脉动系数、纹波系数和整流相数的关系。