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三相桥式全控整流电路设计

电力电子技术课程设计报告

题目：

三相桥式全控整流电路设计

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指导教师：

时间：

20

三相桥式全控整流电路设计

（第一组）

目录

一.基本原理………………………………………………………...2

1.三相桥式全控整流电路特性分析………………………………………….2

2.三相桥式全控整流电路定量分析………………………………………….6

3.晶闸管额定电流、额定电压的选择……………………………………….6

二.仿真实验………………………………………………………..7

1．仿真电路中不含滤波电容和滤波电感……………………………………7

2．仿真电路中含滤波电容和滤波电感………………………………………8

3．仿真实验结论………………………………………………………………10

三.硬件实验………………………………………………………10

1.硬件电路（protel绘制）……………………………………………………10

（1）主电路………………………………………………………………10

（2）触发电路……………………………………………………………11

（3）保护电路……………………………………………………………13

（4）总硬件电路（主电路和控制电路）………………………………14

（5）硬件电路PCB板…………………………………………………..15

2.元器件选型及计算…………………………………………………………..17

四.课程设计总结…………………………………………………18

五.元件清单报表………………………….…………….………19

六.三相桥式全控整流电路装置的用途………………………..19

七.设计任务书…………………………………………………..…21

八.参考文献………………………………………………………..22

一.基本原理

１.三相桥式全控整流电路特性分析

三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：

图1

（1）三相桥式全控整流电路的特点：

一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，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。

①2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。

③Ud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。

（2）带电阻负载时的工作情况：

（1）当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续

波形图：

a=0（图1）、a=30（图2）、a=60（图3）

（2）当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值

波形图：

a=90（图4）

（3）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120

（3）晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示：

表1

时段

共阴级组中导通的晶闸管

VT1

VT1

VT3

VT3

VT5

VT5

共阴级组中导通的晶闸管

VT6

VT2

VT2

VT4

VT4

VT6

整流输出电压

ua-ub=uab

ua-uc=uac

ub-uc=ubc

ub-ua=uba

uc-ua=uca

uc-ub=ucb

图2α=0º

图3α=30º

图4α=60º

图5α=90º

2.三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≤60时）的平均值为：

（2）带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为：

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

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

③输出电压Ud为0~200V，负载电阻R=2

，输出负载电流为：

④晶闸管上流过电流为：

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。

二.仿真实验

基本参数组:

整流变压器输出相电压为100V,负载R=2Ω。

输出电压为0~200V。

1．仿真电路中不含滤波电容和滤波电感

（1）仿真模型

图6

（2）仿真实验结果及分析（2组）

1α=27°

触发脉冲波形、三相电源电压波形、三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形，依次如下所示：

图7

2α=55°

触发脉冲波形、三相电源电压波形、三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形，依次如下所示：

图8

2．仿真电路中含滤波电容和滤波电感

（1）仿真模型

图9

（2）仿真实验结果及分析（2组）

①α=31°触发脉冲波形、三相电源电压波形、三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形，依次如下所示：

图10

②α=55°触发脉冲波形、三相电源电压波形、三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形，依次如下所示：

图11

3．仿真实验结论

通过仿真实验和多组仿真实验结果对比分析可知，当触发角α发生改变时，电路的工作情况也发生变化。

α增大ud平均值降低，Id也随之降低，三相电源电流大小下降，三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形波纹变大。

加入滤波电容和滤波电感，使得谐波含量减少，波形更加平缓光滑（尤其是α=27°时的两种情况对比）。

三.硬件实验

1.硬件电路（protel绘制）

（1）主电路

主电路为带电阻负载的三相桥式电路,用protel绘制如下所示:

图13

（2）触发电路

触发脉冲的宽度应保证精华杂关可靠导通（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。

大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。

可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。

晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。

此处就是采用集成触发产生触发脉冲。

KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

KJ004触发电路为模拟的触发电路,其组成如下图：

图14

3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路,如下图所示:

图15

用protel绘制的完整触发电路如下所示：

图16

（3）保护电路

电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压，外因过电压主要来自雷击和系统操作过程等外因。

分别介绍如下：

操作过电压：

由分闸、合闸等开关操作引起

雷击过电压：

由雷击引起

内因过电压：

主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

换相过电压：

晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

关断过电压：

全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

在抑制外因过电压的措施中,采用RC过电压抑电路最为常见。

RC过电压抑电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称为网侧，电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。

本处采用反向阻断式过电压抑制用RC电路构成保护电路,用protel绘制如下所示:

图17

（4）总硬件电路（主电路和控制电路）原理图如下所示：

图18

（5）硬件电路PCB板如下所示：

①顶层视图如下:

图19

②底层视图如下：

图20

③顶层覆盖图如下：

图21

④3D视图如下：

图22

2.元器件选型及计算

硬件电路所需元器件详见元件清单报表。

四．课程设计总结

这是继数字电子技术课程设计之后的第二个学科课程设计。

这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计，由于这是上学期电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，所以这个知识点我掌握的比较透彻，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。

整个课程设计的过程中，重点难道还是在protel原理图的绘制和PCB板的绘制。

在弄懂了设计原理后，首先要用MATLAB进行仿真，用Simulink搭建模块，进行仿真实验，根据要求设计相关参数，模块搭建好后，通过调节触发角得到了不同的波形。

由于开始没有加滤波装置，所得仿真波形与理论结果还是有较大差别的，后来在老师的提醒后加入了滤波装置，才得到比较理想的波形。

由于触发电路比较复杂，所以直接使用了Simulink里面原有的脉冲发生模块。

在仿真实验中比较关键的是参数的设置。

仿真做完了之后是做硬件实验，由于条件所限老师只让我们画出电路板就可以了。

硬件部分是这次课程设计的重点难点，尤其是画PCB板。

画PCB板一般是用Protel软件，由于之前没有接触过Protel，所以在接到任务后马上去图书馆借了两本关于Protel速成使用的参考书。

经过突击对Protel的使用基本上有了了解。

首先是画原理图，原理图中的触发模块和保护模块都是直接使用课本上的。

由于许多元件Protel都没有，还得自己画，特别注意要封装。

关键是接下来把原理图转化为PCB板。

这涉及到许多步骤，如敷铜走线等，布线时先手工布线得到一个电路的大体布局，再使用自动布线。

这一步是在其他同学的帮助下完成的。

通过此次课程设计，我从完全不懂到逐渐了解，再到基本学会使用Matlab和Protel,它们都是与我们专业密切联系的软件。

其中掌握了用Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作，也涉及了Protel的使用，初步学会了原理图SCHDOC的绘制，了解PCB板绘制的一般流程。

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。

此外，由于这次课程设计是两人一组，经过此次历练后提高了我的协调合作能力。

很高兴有这么一次课程设计的机会，我想它将对以后的学习和今后的工作带来一定的好处。

五.元件清单报表

Comment

Description

Designator

Footprint

LibRef

Quantity

Cap

Capacitor

C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11

RAD-0.3

Cap

11

DIODE

D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10D11、D12

DIODE0.4A

DIODE

12

KJ004

K1、K2

DIP16

KJ004

2

-15v

Header,2-Pin

P1

HDR1X2

Header2

1

+15v

Header,2-Pin

P2

HDR1X2

Header2

1

Header3H

Header,3-Pin,RightAngle

P3

HDR1X3H

Header3H

1

NPN

NPNBipolarTransistor

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6

BCY-W3

NPN

6

SCR

SiliconControlledRectifier

Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12

SFM-T3/E10.7V

SCR

6

Res2

Resistor

R1、R2、R3、R4、R5、R6

AXIAL0.5

Res2

6

ResAdj2

VariableResistor

R7、R8、R9、R10、R11、R12

AXIAL-0.6

ResAdj2

1

Res2

Resistor

R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23R24R25R26R27R28R29R30

AXIAL0.5

Res2

18

Res2

Resistor

R31

AXIAL-0.4

Res2

1

Res2

Resistor

R32、R33

AXIAL0.5

Res2

2

Header6X2H

Header,6-Pin,Dualrow,RightAngle

T1

HDR2X6H

Header6X2H

1

KJ04

U1

DIP16

Component_1

1

KJ04

U2

DIP16

Component_1

1

ResTap

TappedResistor

VR1

VR5

ResTap

1

ResTap

TappedResistor

VR2

VR5

ResTap

1

六.三相桥式全控整流电路装置的用途

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由交流电源供电。

应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。

三相桥式整流电路常见用在电镀装置、电解装置、直流焊机、充电装置等装置上。

一般工业：

直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置；近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。

几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等；电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。

冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合，需要大容量整流电源。

电镀装置也需要整流电源。

交通运输：

电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。

直流斩波器也广泛用于铁道车辆。

在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。

除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。

一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制；飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术；如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。

以前的电梯大都采用直流调速系统，近年来交流变频调速成为主流。

电力系统：

电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。

最终用户在使用电能时常常需要进行预处理。

如降压、滤波、无功补偿等。

据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次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。

毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的；直流输电（HVDC）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流装置；近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）可以大幅度提高电网输电能力和稳定性；快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高。

如有源滤波器（APFActivePowerFilter）可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。

不间断电源（UPS）和各种开关电源：

这一类的应用最为普遍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，现在己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，现在己逐渐取代了线性电源。

家用电器：

照明在家用电器中有十分突出的地位。

由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，传统的白炽灯和日光灯；频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。

电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。

此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。

新能源的开发和利用：

统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。

能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。

其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。

太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。

当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术；了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。

其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。

超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术；聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，种电源就是电力电子装置。

科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。

七.设计任务书

1.设计目的

①通过对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,

②综合运用所学只是,进行三相桥式全控整流电路和系统设计能力。

了解与熟悉三相桥式全控整流电路电路拓扑、控制方法。

理解和掌握三相桥式全控整流电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

2．设计内容及要求

基本参数组：

整流变压器输出相电压为100V，负载中R=2

。

要求输出电压为0~200V。

理论设计：

了解掌握三相桥式全控整流电路的工作原理，设计三相桥式全控整流电路的主电路和控制电路。

包括：

整流变压器额定参数的计算

晶闸管电流，电压额定的选择

平波电抗器电感值的计算

保护电路的设计

触发电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

列出主电路所用元器件的明细表

仿真实验：

利用MATLAB仿真软件对三相桥式全控整流电路主电路和控制电路进行仿真建模，并进行仿真实验。

实际制作：

利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数，外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。

最后完成系统电路的组装，调试。

八.参考文献

1王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.北京：

机械工业出版社，1998

2倪泽峰，江中华.电路设计与制板——ProtelDXP典型实列.北京：

人民邮电出版社，2003

3杨宗德.ProtelDXP电路设计制板入门与提高.北京：

人民邮电出版社，2004

4王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2000

5陈治明.电力电子器件基础.北京：

机械工业出版社，1992

6李国勇，谢克明，杨丽娟.计算机仿真技术与CAD.北京：

电子工业出版社，2007

7孙树朴等.电力电子技术.北京：

中国矿业大学出版社，1999

8林渭勋.现代电力电子技术.杭州：

浙江大学出版社，2002

9邵丙衡.电力电子技术.北京：

中国铁道出版社，1997

10叶斌.电力电子技术习题集.北京：

中国铁道出版社，1995

11赵良炳.现代电力电子器件基础.北京：

清华大学出版社，1995