三相桥式全控整流电路修改版副本.docx

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三相桥式全控整流电路修改版副本

第1章设计分析

1.1整流电路的论证与选择

我们知道，三相整流器的电路形式是各种各样的，整流的结构也是比较多的。

因此在做设计之前我们主要考虑了以下几种方案：

1三相半波可控整流电路；

电路简图1.1如下：

图1.1三相半波可控整流电路

三相半波可控整流电路只用三个晶闸管，接线简单，与单相电路比较，其输出电压脉动小、输出功率大、三相负载平衡。

但是整流变压器二次绕组在一个周期内只有三分之一时间过电流，变压器利用率低。

另外变压器每一个二次绕组中电流是单方向的，其直流分量在磁路中产生直流不平衡磁动势，会引起附加损耗。

如不用变压器，则中性电流较大，同时交流侧的直流电流分量会造成电网的附加损耗。

②三相桥式全控整流电路：

电路简图1.2如下：

图1.2三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路应用最为广泛，它是由两个三相半波整流电路发展而来的，如图1.2所示，其中一组三相半波整流电路为共阴极连接，一组为共阳极连接。

如果两组负载完全相同且触发角α一样，则负载电流Id1、Id2相等，电路零线中无电流流过，如果将零线去掉，并不影响电路的工作，就成为三相桥式全控整流电路

根据以上比较分析我最后选择三相桥式全控整流电路。

1.2设计的主要原理

设计的原理框图如图1.3所示：

图1.3三相桥式全控整流电路框图

其工作原理是输入三相电源，通过三相桥式整流电路将它转化为直流电为直流负载提供能量。

其中桥式整流电路由触发模块提供触发信号，通过控制触发信号就可以控制直流电源的输出。

为了保证电路能安全的工作，加入了保护电路模块。

第2章主电路设计

2.1主电路设计及原理

2.1.1主电路设计

其原理图如图2.1所示。

图2.1三相桥式全控整理电路原理图

习惯将其中阴极连接在一起的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。

此外，习惯上希望晶闸管按从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。

从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

2.1.2主电路原理说明

整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。

假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。

此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳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（或者说负得最多）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。

此时电路工作波形如图2.2所示。

图2.2α=0o时波形

α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。

由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。

在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。

从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。

直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。

由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。

流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。

当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。

电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。

图2.3给出了α=30o时的波形。

从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表3.1所示。

由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

表2.1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况

时段

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

共阴极组中

导通的晶闸管

VT1

VT1

VT3

VT3

VT5

VT5

共阳极组中

导通的晶闸管

VT6

VT2

VT2

VT4

VT4

VT6

整流输出电压ud

ua-ub

=uab

ua-uc

=uac

ub-uc

=ubc

ub-ua

=uba

uc-ua

=uca

uc-ub

=ucb

图2.3给出了α=30o时的波形。

从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表3.1的规律。

区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。

晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。

图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。

图2.3α=30o时的波形

 由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。

当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图3.5所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。

这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。

图2.4α=60o时的波形

图2.5α＝90o时的波形

2.2主电路参数计算

2.2.1整流变压器的选择

由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V，由变压器为

接法可知变压器二次侧相电压为：

3.4.1

变比为：

3.4.2

变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：

3.4.3

3.4.4

而在三相桥式全控中

3.4.5

3.4.6

所以变压器的容量分别如下：

变压器次级容量为：

3.4.7

变压器初级容量为：

3.4.8

变压器容量为：

3.4.9

即：

变压器参数归纳如下：

初级绕组三角形接法

，

；次级绕组星形接法，

，

；容量选择为9.46989kW。

2.2.2晶闸管的选择

⑴晶闸管的额定电压

晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值

3.4.10

故桥臂的工作电压幅值为：

3.4.11

考虑裕量，则额定电压为：

3.4.12

⑵晶闸管的额定电流

晶闸管电流的有效值为：

3.4.13

考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：

3.4.14

2.2.3平波电抗器的选择

为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要串联平波电抗器。

对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有：

3.4.15

其中，（单位为mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。

由题目要求：

当负载电流降至20A时电流仍连续。

所以有：

3.4.16

第3章控制电路的设计

3.1触发电路的选择

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管具有下面的特性：

1）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。

2）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。

3）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。

4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）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过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。

在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。

即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60o，脉宽一般为20o~30o，称为双脉冲触发。

双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。

控制电路以AT89C52单片机为控制器，其结构框图如图3.1所示。

它包括同步信号检测、驱动放大电路、显示电路、复位电路、键盘电路等。

图3.1控制电路框图

3.2同步信号的检测

采用CHV-100/300A型号的电压传感器，其额定电压为300V（有效值），额定输出电流25mA。

检测电路中，电压传感器接入220V的A相交流电，输出的电流信号经100欧姆的电阻后，转变为大小为0~2.5V的电压信号（实际输出为-2.5V~2.5V）,此电压信号LM258构成的加法器转换成0~5V的直流信号，此信号输入到8位AD转换器PCF8591的模拟信输入通道AIN3，PCF8591的输出信号AUTO即可接入单片机。

单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us过零点信号。

如图3.2所示。

图3.2同步信号检测

3.3驱动放大电路

驱动放大电路如图3.3所示。

来自单片机的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04，经过光电隔离器4N25隔离输出，最后经过脉冲变压器TB1放大输出到相应晶闸管的门极G和阴极K。

图3.3驱动放大电路

图3.4六路触发脉冲的波形

如图3.4所示，六路触发脉冲的波形。

当单片机检测到A同步电压Ua从负到正的过零点信号（实际上检测到的应该是2.5V）时，它会接收到来自于INT0的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。

这个子程序的功能是决定如何产生第一个触发脉冲的上升沿。

当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16位计数器/定时器1同时开始计时，它工作在工作方式1；由AT89C52单片机的晶振是12MHz，它的一个机器周期是1um。

定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角α决定的。

由于一个正弦波的周期是20ms，定时的长度由下式决定:

t=αx20/360°ms。

定时器的初始化值可以根据t来设定。

为了简单起见，本文定义了一个长度为180的数组，它对应于触发延时角α从0到180°的变化。

这个数组保存在单片机的ROM存储区。

这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1了。

定时器初始化之后，就启动定时器工作。

当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1，单片机开始执行定时器1的中断服务子程序。

这子函数将P2.2设置为高电平，用于触发VT1；这里定义脉冲的宽度为27°，即1.5ms，则定时器1的TH1=FAH，TL1=24H；于是开始启动定时器第二次计数；当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。

在这个函数中，P2.2设置为低电平，表示触发脉冲结束。

由第二个脉冲比一个脉冲滞后60°，也即是3.33ms；那么，第一个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1.83ms。

因此，定时器应设置为TH1=FBH，TL1=DAH；这样就启动定时器第三次定时。

当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。

在这个子函数中，P2.3引脚被置为高电平来触发VT2。

对于其他晶闸管的触发原理相同。

双窄脉冲的输出如图12所示。

P2.2引脚输出一个主脉冲给VT1的同时，P2.7引脚输出一个次脉冲（补发脉冲）给VT6；延时60°后，P2.3引脚输出一个主脉冲给VT2，同时，P2.2引脚输出一个次脉冲给VT1；至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。

3.4键盘电路

键盘电路如图3.5所示。

其功能是设置触发角α的大小。

它由四个开关和电阻，外加一个+5V电源组成。

开关K1、K2、K3和K4分别接到单片机的P1.2、P1.3、P1.4和P1.5。

当K1按下一次，触发角α增加1；K2按下一次，α减1；K3用于选择位数，按下第一次，小数位被选择，并且相应的数码管被点亮；按下第二次时，个位数字被选择，并且相应数码管的被点亮；按下第三次时，十位数被选择，并且相应数码管被点亮；按下第四次时，百位数被选择，并且相应的数码管被点亮。

当K4按下时，输入的数据被送到单片机的存储区。

图3.5键盘电路

3.5显示电路

显示电路是为了更好的得知触发延时角α的变化。

根据触发角α的大小，触发电路需要四个七段LED数码管，这可以显示小数，这里数码管是共阳极的，即当输入为低点平时，数码管点亮。

数码管采用动态显示，相对于静态显示具有使用元件少、引脚少、电路简单的优势。

其中，段选位接到单片机的P0口，位选位有单片机的P2.0、P2.1、P3.0和P3.1控制。

其电路如图3.6所示。

图3.6显示电路

第4章保护电路的设计

晶闸管的保护电路，大致可以分为两种：

一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。

另一种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，借助整流触发系统使整流桥短时间内工作于有源逆变状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

4.1晶闸管的过电流保护

电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。

过电流有过载和短路两种情况。

快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。

根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。

接法不同，保护效果也有差异。

熔断器保护有可以对过载短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。

本次课程设计仅采用快速熔断器。

4.2晶闸管的过电压保护

4.2.1过压保护的因

晶闸管耐过电压的的能力极差，当电路中电压超多其反相击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。

如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使晶闸管的特性下降。

因此必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。

4.2.2晶闸管过电压的保护措施

（1）晶闸管过电压的保护措施通常采用阻容保护。

并接RC阻容吸收回路，利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。

这是过电压保护的基本方法。

阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）、或则元件侧。

（2）电压上升率du/dt的抑制：

加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。

抑制dv/dt可以在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路。

第5章仿真

5.1MATLAB建模

三相桥式全控整流器的建模可以直接调用通用变换器桥（6-pulsethyristor）仿真模块。

参数设定如图5.1所示：

图5.1通用桥参数设置图

同步电源与6脉冲触发器模块包括同步电源和6脉冲触发器两个部分，6脉冲触发器需要三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。

具体步骤如下：

①建立一个新的模型窗口，命名为TBCF；

②打开相应的模块组，复制5个int1（系统输入端口）、一个out1（系统输出端口、3个voltageMeasurement（电压测量模块）、1个6-PulseGenerator（脉冲触发器）。

按图5.2连线。

图5.2触发器模块连接图

③进行封装，封装图如图5.3所示。

图5.3封装图

建立一个新的模型窗口，命名为ban2。

将三相桥式全控整流器和同步6脉冲触发器子系统复制到ban2模型窗口中。

通过合适的连接，最后连接成如图4-4所示的命名为修改版的三相桥式全控整流器电路仿真模型。

相关参数说明：

交流电压源Ua、Ub、Uc等于U2为127V，频率为50Hz，Ua相序为0度，Ub相序为-120度，Uc相序为-240度。

RC中的参数为：

R为1欧，L为0H，C为（1e-6）F。

RL中的参数为：

R的参数为0.721欧，L（平波电抗器）的参数为4.4mH。

图5.4三相桥式全控整流电路仿真图

5.2MATLAB仿真

打开仿真参数窗口，选择ode123tb算法，将相对误差设置1e-3，仿真开始时间设置为0，停止时间设置为0.04秒。

在下面的仿真图中Ud、Id为负载电压（V）和负载电流（A）。

1触发角为0度是的波形

图5.5触发角为0度时ud、id的波形图

②触发角为30度时的波形

图5.6触发角为30度时ud、id的波形图

③触发角为90度时的波形

图5.7触发角为90度时ud、id的波形图

第6章心得与体会

“一份耕耘一份收获”，设计总是带给人创作的冲动，在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵，在建筑师眼里，设计是昔日金碧般的圆明园或是今日一塑自由女神像；在电子工程师心中，设计是贝尔实验室的电话机或是华为的程控交换机。

凡此种种，设计总是能给人带来新鲜不一样的东西，它就是一种营养让我们一辈子消受不竭享用不尽，正是态度决定一切，我用认真负责的态度收获了不少，总结有以下几点：

一、温故而知新。

课程设计开始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感书到用时方恨少，于是重拾教材和相关方面的书籍，系统而全面地对设计的内容进行了梳理,对于自己苦苦想不出来的地方不懂的向老师和同学请教，也终于算是懂了基本的概念，也学会了思考的思维方式。

二、思路决定出路。

好的思路才能决定好的设计，想起刚开始设计时什么都不知道茫然无措，思绪全无，但当自己了解了理论知识和确定了设计思路，方向就一下明确，犹如柳暗花明，茅塞顿开，所以好的设计必须要有扎实的基础。

三、实践出真知。

对于有好的思路确定了，接下来就是检验理论的真实性，在电路的设计过程中出现了不少的问题和困难，但是都是依靠不断的运用知识发现和解决问题，实践是检验真理的唯一标准。

四、有错就得改。

人都是喜欢追求至善至美，但有句话“金无足赤，人无完人”，我们换种思维，去恶也是至善，改过也是至美。

在课程设计中，不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断收获，最终总是获益良多。

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有了很深的了解，对各个知识点有了个更好的掌握。

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，特别是在用MTALAB对整流电路进行仿真时，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。

在此我要感谢我的指导老师对我的悉心指导，感谢老师在平时上课时给我们讲解相关方面的知识，让我在这次课程设计中少走了不少的弯路。

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．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998

2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000

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5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996

6．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996

7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995

8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999