三相桥式整流电路设计.docx

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三相桥式整流电路设计

一、设计的基本要求

1.1、主要技术数据

1）电源电压：

交流220V/50Hz

2）输出电压范围50V~100V

3）最大输出电流：

10A

4）具有过流保护功能，动作电流：

12A

5）具有稳压功能

6）效率不低于70%

1.2、主要用途

三相桥式整流电路在电力电子领域中的应用及其重要，也是应用最为广泛的电路。

不仅在一般的工业领域的应用非常广泛，如中频炉、发电机励磁、自动控制等，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、能源系统、以及其他领域。

二、总体方案

三、电路原理说明

3.1、主电路原理说明

3.1.1、工作原理

三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串起来组成的，如上图所示。

为了便于表达晶闸管的导通顺序，把共阴极组的晶闸管依次编号为VT1、VT3、VT5，而把共阳极组的晶闸管依次编号为VT4、VT6、VT2。

假设六个晶闸管换成六个整流二极管，则电路为不可控电路。

相当于晶闸管触发角α=0°时的情况。

三相电压正、负半周各有三个自然换相点，六个自然换相点依次相差60°。

对于共阴极组，阳极电位最高的器件导通；对于共阳极组，阴极电位最低的器件导通。

六个自然换相点把一个周期分成以下六段：

1）ωt1＜ωt≤ωt2时，共阴极组VT1导通，共阳极组VT6导通，ud=uab。

2）ωt2＜ωt≤ωt3时，共阴极组VT1导通，共阳极组VT2导通，ud=uac。

3）ωt3＜ωt≤ωt4时，共阴极组VT3导通，共阳极组VT2导通，ud=ubc。

4）ωt4＜ωt≤ωt5时，共阴极组VT3导通，共阳极组VT4导通，ud=uba。

5）ωt5＜ωt≤ωt6时，共阴极组VT5导通，共阳极组VT4导通，ud=uca。

6）ωt6＜ωt≤ωt1时，共阴极组VT5导通，共阳极组VT6导通，ud=ucb。

通过以上分析，可知三相全控桥式整流电路有以下几个基本特点：

1）任何时刻必须有两个晶闸管同时导通，一个为共阴极组，一个为共阳极组，以便形成通路

2）晶闸管在组内换相，同组内晶闸管的触发脉冲互差120°，由于共阴极组与共阳极组的自然换相点互差60°，所以每隔60°有一个元件换相。

同一桥臂上的两个元件的触发脉冲互差180°，元件导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1。

3）输出电压的波形为线电压的一部分，一周期脉动6次。

4）变压器正负半周都有电流流过，所以没有直流磁化问题，变压器利用效率高。

为了保证任何时刻共阴极组合共阳极组各有一个元件导通，必须对两组中应导通的两个元件同时加触发脉冲。

可以采用宽脉冲（脉冲大于60°）或双窄脉冲实现。

5）整流变压器采用△/Y接法，使电源线电流为正、负面积相等的阶梯波，更接近正弦波，谐波影响小。

3.1.2、基本数量关系

（1）阻性负载

①电阻负载a≤60︒时，电流波形连续，一个波头为60°，所以积分区间为60°整流电压的平均值为：

②电阻负载且60︒≤α≤120°时，电流波形断续，一个波头小于60°，所以积分区间小于60°，整流电压平均值为：

积分上限到π，移相范围为120°。

（2）感性负载

当电感足够大时，整流电流波形连续且为水平线。

整流电流的平均值和有效值相等Id=I，每个晶闸管每周期导通120°，整流电压的平均值为

α=0°时，Ud0=2.34U2；α=90°时，Ud=0V。

移相范围为90°。

负载电流平均值为：

（3）晶闸管的工作

三相全控桥式整流电路中，晶闸管的换流只有在本组内进行，且每隔120°换流一次，即在电流连续的情况下每个晶闸管的导通角为120°。

因此

1）流过晶闸管的电流平均值和有效值为

2）流进变压器次级的电流有效值为

3）晶闸管承受的最高电压

3.2、控制电路原理说明

3.2.1电路图的选择

三相桥式全控整流电路，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α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。

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。

3.2.2触发芯片的选择

关于触发电路芯片的选择，我们选用高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787。

TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。

它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。

它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042）（或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能。

因此，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。

TC787的引脚排列图

各引脚的名称、功能及用法如下──

（1）同步电压输入端：

引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）为三相同步输入电压连接端。

应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。

（2）脉冲输出端：

在半控单脉冲工作模式下，引脚8（C）、引脚10（B）、引脚12（A）分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7（-B）、引脚9（-A）、引脚11（-C）分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。

当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。

（3）控制端

①引脚4（Vr）：

移相控制电压输入端。

该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压VDD。

②引脚5（Pi）：

输出脉冲禁止端。

该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。

③引脚6（Pc）：

TC787工作方式设置端。

当该端接高电平时，TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。

④引脚13（Cx）：

该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。

⑤引脚14（Cb）、引脚15（Cc）、引脚16（Ca）：

对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。

该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。

（4）电源端

TC787可单电源工作，亦可双电源工作。

单电源工作时引脚3（VSS）接地，而引脚17（VDD）允许施加的电压为8～18V。

双电源工作时，引脚3（VSS）接负电源，其允许施加的电压幅值为-4～-9V，引脚17（VDD）接正电源，允许施加的电压为+4～+9V。

二、内部结构及工作原理简介

　　TC787的内部结构及工作原理框图如图所示。

由图可知，在它们内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。

它们的工作原理可简述为：

经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。

三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。

锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。

该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲（对TC787为调制脉冲，对TC788为方波）信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。

假设系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12、11、10、9、8、7输出全为低电平。

3.2.3触发电路原理说明

如上图所示，本实验的触发电路采用双脉冲触发的方式，即TC787的6号引脚接高电平。

触发电路图的电路分析如下：

TC787的同步输入采用降压后的三相交流电信号，三相交流信号相位差为120度，根据波形图可以得知输出脉冲信号的波形。

输出信号的过程如下：

如图所示T1时刻，7号引脚-B和12号引脚A输出脉冲，VT5和VT6导通。

经过60度后，12号引脚A和11号引脚-C输出脉冲，VT1和VT6导通。

经过60度后，11号引脚-C和10号引脚B输出脉冲，VT1和VT2导通。

经过60度后，10号引脚B和9号引脚-A输出脉冲，VT3和VT2导通。

经过60度后，9号引脚-A和8号引脚C输出脉冲，VT3和VT4导通。

经过60度后，8号引脚C和7号引脚-B输出脉冲，VT5和VT4导通。

3.3、主电路、触发信号典型波形

3.3.1、阻性负载

电阻负载α=30°

如图所示为α＝30︒时的波形。

ωt1时ug1触发T1导通，电源电压uab通过T1、D6加于负载。

ωt2时和二极管自然换流，D2导通，D6关断，电源电压uac通过T1、D2加于负载。

ωt3时刻，由于ug3还未出现，T3不能导通，T1维持导通到ωt4时刻，触发T3导通后使T1承受反向电压而关断，电路转为T3与D2导通。

依此类推，负载R上得的是脉动频率为3倍电源频率的脉动直流电压，在一个脉动周期中，它由一个缺角波形和一个完整波形组成。

电阻负载α=60°

α=60°是电流连续与断续的分界。

如图所示是α=60°时的波形，设V3已工作，电路输出c相相电压uc。

当uc过零变负时，V3因承受反压而关断。

此时V1虽已承受正向电压，但因其触发脉冲ug1尚未来到，故不能导通。

此后，直到ug1到来前的一段时间内，各相都不导通，输出电压电流都为零。

当ug1到来，V1导通，输出电压为a相相电压ua,依次循环。

若控制角α继续增大，则整流电路输出电压ud将继续减小。

当α=150°时，ud就减小到零。

电阻负载α=90°

以控制角等于90度为例，线电压过零时，负载电压电流为0,SCR关断，电流波形断续；

在一个周期内每个晶闸管导通120－α；

在一个周期内每个晶闸管需触发导通两次。

3.3.2、感性负载

在电感性负载时三相桥式半控整流电路和单相桥式半控电路具有相似的工作特点：

晶闸管在承受正向电压时触发导通，整流管在承受正向电压时自然导通；由于大电感L的作用，工作的线电压过零变负时，晶闸管仍然可能继续导通，形成同相晶闸管与整流管同时导通的自然续流现象，使输出电压ud波形不出现负值部分。

电感负载α=30°

当α＝30时，此时每个晶闸管是从自然换相点后移一个角度α开始换相。

当晶闸管T+a和T-c导通时输出线电压Uac，经过b相和a相间的自然换相点，b相电压虽然高于a相，但是T+b尚未触发导通，因而T+a,T-c继续导通输出电压Uac,直到α＝30触发晶闸管T+b，则T+a受反压关断，电流由T+a换到了T+b，此时输出线电压Ubc

由波形分析可见，由于α>0，使得输出电压波形在线电压的正向包络线基础上减小了一块相应于α＝30的面积，因而使输出整流平均电压减小。

电感负载α=90°

当控制角α≤60°时，波形均为正值，当60°＜α＜90时，由于L的自感电动势作用，输出波形瞬时出现负值，但正面积大于负面积，平均输出电压仍然正值。

当α=90°时，正负面积相等，输出电压为0。

所以说在大电感负载三相全控桥电路中，移相范围是0°~90°。

当在大电感负载三相全控桥中＞90°时，输出电压断续，由于输出电压接近于0，输出电流太小，晶闸管无法导通，就会出现一些不规则的杂乱波形。

3.3.3、结果分析

由以上分析可看出如下几点：

（1）三相全控桥式整流电路在任何时刻必须保证有两个不同组的晶闸管同时导通才能构成回路。

换流只在本组内进行，每隔120°换流一次。

由于共阴极组与共阳极组换流点相隔60°，所以每隔60°有一个元件换流。

同组内各晶闸管的触发脉冲相位差为120°，接在同一相的两个元件的触发脉冲相位差为180°，而相邻两脉冲的相位差是60°。

（2）为了保证整流装置启动时共阴与共阳两组各有一个晶闸管导通或电流断续后能使关断的晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲。

采用宽脉冲（必须大于60°、小于120°，一般取80°～100°）或双窄脉冲（在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲间隔为60°）都可达到上述目的。

双窄脉冲触发电路虽然复杂，但可减小触发电路功率与脉冲变压器体积，所以较多采用。

（3）整流输出电压ud由线电压波头uab、uac、ubc、uba、uca和ucb组成，其波形是上述线电压的包络线。

可以看出，三相全控桥式整流电压ud在一个周期内脉动6次，脉动频率为300Hz，比三相半波大一倍（相当于6相）。

（4）流过变压器次级的电流和电源线电流的波形可看出，由于变压器采用△/Y接法，使电源线电流为正、负面积相等的阶梯波，更接近正弦波，谐波影响小，因此在整流电路中，三相变压器多采用△/Y或Y/△接法。

（5）晶闸管所承受的电压波形可看出，在第

（1）、

（2）两段的120°范围内，因为V1导通，故V1承受的电压为零；在第（3）、（4）两段的120°范围内，因V3导通，所以V1管承受反向线电压uab；在第（5）、（6）两段的120°范围内，因V5导通，所以V1管承受反向线电压uac。

同理也可分析其它管子所承受电压的情况。

当α变化时，管子电压波形也有规律地变化。

（6）脉冲的移相范围在大电感负载时为0°～90°。

顺便指出，当电路接电阻性负载时，当α＞60°时波形断续，晶闸管的导通要维持到线电压过零反向后才关断，移相范围为0°～120°。

（7）流过晶闸管的电流与三相半波时相同，电流的平均值和有效值分别为

当α＞0°时，每个晶闸管都不在自然换流点换流，而是后移一个α角开始换流，图2-14、2-15、2-16为α=30°、60°、90°时电路的波形。

从图中可见，当α≤60°时，ud的波形均为正值，其分析方法与α=0°时相同。

当α＞60°时，由于电感L的感应电势的作用，ud的波形出现负值，但正面积大于负面积，平均电压Ud仍为正值。

当α=90°时，正、负面积相等，输出电压Ud=0。

四、参数及元件

4.1、参数计算

1）三相变压器输出电压有效值50V

设计要求输出电压范围50V~100V

因为

（0≤α≤60）

（60≤α≤120）

所以控制角α的取值范围是31.3°≤α≤64.9°

2）直流侧最大输出电流：

10A

I2=8.16A

变压器容量为S=3U2I2=3×50V×8.16A=1224V·A

4）效率

4.2、元件选取

1）直流稳压电路用变压器（220V/18V25V·A），4个二极管（IN4001），电容（100uF35V）三端稳压器件7815组成电路提供15V直流电，供芯片使用

2）晶闸管的选择

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流过晶闸管的额定电流为

考虑2倍的安全余量，晶闸管电压额定为

额定电流为

可选型号为KP10-5

3）变压器选择

主电路变压器380V/50V1.5KV·A

控制电路变压器380V/30V

4）电阻电容选择

可变电阻R6、R7、R8取值10K，取VCC/2电压电阻采用2个20K电阻。

而C2、C3、C4为滤波电容，它与R9、R10、R11构成滤去同步电压中毛刺的环节。

他们取值分别为1uF200KΩ

电容Ca、Cb、Cc为产生矩形波电容，当他们取0.15uF时，矩形波线性最好。

电容Cx决定调制脉冲宽度，为了产生稳定的双脉冲，取值0.15uF。

脉冲输出电流在15V电源工作下最大为10mA，而光电耦合器的驱动电流为40mA。

所以要用三级管进行电流放大。

三极管用9013，其电流放大倍数大约为150倍，脉冲输出电压为14V，可以得出基极电阻阻值取为47Ω。

集电极电阻取300Ω。

移相控制电压取样电阻，取1个51KΩ、1个220KΩ固定电阻和1个100KΩ可调电阻，则可以取到的电压范围是

1.95V~5.8V理论移相范围为23.5°~69.5°

过电压保护电压采样电阻，取1个100KΩ和1个10KΩ的电阻，若输出电压为100V，采样电压为9.1V，则电压比较器的比较电压应设定为9.1V。

电压比较器电压取样可调电阻取100KΩ可调

蜂鸣器KDB-23L090-3.3，其限流电阻取200Ω

RC过压抑制电路，电阻取51K，电容取1uF。

5）过流继电器采用LL-12A

6）熔断丝选择

交流熔断丝F4、F5、F7选取10A，直流熔断丝F6选取12.5A

五、保护电路

随着科学技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用。

同时，开关电源技术在不断地创新，这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。

但是由于开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，在使用过程中给用户带来很大不便。

为了保护开关电源自身和负载的安全，根据了直流开关电源的原理和特点，设计了过电流保护、过电压保护。

5.1、过电流保护

①输入过电流保护

当电路输入交流电流过大时，熔断丝会烧断

②输出过电流保护

在直流开关电源电路中，为了保护晶闸管在电路短路、电流增大时不被烧毁，需在输出端加过电流保护电路。

其基本方法是，当输出电流超过某一值时，过流继电器动作，从而给芯片一个信号，使其不输出脉冲，从而关断晶闸管，输出电流也就随着降低。

如上图所示，当输出电流超过12A的临界值时，过流继电器吸合，从而给芯片一个高电平，使其不输出脉冲，从而关断晶闸管，输出电流也就随着降低，从而达到保护目的。

熔断丝的作用是当继电器损坏后，其失去保护效果，电流继续增大，当电流超过12.5A时，熔断丝就会烧断，从而断开输出回路，输出电流为0。

蜂鸣器的作用是当电流输出过大时，蜂鸣器产生间断的声音信号，从而提醒用户检查输出回路或者降低输出电压，以减小输出电流。

5.2、过电压保护

直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。

如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源（诸如蓄电池和整流器）的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此开关电源中有必要使用输入过电压保护电路。

①输入过电压保护

如图为简单的RC过电压抑制电路，通常用于交流侧过电压抑制的连接方式。

由于电容两端电压不能突变，当交流输入电压产生波动时，电容两端的电压不会突变，与电容串联的电阻将消耗部分产生过电压的能量，从而抑制过电压。

②输出过电压保护

图5 输出过电压保护

  如图为输出过电压保护，在输出端并联2个大阻值的电阻，其作用是将输出电压降低，然后将降低后的输出电压接入电压比较器的同相输入端，方向输入端接可调电阻，其作用是产生一个比较电压。

当输出电压过大时，其降压后的电压也增大，当电压增大到超过比较电压时，集成运放输出高电平，从而使芯片不输出脉冲，关断晶闸管，降低输出电压。

六、实验总结

通过为期一周的电力电子课程设计，我们完成了一个三相全控桥式整流电路的工程应用的课程设计。

这个看似简单的设计，并没有想象中的那么简单，反而是遇到了一些困难，也花费了很多的心血在里面。

通过这次课程设计，我们再一次的通过实际应用理解了三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串起来组成的电路，也对其用protel画电路图，有了更进一步的认识和理解。

对于理论知识的吸收、理解和应用，有了很大的在课堂上不可能得到的提高。

在这次设计过程中，我最深刻的认识就是，课程设计的过程中可以把学到的知识横向比较的来进行理解，例如在这次的设计过程中，我们遇到了一个小问题，那就是：

在电感性负载时三相桥式半控整流电路和单相桥式半控电路有什么相似之处？

三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路有什么区别？

这个问题在课本中都很难得到准确的答案的，因为课本中的理论知识是以章节的形式出现的，是独立的纵向的知识结构。

在课程设计中，锻炼了我们把知识横向比较和运用的能力。

这样的方法可以更深刻的理解知识，把握理论的要点。

通过这次设计，我们深刻的理解了书本理论知识到实际应用层面的转化，是一个质变的过程。

而这个质变的过程正是以量变为基础的，没有扎实的理论知识作为基础，是不可能有实际工程应用的转变的。

这也告诉我们了一个道理，大学里学到的知识并不是用来应付那简单的期末考试的，更重要的是要用到实际应用中，有言道：

“实践是检验真理的唯一标准”，这次课程设计正是给我们提供了一个这样的平台来检验自己学到的真理。

还有很重要的一点，那就是实验室的老师，给我们提供了很大的帮助。

在我们课程设计遇到困难的时候、在我们对设计一筹莫展的时候，是老师给我们指明了方向，提出了