精品毕业论文三相桥式整流电路设计

摘 要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。关键词：整流，变压，触发，过电压，保护电路目 录第1章 三相桥式整流原理4第2章 系统主电路52.1 三相全控桥的工作原理52.2阻感负载时的波形分析5第3章 触发电路设计73.1芯片的连接73.2 触发电路原理说明8第4章 保护电路的设计104.1 晶闸管的保护电路104.2 直流侧阻容保护电路11第5章 参数的计算125.1 整流变压器参数125.2 晶闸管参数13第6章 MATLAB 建模与仿真146.1 MATLAB建模146.2 MATLAB 仿真166.3 仿真结构分析18心得体会19第1章 三相桥式整流原理目前，在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。习惯将电路中阴极连在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。三相桥式全控整流电路通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管电路得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因素下运行。本设计中，主电路由三大部分构成，分别为主电路、触发电路、保护电路。接通电路时，主电路通电，同时触发电路也通电工作，形成触发脉冲(图中省略了三片KJ004)，使主电路中的晶闸管导通工作。系统原理图如图1.1。图1-1 三相桥式全控整流电路原理图第2章 系统主电路2.1 三相全控桥的工作原理如图2-1所示，为三相桥式整流电路为电动机提供电源。由于考虑此安全绕组电感和电阻，故为三相桥式整流电路带阻感负载。图中，变压器一次侧为三角形连接，二次侧为星型连接。晶闸管按从1到6的顺序导通，为电机提供持续的直流电压。图2-1 三相桥式全控整流电路带电动机（阻感）负载原理图2.2阻感负载时的波形分析三相桥式整流电路带阻感负载运行时，当触发角小于60度时，其波形与带电阻负载相同，波形如图2-2和2-3所示。图2-2 触发角为0度时的波形图 图2-3 触发角为30时的波形图当触发角大于60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。图2-4给出了=90度时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90度。图2-4 触发角为90时的波形图 第3章 触发电路设计 3.1芯片的连接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。图3-1 双脉冲触发电路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。触发电路如图5所示。3.2 触发电路原理说明 如图5所示，触发电压的形成用KJ004芯片完成。KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。KJ004芯片内部结构如图6所示。图3-2 KJ004芯片内部结构图双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。如图5所示，KJ041的1-6脚管为单脉冲信号输入。把单脉冲信号由10-15脚管两两同时输出形成双脉冲信号，10-15脚管两两同时输出对应输送给VT6-VT1晶闸管。 （1）假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号，则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号，即只有15脚管和14脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，则此时VT1和VT2同时导通；（2）再过60度后，15脚管停止输出信号，而13脚管开始给VT3输出信号，即只有14脚管和13脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，此时VT2和VT3同时导通；（3）再过60度后，14脚管停止输出信号，而12脚管开始给VT4输出信号，即只有13脚管和12脚管有信号输出，其他脚管没有输出信号，此时VT3和VT4同时导通； （4）再过60度后，13脚管停止输出信号，而11脚管开始给VT5输出信号，即只有12脚管和11脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通； （5）再过60度后，12脚管停止输出信号，而10脚管开始给VT6输出信号，即只有11脚管和10脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通； （6）再过60度后，11脚管停止输出信号，而15脚管开始给VT1输出信号，即只有10脚管和15脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通；。第4章 保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：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、快速熔断器等；另一种则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，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1 晶闸管的保护电路 晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图4-1所示：图4-1串联电感及熔断器抑制回路 晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图4-2所示：图4-2并联RC电路阻容吸收回路4.2 直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。图4-3直流侧阻容保护第5章 参数的计算5.1 整流变压器参数由系统要求可知，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： （公式1） 变比为： （公式2变压器一次和二次侧的相电流计算公式为： 公式3 公式4而在三相桥式全控中 公式5 公式6所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为： 公式7变压器初级容量为： 公式8变压器容量为： 公式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10kW。5.2 晶闸管参数 晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形（图2-4）分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 公式10故桥臂的工作电压幅值为： 公式11 考虑裕量，则额定电压为： 公式12 晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为： 公式13考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：公式14第6章 MATLAB 建模与仿真6.1 MATLAB建模(1)三相桥式全控整流器的建模、参数设置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-pulse thyristor）仿真模块。参数设定如图6-1所示：图6-1 通用桥参数设置图(2) 同步电源与6脉冲触发器的封装同步电源与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： 建立一个新的模型窗口，命名为TBCF； 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voltage Measurement（电压测量模块）、1个6-Pulse Generator（脉冲触发器）。按图6-2连线。图6-2 触发器模块连接图 进行封装，封装图如图6-3所示。图6-3 封装图(3) 三相桥式全控整流电路的建模、参数设置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5-4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179.6V，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。DC的参数为-220V可设为任意值。图6-4 三相桥式全控整流电路仿真图6.2 MATLAB 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6-5 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6-6 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6-7 触发角为90度时ud、id的波形图6.3 仿真结构分析由仿真出的触发角分别为0度、30度和90度的Ud、Id波形图和图2-2图2-3、图2-4比较可知，三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，在负载电感足够大以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同、仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为： 公式17心得体会 设计，给人以创作的冲动。在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵；在建筑师眼中，设计是昔日鎏金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，但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。我就是以此心态对待此次电子技术课程设计的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点： 一、温故而知新。课程设计发端之始，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”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。 二、思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。 三、实践出真知。文革之后，关于真理的大讨论最终结果是“实践是检验真理的唯一标准”，自从耳闻以来，便一直以为马克思主义中国化生成的教条。时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。 四、创新求发展。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的