三相半控桥式整流电路

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术课程设计（论文）电力电子技术课程设计（论文） 题目：题目：220V100A三相半控桥式整流电路三相半控桥式整流电路 院（系）：院（系）： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2013.12.16-2013.12.27 本科生课程设计（论文） II 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工 程 本科生课程设计（论文） III 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 220V100A三相半控桥式整流电路三相半控桥式整流电路 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能：实现功能： 设计 1 台额定电压 220V、功率为 20kW 的直流电动机提供直流可调电源， 以实现直流电动机的调速 技术参数：技术参数： 1、交流电源：三相 380V。2、整流输出电压 Ud在 0220V 连续可调。3、 整流输出电流最大值 100A。4、直流电动机负载。5、根据实际工作情况，最小 控制角取 20300左右。 设计任务：设计任务： 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择整流器件的具 体型号。4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。5、触发电路设计或 选择。6、绘制相关电路图。7、完成 4000 字左右说明书。 要求：要求： 1、1、文字在 4000 字左右。 2、2、文中的理论分析与计算要正确。 3、3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：主 电路设计；第 5 天：选择器件；第 6 天：确定变压器变比及容量；第 7 天：确 定平波电抗器；第 8 天：触发电路设计；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天： 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） IV 摘 要 本设计采用三相桥式半控整流电路，将三相桥式全控整流电路中的一组晶闸 管用三只二极管代替，就构成了三相桥式半控整流电路。只要控制三相桥中一组 晶闸管，就可以控制三相桥式半控整流电路的输出电压。本设计主要包括：主电 路设计、触发电路设计、保护电路设计。触发电路主要采用了三个 KJ004 和一个 KJ041 集成块，即可形成六路双脉冲，再由三个晶体管进行脉冲放大，即构成完 整的三相半控桥式整流电路的集成触发电路，其优点为所设计的触发电路为模拟 的，其优点是简单、可靠，但缺点为易受电网电压影响，触发脉冲的不对称程度 较高，经度较低。保护电路采用阻容吸收电路进行过电压保护，利用保险丝进行 过电流保护。 关键词：整流电路;三相桥式半控;晶闸管;KJ004 本科生课程设计（论文） V 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 整流电路技术概况 .1 1.2 整流电路主要研究内容 .2 第 2 章 220V/100A 三相半控桥式整流电路设计.3 2.1 220V/100A 三相半控桥式整流电路总体设计方案 .3 2.2 三相半控桥式整流电路具体电路设计 .4 2.2.1 主电路设计 .4 2.2.2 控制设计 .7 2.2.3 保护电路设计 .9 2.3 元器件型号选择 .10 第 3 章 课程设计总结 .11 参考文献 .12 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 整流电路技术概况 整流电路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。 整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动 性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整 流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合 电压。习惯上称单向脉动性直流电压。 电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种， 倍压整流电路用于其它交流信号的整流，例如用于发光二极管电平指示器电路中， 对音频信号进行整流。前三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性有所不同， 半波整流电路输出的电压只有半周，所以这种单向脉动性直流电主要成分仍然是 50Hz 的；因为输入交流市电的频率是 50Hz，半波整流电路去掉了交流电的半周， 没有改变单向脉动性直流电中交流成分的频率；全波和桥式整流电路相同，用到 了输入交流电压的正、负半周，使频率扩大一倍为 100Hz，所以这种单向脉动性 直流电的交流成分主要成分是 100Hz 的，这是因为整流电路将输入交流电压的一 个半周转换了极性，使输出的直流脉动性电压的频率比输入交流电压提高了一倍， 这一频率的提高有利于滤波电路的滤波。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 整流电路主要研究内容 本文主要研究三相半控桥式整流电路。 实现功能： 设计 1 台额定电压 220V、功率为 20kW 的直流电动机提供直流可调电源，以 实现直流电动机的调速。 技术参数： 1、交流电源：三相 380V。 2、整流输出电压 Ud在 0220V 连续可调。 3、整流输出电流最大值 100A。 4、直流电动机负载。 5、根据实际工作情况，最小控制角取 20300左右。 主要设计： 1、主电路设计。 2、触发电路设计。 3、保护电路设计。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 220V/100A 三相半控桥式整流电路设计 2.1 220V/100A 三相半控桥式整流电路总体设计方案 在对于三相桥式半控整流电路的设计中，主要分为四个部分： 1 供电方案：采用三相交流电源通过变压器向整流电路供电。 2 主电路的设计：使用三相半控桥式整流电路，设置相关电流电压相位角等 参数来达到设计的要求指标。 3 触发电路的设计：采用了三个 KJ004 和一个 KJ041 集成块，即可形成六路 双脉冲，再由三个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相半控桥式整流电路的 集成触发电路。 4 保护电路的设计：保护电路采用阻容吸收电路进行过电压保护，利用保险 丝进行过电流保护。 整个设计的结构框图如图 2.1 所示。当接通电源时，三相桥式半控整流电路 主电路通电，同时集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管 触发导通工作，经过整流后的直流电供给负载使用。 图 2.1 总体框图 电源三相半控桥式整流电路负载 集成触发器 本科生课程设计（论文） 4 2.2 三相半控桥式整流电路具体电路设计 2.2.1 主电路设计 将三相桥式全控整流电路中的一组晶闸管用三只二极管代替，就构成了三相 桥式半控整流电路。只要控制三相桥中一组晶闸管，就可以控制三相桥式半控整 流电路的输出电压，它较全控桥更简单、经济。习惯上希望各管按从 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 VD4、VD6、VD2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管 的导通顺序为 VT1VD2VT3VD4VT5VD6。 图 2.2 主电路电路图 三相桥式半控整流电路是由共阴极接法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，因此这种电路兼有可控与不可控整流电 路两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换相点换流，使电流换到比 阴极电位更低的一相中去，而共阴极组的三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极 电位高的一相中去。输出整流电压 Ud的波形是三组整流电压波形之和，改变共 阳极组晶闸管的控制角可获得 0-2.34U2的直流可调电压。 本科生课程设计（论文） 5 图 2.2 中 VT1、VT3和 VT5为触发脉冲相位互差 120的晶闸管，VD2、VD4 和 VD6为整流二极管，有这六个管子组成三相桥式半控整流电路。它们的导通顺 序依次为：VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6，各管一个周期内工作情况如表 1。假定负载电感 L 足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值， 因此不论控制角为何值，负载电流总是单向流动，而且变化很小。 表 1 一个周期中参与导通的管子及输出整流电压的情况 当= 0时即触发脉冲在自然换相点出现时，整流电路输出电压最大，其数 值为 2.34U2，ud波形与三相全控桥式整流电路在= 0时输出的电压波形一样。 当时，如图 2.3 所示的为= 30时的波形。时,触发 VT1管导通， 60 1 t 此时共阳极组二极管 VD6阴极电位最低，所以 VT1和 VD6导通，负载电压 ud=uab。时，共阳极组二极管 2t 自然换流，VD2导通，VD6关断， 负载电压 ud=uac。时，虽然到 3t 了共阴极组自然换相点，但 VT3的触发脉冲未到，所以 VT1继续导通，直到 时刻为止。时， 触发 VT3管导通后使 VT1管承受反向电压而关断，负载 4t4t 时段 共阴极组 导通的晶 闸管 VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组 导通的晶 闸管 VD6VD2VD2VD4VD4VD6 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 本科生课程设计（论文） 6 电压 ud=ubc。以次类推，负载上得到的波形 ud在一个周期内得到的是三个缺角波 头连接三个完整波头的脉动波形。 图 2.3 =30时的波形 当= 60时，ud波形刚好只剩下三个波头，波形刚好维持连续。 当时,ud波形如图 2.4 所示，波形不连续，但由于有续流二极管 18060 的存在，ud波形与电阻负载时一样不会出现负的部分。VT1管在 Uac电压的作用 下, 时刻开始导通,到时刻 A 相相电压为零 VT1管仍不会关断,因为使 VT1 1 t2t 管正向导通的不是相电压而是线电压,到时刻 Uac=0,VT1 才关断，再由续流二 3t 极管续流。在 3t 期间,VT3虽受 Uab正向电压，但门极无触发脉冲，故 VT3不导通，波形出现 4t 断续。到时刻，VT3才触发导通，一直到 Uba线电压为零时关断。 4t 角的移相范围为 0180。 本科生课程设计（论文） 7 图 2.4 60180的波形 2.2.2 控制设计 同步信号为锯齿波的触发电路由脉冲形成环节，锯齿波形成，脉冲移相，同 步环节和双窄脉冲形成环节。在本学期课程中我们学到的是三相全控桥的触发电 路。举一反三的来说，三相半控桥的触发和全控桥不同的是：全控桥在其合闸启 动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管 均有脉冲，而半控桥中，只需触发一组晶闸管，另一组二极管是自然导通。但两 者都是间隔 120 度触发，故本次设计中仍可沿用三相全控桥的触发电路，将多出 的端口不接到二极管即可实现。 下面分析全控桥触发方式，对三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中 或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。 为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于 60（一般取 80100） ，称为宽 脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前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 60，脉宽一般为 2030， 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。宽脉冲触 发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做得较大， 绕组匝数较多，导致漏感增大。因此，常用的是双脉冲触发。所以三相半控桥式 本科生课程设计（论文） 8 整流电路也采用锯齿波双窄脉冲同步触发电路。 常用的三相桥式整流电路的集成触发电路是由三个 KJ004 集成块和一个 KJ041 集成块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。 图 2.5 KJ004 电路原理图 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。电原理见图 2.5：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，可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为任意值。 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。 1112 16 1 15 1413943 5 7 8 R23 +15V+15V +15V RP1R24 R2 R20 RP4 R5 R1R3R4R6R7R8 R12 R10R11R14 R19 R13 R25 R26 R27 R28 R20R22 R16 R17 R21 R18 R15 V3 V2 V1 V18 V19 V20 V4V5V6 V12 V13 V14 V15 V16 V9 V10 V11 V8 V7 V17 VS5 VS1 VS2 VS3 VS4 VS6 VS7 VS8 VS9 VD1 VD2 VD3 VD4VD5 VD6 VD7 C1 C2 ubuco us 本科生课程设计（论文） 9 集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电 路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。 图 2.6 三相全控桥整流电路的集成触发电路 2.2.3 保护电路设计 电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。如图 2.7 所 示，为过电流、过电压保护电路。在过电流保护电路时，晶闸管串联一个保险丝， 当电流过大而导致晶闸管击穿，保险丝就会熔断，进而保护电路。设备在运行过 程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设 备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。对于大容量的电力电子装置， 可采用阻容吸收电路，以雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管 等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。其电路图如图 2.7，达 到保护目的。 本科生课程设计（论文） 10 图 2.7 过电流、过电压保护电路 2.3 元器件型号选择 （1）输出电压、电流平均值的计算 三相桥式半控整流电路阻感负载平均电压的计算要分别考虑电压波形连续 d U 和断续的情况。 电压波形连续时(，)： 60 180120 电压波形断续时（）： 18060 )cos1 (17 . 1 )(d 3 (sin6)(sin6 2 3 2 3 2 3 2 3 2 22 UttUttdUUd ） 本科生课程设计（论文） 11 由此可见， )cos1 (17 . 1 2 UUd 输出电流平均值为：Id=Ud/Rd 由于晶闸管交替工作，流过晶闸管的平均电流为：Idt=Id （2）的范围及变压器参数计算 将 Ud=0-220V 带入表达式： 当 Ud=0 时，=180，因要求最小控制角应在 20300，所以当 Ud=220V 时， Ud=1.17U2(1+cos) ,所以 U2=100V。因此二次侧电压应为 100V。 所以：30180 三相交流电源，线电压为 380V，则一次侧的有效值为 U1=220V，变压器变比 K=U1/U2=220/100=2.20 变压器容量 S=U2*I2=3* U2*Id=1.732*100*100=1.7*104W （3）晶闸管额定参数的计算 晶闸管和二极管承受的最大电压为：UVTM=UVDM=6U2= 245V 故晶闸管的额定电压为：UN=（23）*245V=490735V 流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT=IVD=Id/3,Id=100A,IVT=57.7A 故晶闸管的额定电流为：IN=（1.52）*57.7/1.57=55.173.5A 根据本次设计的要求,所选取的晶闸管额定电压为 700V,额定电流为 60A,则 所需要的三个晶闸管均要符