三相可控整流技术课程设计综述

1、一设计方案1.1设计任务及要求采用三相可控整流电路（三相全控桥、三相半控桥或三相半波整流电路），电阻-电感性（大电感）负载，R= 2.5 Q,额定负载Id = 20A,电流最大负载电流ldmax= 25A。 保证电流连续的最小电流为Idmi n = 5A。并完成三相可控主电路设计及参数计算，计算 整流变压器参数，选择整流元件的定额，触发电路设计，讨论晶闸管电路对电网的影响 及其功率因数。1.2方案论证1.2.1 主电路方案一：采用三相半波可控整流，三相半波整流电路的变压器二次侧必须接成星形， 而一次侧只能接成三角形，避免三次谐波流入电网，其主电路采用三个晶闸管分别接三 相电源，三相半波可控整流

2、电路的主要缺点在于其二次电流中含有直流分量，使得铁芯 容易磁化，一般比较少用。方案二：采用三相桥式全控整流电路，三相全控桥相当于两个三相半波整流的串联， 是运用最广泛的整流电路，其主电路有六个晶闸管，习惯分为共阴极组和共阳极组，由 于需要保证同时有两个晶闸管导通，一般采用双脉冲触发。方案三：三相半控桥式整流，在中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动中， 可采用比三相全控整流电路更简单、经济的三相桥式半控整流电路，它相当余把三相全 控桥的共阴极的晶闸管换为二极管，但是其缺相时容易发生故障。桥式整流电路中的晶闸管可以用全控型器件IGBT替代，但虽然IGBT控制更加灵活和准确，但是其成本比较高，且

3、控制电路要求高，所以一般对于不需要逆变的整流电路 多采用晶闸管。通过综合考虑，在本设计中采用三相全控桥式整流电路。1.2.2触发电路方案一：可以依据触发电路的原理，自己用基本元件设计，但是这种电路的可靠性 不高，工作不稳定且原理设计复杂。方案二：采用专门的集成芯片，用于产生各种电力电子器件触发脉冲的集成芯片有 很多，而且工作稳定，性价比高，且电路简单便于使用，常用的用于产生晶闸管触发脉 冲的芯片有KC041 KC04 TC785 TC787等，TC787和TC785是新一代产品，更便于控 制和使用。方案三：采用单片机产生触发脉冲，单片机结合外围器件来控制可控硅的触发。同 时，还将锁相环技术及过

4、零触发的方法引入触发脉冲的生成中，提高了触发脉冲的稳定 性以及对称性。此外，还可采用软件编程得到触发角可调的触发脉冲。单片机对三相全 波全控桥整流触发的控制。这对提高三相全波全控桥整流装置的可靠性具有积极作用。通过综合考虑，本设计采用TC787集成芯片做为触发电路的主体用来产生移相可达 0-180度，且脉冲宽度可调的触发电路。1.2.3控制电路方案一：控制TC787的管脚4的电压来改变触发角，其电压范围为 0-15V对应的触 发角为0-180度，可以通过滑动变阻器来改变管脚 4的电压来实现连续调压。方案二：通过单片机对输出电压采样，在经过PID算法，输出控制管脚4的电压，这种控制是闭环控制，输

5、出电压更加稳定，而且更加方便于监控和控制。考虑到设计的复杂度，本次设计采用比较简单的方案一。TC787还可以通过改变管脚13上的电容来改变脉冲宽度，一般采用可调电容或固定 电容。二单元电路设计2.1主电路2.1.1整流桥本设计中采用的三相全控桥由六个晶闸管组成，习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4 VT6VT2称为共阳极组。在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行 控制的，控制角都是a。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流 电压 为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式

6、晶闸管要求的 最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。为了分析方便，使三相全控桥的 六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶 闸管是这样编号的：晶闸管VT1和VT4接a相，晶闸管KP3和VT6接b相，晶管VT5和KP2接c相。晶闸管VT1、VT3 VT5组成共 阴极组，而晶闸管VT2、VT4 VT6组成共阳极组。为了搞清楚a变化时各晶闸管 的导通规律，分析输出波形的变化 规则，下面研究几个特殊控制角，先分析a =0的情况，也就是在自然 换相点触发换相时的情况，图2.1是电路接线图。具体 工作原理见第三章。图2.12.1.2触发电路图2.2为TC787在六相整流电路中的应用电路，

7、图中变压器二次侧的电压为 30V, 图中电容C8 C10 C12为隔直耦合电容，而 C7 C9 C11为滤波电容，它与 R7、R8 R11构成滤去同步电压中毛刺的环节。另一方面随 RP1RP三个电位器的不同调节，可实现060的移相，从而适应不同主变压器接法的需要。在同步信号为50HZ时，锯齿波充电电容建议采用1卩F电容，相对误差小于5%以锯齿波线性好，幅度大，不平顶 为宜，幅度小可减小电容值，产生平顶则增大电容值。引脚13端连接的电容Cx容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽，在同步信号为 50HZ 时，建议采用0.1uf电容。脉冲经过放大和脉冲变压器相耦合以达到隔

8、离的目的，如下 图所示：图2.22.2辅助电路2.2.1保护电路1晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被 反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅 使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压, 常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用RCD呆护，电路图如图2.4图2.32晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电 路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损

9、害管子。常 见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流 快速开关过电流保护。3交流侧保护电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通在短 时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容 保护。由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了 瞬时电压上升的水平。电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。串联的电阻可以消 耗部分能量，并可抑制LC回路的振荡。变压器一次侧阻容吸收装置如图2.5所示，变压器二次侧阻容吸收电路如图 2.6所示。|1n图2.5变压器一次侧阻容吸收电路n图2.6 变压

10、器二次侧阻容吸收电路2.2.2控制电路优于对整流的输出电压要有必要的调节，需要对触发角进行改变，TC787可以通过改变管脚4的电压来改变触发角，其电压0-15V与对应的触发角为0-180度。如下图所 示：+ 15系统的总体电路见附录RPGXD图2.7三电路分析及参数计算3.1带阻感负载的波形分析1图3.1为：.=0 、大电感负载时的电压电流波形。itu饥L3JLLJUII Ii 1Up111 怯1图3.1由三相半波电路分析可知，在共阴极组的自然换相点 t 1 t 3 t 5时刻，分别触 发、T3、T5晶闸管，而在共阳极组的自然换相点“2、“4、“6时刻，分别触发T2、T4、 T6晶闸管，两组自

11、然换相点对应相差60 ,电路各自在本组内换流，即T1 T T5 T1，T2 T4)T6 T2.，每个管子轮流导通120，为了使电流通过负载、并有输出电压，必 须在共阴极和共阳极组中各有一个晶闸管同时导通。在锐1锐2期间，a相电压较正，b相电压较负，在触发脉冲作用下，Ti、T6管同时导通，电流从a相经T1 负载T6流回b 相，负载上得到a、b相线电压。锐2开始，a相电压仍保持电位最高，但c相电压开始 比b相更负，此时脉冲Ug2触发T2导通，迫使T6承受反压而关断，负载电流从T6换到T2。 依此类推。总之，三相桥式全控整流电路中，晶闸管导通的顺序是6、1,1、2, 2、3,3、4, 4、5，5、6

12、，6、1.。这时，共阴极组输出电压波形是三相相电压正半周的包 络线，共阳极组输出负半周的包络线。 三相桥式全控整流的输出电压 Ud为两组输出电压 之和，是电压波形正负包络线之间的面积，所以Ud波形为三相相电压正半周的包络线。当控制角： 0时，输出电压波形发生变化，图 3.2 (a)、( b)、( c)、( d) 分别为：.=30、60、90、及120时的波形。从图中可见，当乞60时，ud波形均 为正值；当60汇：90时，由于L自感电势的作用，Ud波形瞬时值出现负值，但正面积 大于负面积，平均电压Ud仍为正值；当：.=90时，正负面积相等，U=0;当: .90时, Ud波形断续，由于Ud接近于零

13、，id太小，晶闸管无法导通。因此当：.=120时，如图3.1(d)所示，出现不规则的杂乱波形。2在负载是阻感性负载时，理想状态下电感电流没有脉动，但实际运用中电感值有 限，会出现电流的脉动，在 VT1脉冲到来，VT1、VT5换流时，电流再次增长，使得电感 存储能量进一步减少，电流脉动相应增加，反之脉动则减少，所以为了维持电路中的最 小连续电流需要在电路中加入电抗器，也就是加入一个适当值的电感，使得电路能维持 最小电流。3.2参数计算3.2.1电压电流参数1兀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二q2*r/u2.可见，不仅传输有功功率要产生损耗，传输无功功率也同样要产生 损耗。

14、3无功功率的增大会引起供电电压的波动我们用r和x来分别代表线路电子和电抗，则电压压降为(3-15)LU =Pr Qx在电力系统中xr,因此，当系统电抗值一定，电压波动和系统无功功率的变化成 正比，即所以对于有相控整流电网，有必要在电网中添加无功功率补偿装置四MATLAB仿真4.1仿真电路图设计过程中采用matlab中的simulink进行模拟电路仿真，如下图 4.1所示:80I- IVoltaae Measuremer: + CdtlE0C:：jte alpha_deg|II ijnMI*SynchronizedJjPiil5E Generator + dCjtlECcnsianMVoHaqe

15、 MeasurementsVoagi： Measu,Hement4i jcjtieldlJd3JOUSHguiScopU肚能IdSeles R_CSeles R_CUniverssl Br deeVoltaqe MeasuirentJScopesSccpeSThree-PhaseProgrammable Voltage SourceContini卩o能I图4.1通过仿真可以观察电路的输出电压、电流波形以及幅值以及通过各个晶闸管的电流波形和电压波形，对电路的分析有重要作用。仿真过程中通过调整con sta nt的值来调整触发角，观察实时波形。4.2仿真结果各仿真结果如下所示:aro.mo2诙IN

16、150Iffl100llfl901(0BO30423S43K1(KE0.03o0.01D.B2QQ336623ISOIfflItD100140阿-13)II-III50-印1035就-110K00TetHisac.hire训赋lradi 533Ttrem袋射Tiwcdnt 38JETmrsEt 337 E吧 DIE MPH”：009 01QD2 D.M O BQ5 HOE D.D?T0刨回$Scope、Scope2、Scope3依次为输出电流、输出电压、knpe回 *图 4.2 ：=0Q !kdpe24冒凰目2图 4.3 ：=3011 1 ,i iA A (v fh1:、s.1J. r7V：

17、rl1 j 1 gt111 t,fcr ItTTf1if，”1”,“l，”“1 (F1fU.u1.1 +- - -1.LJ.;:； i1 1iliii ;10.09 II11B11 111. -JJ1I111J1111 3毗:i珈 呱 皿 呱 皿 w 恢呱 o 如.00its C茁呱 册出no? a(p常二9 :图 4.4 ：=60图 4.5 :：=90总结这是本学期第一个课程设计。这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设 计，由于这是电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，这次课程设计的基 本原理自然也基本上理解了。在弄懂了设计原理后，首先要用MATLAB进行仿真，用Simul

18、ink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 Simuli nk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。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。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五人一组，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。致谢本文是在石黄霞老师精心指导和大力支持下完成的。石老师以其严谨求实的治学态 度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生 重要影响。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次 毕业设计过程中我也学到了许