大功率整流装置研究与设计3

1、摘 要在有色冶金企业中许多金属的电解都需要用到直流电源，如铜、锌、铝等，而一般从发电厂或变电所送来的都是交流电，所以必须用整流装置将交流电转变为直流电。由于硅整流器效率高、体积小、运行可靠、维护简单，所以高效大功率整流装置在实际工业中得到广泛应用。电解整流设备采用三相桥式半控整流电路，利用可控硅组件单向导电的特性，使两组双反星电路邻近部分铜排内流过的电流，在任何瞬间均大小相等方向相反，从而减少各部分线路电抗，并增加相间臂间阻抗的对称性。本设计首先介绍电力电子技术的应用及电力电子器件的发展，然后重点设计了直流整流器的主电路（三相桥式半控整流器），讲述它的工作过程、波形以及主电路中所用器件的参数计

2、算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。其次设计了晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节，以及相对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。关键词：电力电子技术；晶闸管；整流器；二极管 AbstractRecently, with the power electronic technology rapid development, the power electronic technology has widely applied in each domain. The direct current voltage regulator

3、 is developed on basis of the power electronic technology. It is one of the power electronic technology essential features: By the small signal input control very big power output, the enlargement factor is enormous, this is why the power electronic installed between the strongly and weakness as a c

4、onnection. One can obtain the energy conservation that the high production, environmental protection, highly effective, redundant reliability and the safe good benefit by the use of this characteristic.This paper firstly introduces the application of the power electronic technology and the power ele

5、ctronic devices development, then introduced the work process of the direct current pressure regulator main circuit (three-phase bridge type partly controls rectifier), the profile as well as the main circuit use the component the parameter computation, and uses equipment and so on crystal thyratron

6、, choice the equipment according to the parameter value. Next introduced the crystal thyratron triggers the electric circuit and the constitution triggers the electric circuit each link working condition, as well as is opposites in the main circuit each kind of protection circuit design and its the

7、parameter computation, and acts according to each kind of parameter value which figures out to determine uses the component the rated value. Key word：Power electronic technology，Thyristor，Rectifier，Diode- I -目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究现状21.3 本课题的研究内容与目标22 晶闸管42.1 晶闸管工作原理42.2 晶闸管

8、的伏安特性与主要参数52.2.1 晶闸管的伏安特性52.2.2 晶闸管的主要特性参数63 晶闸管相控触发电路83.1 触发电路的选择83.2 同步信号为锯齿波的晶闸管触发电路93.2.1 脉冲形成与放大93.2.2 锯齿波形成及脉冲移相113.2.3 锯齿波同步电压的形成133.3 强触发电路143.4 防止误触发的措施144 整流装置主电路154.1 整流器主电路接线方式的确定154.2 主电路的结构164.3 主电路工作过程164.3.1 换相规律164.3.2 电阻负载174.4 整流器电参数计算224.4.1 整流变压器额定参数计算224.4.2 晶闸管额定参数计算234.4.3 功率

9、二极管参数计算244.5 整流器件选择254.6 谐波危害及治理254.6.1 整流电路的谐波电流264.6.2 谐波的危害及影响264.6.3 谐波治理的基本方法265 保护电路295.1 晶闸管过电压及过电压保护295.1.1 晶闸管关断过电压(换流过电压)及其保护295.1.2 晶闸管阻容保护参数计算295.2 交流侧过电压及其保护305.2.1 交流侧过电压的产生305.2.2 交流侧保护电路315.2.3 RC阻容保护参数计算315.3 直流侧过电压及其保护345.4 du/dt与di/dt的限制345.4.1 du/dt的限制355.4.2 di/dt的抑制356 散热器的选择37

10、6.1 晶闸管的发热计算376.2 冷却方式的选择38结 论39致 谢40参 考 文 献41- III -1 绪论1.1 课题背景与意义高效大功率电解整流设备广泛应用于有色金属电解、化工行业的电解、电化学等场合。如电解铜、铝、镍、锌、金、银、食盐等。1948年普通晶体管的发明引起了电子工业革命，半导体器件首先应用于小功率领域，如通讯、信息处理的计算机等。1958年从美国通用电气公司研制成功第一个工业用的普通晶闸管开始，大大扩展了半导体器件功率控制的范围。电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。随着电力电子技术和控制技术

11、的不断发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各个领域，其典型的用途包括：电化学、直流传动、交流传动、电镀及电加工、电机励磁、中频感应加热、直流输电及无功补偿等，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术。国内外电化学整流电源的发展是与电力半导体器件制造技术和电力电子技术的发展紧密相关的。随着大功率半导体器件制造技术的不断进步，我国有色、冶金、氯碱化工工业用的电化学用大功率整流电源亦取得了较大的发展，尤其通过引进、消化、吸收国外大功率半导体器件的制造技术和测试技术以及电化学整流设备的设计技术、制造技术和控制技术，使我国电化学整流电源的设计制造水平迅速提高，整机的可靠性水平已达到国

12、外同类产品九十年代初期的先进水平。近年来电力电子技术发展异常迅速，新型元器件频繁换代、层出不穷，应用领域不断扩大，日趋成熟。电力电子技术在生产自动化、节能降耗、信息技术和日用电器等多方面越来越产生着举足轻重的影响。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的。早在20世纪三四十年代，人们就开始应用电机组、贡弧整流器、闸流管、电抗器、接触器等进行对电能的变换和控制，这样的变流装置存在着以下明显的缺点：如功率放大倍数低，相应慢，体积大，功耗大，效率低和噪声大。20世纪50年代初，普通的整流器SR(Semiconductor Rectifier)开始使用，实际上已经开始取代贡弧整流器。但电力

13、电子技术真正的开始是由于19571958年第一个反向阻断型可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)的诞生，后称晶闸管(Thyristor)。一方面由于其功率变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，是电子技术步入了功率领域。变流装置有旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。 20世纪70年代后期，尤其是20世纪80年代以后各种高速、大功率、全控型的器件先后问世，并获得迅速发展。如可关断晶闸管GTO(Gate-turn-off-thyristor)、大功率(巨型)晶体管GTR(Gia

14、nt transistor)、功率场效应晶体管Power MOSFET（Metal-Oxide Semiconductor）等。随着集成工艺的提高和突破，20世纪80年代中期电力电子的另一个重要进展是诞生了功率集成电路，也称PIC（Power IC）和智能功率模块IPM（intelligent power model）。这些期间实现了功率器件与电路的总体集成，它使微电子技术与电子技术相辅相成，把信息科学融入功率变换。新型的电力半导体器件的特点是：全控化、集成化、高频化、高效率、低谐波、高功率因数、变换器小型化、控制技术数字化和微机化。电力半导体器件特性的每一步新发展都引起了变换电路和控制技术的

15、相应突破。总之，电力电子装置在减小体积和重量、提高效率、增加快速性以及增高电压、扩大电流、提高频率等方面均会有较大的进展。由于有性能优良的电力半导体开关器件、性能大为改善的磁性和绝缘材料、计算机、大规模集成电路技术、频率高达兆赫及的电能处理方法、新型电路拓扑结构及分析方法的不断突破，使今天的电力电子技术具有全新面貌1。1.2 课题研究现状传统的整流器主要使用变压器的原理根据所需电压的大小来进行调节，这种整流器存在着调压范围窄、装置体积大、不易操作、谐波干扰等诸多问题。随着电力电子技术的迅速发展，利用可控整流器，通过控制晶闸管导通和关段的时间进行调压。相控晶闸管具有对称的阻断特性和较低响应速度，

16、这类整流的特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。相控整流器存在的问题是产生低次谐波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严重影响。我国目前总共有电解整流电源近1000台套，装机总容量2000MW。其中绝大多数电解电源设备技术落后，效率低下，能耗严重，严重制约了电解产品产量和质量的提高。另外，我国目前能源供应紧张，电能短缺，对于用电大户，节能降耗意义十分重大。因此，无论是企业内部的提质降耗，还是国家的宏观政策引导，电解用整流电源大批更新换代刻不容缓。1.3 本课题的研究内容与目标根据电力电子器件以及电力电子技术对整流电路进行设计，计算出相关元器件的数值，熟练掌握

17、晶闸管及整流管的工作特性。结合所学的知识设计晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节的工作状况；其次设计主电路（三相桥式半控整流器），阐述三相桥式半控整流器的工作过程及波形；主电路中所用器件的参数计算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。从而使整流装置的各项指标达到设计的要求。对于主电路中的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值。2 晶闸管2.1 晶闸管工作原理晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、 N1、P2、N2四个区如图2.1所示。P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门极G。四个区形成J1、J2、J3三个PN结。如果

18、正向电压(阳极高于阴极)加到器件上，则J2处于反向偏状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过2。图2.1 晶闸管的双晶体模型及工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理当管子阳极与阴极加上反向电压时，J1、J3结处于反向阻断状态；当加上正向电压时J2结处于反向阻断状态，管子仍不导通。若此时门极与阴极问加上正向电压UG使门极G流入一定大小的电流IG，晶闸管就会像二极管一样正向导通。由此可见，晶闸管与二极管一样具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极。与二极管不同的是晶闸管具有正向阻断特性，当加上正向电压时管子还不能导通。必须同时加上门

19、极电压，有足够的门极电流流人后才能使晶闸管正向导通。因此晶闸管具有正向导通的可控持性，这种以电流输入来控制导通的器件称为电流控制器件。晶闸管通入门极电流IG使其导通的过程称为触发，管子一旦触发导通后门极就失去控制作用。这种门极可触发导通但无法使其关断的器件称为半控器件。要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源电压或增加阳极回路电阻，使流过管子的阴极电流IA减小，当IA减至一定值(一般为几十毫安)时，IA会突然降为零，之后即使再调高电压或减小电阻电流仍不会增大，说明管子已恢复正向阻断，当门极断开时，维持管子导通所需的最小阳极电流为维持电流IH，因此管子关断的条件是IA<IH。2.2 晶闸

20、管的伏安特性与主要参数2.2.1 晶闸管的伏安特性晶闸管伏安特性如图2.2所示，当IG=0时，晶闸管正向电压UA增大到正向转折电压Ubo前，器件处于正向阻断状态，其正向漏电流随UA电压增大而逐渐增大，当UA达到Ubo时管子突然从阻断状态转为导通。导通后器件的特性与整流二极管正向伏安特性相似。当通入门极电流且其足够大时，正向转折电压降至极小，使晶闸管像整流二极管一样，一加上正向阳极电压就导通，这种导通称为触发导通。当已导通的管子其阳极电流IA减小到IH（维持电流）时，管子又从导通返回正向阻断，晶闸管只能稳定工作在阻断与导通两个状态1。图2.2 晶闸管伏安特性晶闸管加反向阳极电压时，只流过很小的反

21、向漏电流，当反向电压升高到UR0时管子反向击穿损坏，UR0则称为反向击穿电压。综上所述，可得出如下结论：(1) 门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一般硅二极管的反向漏电流稍大，且随着管子正向阳极电压的增大而增大。当阳极电压升到足够大Ubo时，会使晶闸管导通，称为正向转折或“硬开通”。多次“硬开通”会损坏管子，晶闸管通常不允许这样工作。(2) 晶闸管加上正常阳极电压后还必须加上触发电压UG产生足够的触发电流IG才能使晶闸管加正向电压即从阻断状态转为导通状态，称为触发导通。如IG不够大，管子还不会导通但此时正向漏电流随IG的增大而显著增加。由于正反馈的作用，晶闸管只能稳定工作在“阻断”与“导通”（对

22、内部晶体管来说是饱和导通）两个状态，中间状态不能停留，具有双稳开关特性。晶闸管像接触器一样，可以用很小的门极电流（毫安级）控制很大的阳极电流（几十至几百安培）的晶闸管的导通。晶闸管阻断时漏电流小，导通时压降小，是一种理想的无触点功率开关元件。(3) 晶闸管一旦被触发导通后，门极完全失去控制作用。要关断已经导通的晶闸管，必须使阳极电流IG小于维持电流IH，对于电阻负载，只要使管子阳极电压降为零即可。为了保证晶闸管可靠与迅速地关断，通常在管子阳极电压降为零之后，加一段时间的反向电压。对晶间管的三个电极，可从外观判断也可用万用表测量并且测其好坏。根据器件内部的三个PN结可知，阳极与阴极间、阳极与门极

23、间的正反向电阻均应在数百干欧以上，门极与阴极间的电阻通常为几十到几百欧，因器件内部阴极间有旁路电阻，故通常正反向阻值相差很小。注意：在测门极与阴极间的电阻时，不能使用万用表的高阻（10k）档。以防表内高压电池击穿门极的PN结。至于器件能否可靠触发导通，可用直流电源串联电灯与晶闸管，当门极与阳极接触一下后。如果管子导通灯亮，则说明管子是可触发的。2.2.2 晶闸管的主要特性参数(1) 额定电压UTn从图2.2伏安特性可见，当门极断开器件处于额定结温时，正向阻断曲线出现漏电流显著增加的电压为断态不重复峰值电压UDSM，同理URSM为反向不重复峰值电压。各乘0.9所得的值UDRM与URRM为正向与反

24、向重复峰值电压，器件的额定电压UTn即UDRM与URRM中较小值再靠取相近标准电压等级。由于晶闸管工作温度可能升高。在使用中会出现各种不可避免的瞬时过电压，因此在选用管子的额定电压时，应比工作电路中加在管子上的最大瞬时电压值UTM大23倍。(2) 额定电流IT(AV)IT(AV)亦称额定通态平均电流在室温40和规定的冷却条件下，器件在电阻负载流过正弦半波（导通角不小于170°）电路中，结温不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流值，将此值靠取相近电流等级即为器件的额定电流IT(AV)。由于晶闸管的电流过载能力极小，在选用时要至少考虑1.52倍的电流裕量。由公式2.1确定，即 （2.1

25、）式中，ITm流过管子的最大有效电流。(3) 门极触发电流与门极触发电压在室温下施加6V正向阳极电压，使管子完全导通所必须的最小门极电流，称门极触发电流IGT对应的门极触发电压为UGT。需要指出，在技术数据中所给出的最大触发电压和最大触发电流不是指允许值，而是指该型号的所有晶闸管都能触发导通所需的最小触发电压和电流，而且该触发电流是直流。在实际应用时，多采用脉冲电流来触发，因此触发脉冲电流幅值允许可达5倍的常规触发电流来进行触发。(4) 通态平均电压UTAV）在规定环境温度和标准散热条件下，管子流过额定正弦半波电流时，阳、阴极之间的平均电压称通态平均电压简称管压降。(5) 维持电流和掣住电流在

26、标准室温且门极断开时，管子从较大通态电流降至刚能保持导通的最小阳极电流称维持电流IH。额定电流大的管子其值IH亦大，结温降低时IH会增大。同型号的管子其IH各不相同，IH大的管子容易关断。晶闸管加上触发脉冲使其开通的过程中，当脉冲消失此时要保持管子维持导通所需的最小阴极电流值称为掣住电流IL，如管子在开通过程中阳极电流IA未上升到IL值，当触发脉冲去除后管子又会恢复阻断。通常对同一管子来说，IL比IH要大好几倍。(6) 晶闸管的开通时间与关断时间闸管在导通与阻断两个工作状态之间的转换并不是瞬时完成的，当工作在较高频率时必须考虑管子的开通与关断时间。普通晶闸管开通时间tgt在6µs左右

27、，快速晶闸管可达1µs。开通时间与门极触发脉冲前沿上升的陡度与幅值的大小、器件的结温、开通前的电压、开通后的电流以及负载电路的时间常数(L/R)有关，电感性负载时可达几十至几百微秒。关断时间tq在额定结温时，管子从切断正向电流到恢复正向阻断能力的这段时间称晶闸管关断时间tgt，它与管子结温、关断前阳极电流及所加反压的大小有关。普通晶闸管tq约在几十到几百微秒，快速晶闸管，其关断时间可短至1µs3。3 晶闸管相控触发电路3.1 触发电路的选择整流电路的功能通常是依靠电力半导体器件的可控性实现的，用于为电力半导体器件提供驱动信号的电路称为驱动电路。通过驱动电路去控制主电路中电力

28、电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因止驱动电路即触发电路是整流装置系统的核心组成部分。晶闸管变流电路的功能是依靠晶闸管正相导通的可控性实现的。晶闸管由正向阻断状态转为正相导通状态时，必须在门极与阴极间施加足够的正向电压。为了减少门极损耗并提高触发强度，触发电压常采用脉冲型信号。一般晶闸管变流电路的控制框图如图3.1所示。图中，同步电路获得与交流电源同步的正弦交流信号，并确定各元件自然换相点和移相范围；控制电路综合系统信息进行处理，产生和负载所需电压相适应的相位控制信号；移相控制电路接受相位控制信号，在移相范围内确定以自然换相点为计算起点的控制角，产生移相脉冲信号；驱动电路对该移相脉

29、冲信号进行整形处理，产生所需幅值和宽度的触发脉冲信号3。图3.1 晶闸管变流电路的控制框图触发电路的类型很多，各有特点。在选择触发电路时，应根据系统的要求合理选择。对于单相、三相半波和三相桥式半控整流电路，应选择单脉冲触发电路；对于三相桥式全控整流电路，应选择双窄脉冲或宽脉冲触发电路。对于一些容量不大、对触发要求不高的系统，选用结构简单的触发电路。由于本设计采用三相桥式半控整流电路，所以触发电路应选择同步信号为锯齿波的晶闸管触发电路。3.2 同步信号为锯齿波的晶闸管触发电路同步信号为锯齿波的触发电路由于受电网电压波动影响较小，所以广泛应用于整流和逆变电路。图3.2为一个晶闸管的触发电路，该电路

30、可分为：脉冲形成与放大、锯齿波形成及脉冲移相、同步、双脉冲形成和将触发等环节。图3.2 同步电压为锯齿波的触发电路3.2.1 脉冲形成与放大该部分电路图见图3.3所示，、管组成脉冲形成环节，、组成复合功率放大，触发脉冲经脉冲变压器T次级输出。参看图3.4波形，当控制电压0时，截止。+电源经供给管足够的基极电流使管饱和。管集电极电压，、处于截止状态，无脉冲输出。同时，+E1 (+15V)电源经、基射结到-(-15V)对电容充电；稳定时，电容两端电压（30V）。当时，导通，的集电极电压近似为零，A点电位降至lV左右。图3.3 脉冲形成与放大电路图3.4 脉冲的形成与放大波形由于电容两端电压不能突变

31、，所以基极电压迅速下降到(V)，管立即截止。它的集电极电压迅速上升，当时，、管导通，有脉冲输出。与此同时，电源+通过、向电容反向充电，逐渐从上升，当时，管又重新导通，使、管关断，输出脉冲结束。可见输出脉冲的时刻和宽度决定于的导通时间，并与时间常数有关。3.2.2 锯齿波形成及脉冲移相此部分电路如图3.5所示，由组成恒流源向电容充电，组成的同步开关控制恒流源对的充、放电过程。组成射随器，使前后级隔离，以减小后级对锯齿波线性的影响。图3.5 锯齿波形成及脉冲移相电路电路工作过程如下，当截止时，由管、DW稳压管、组成的恒流源以恒流对充电，两端电压为公式 （3.1）其电压呈线性增长，即关断基极呈线性增

32、长。调节可改变的大小，从而调节锯齿波斜率。当管导通时因很小，将迅速放电，迅速将为0左右，形成锯齿波的下降沿。管周期地关断与导通（受同步电压控制），两端电压。便形成锯齿波，为射极跟随器，所以也是锯齿波如图3.6。图3.6 锯齿波形成环节图3.7为组成的移相控制电路，基极电压由锯齿波电压Ue3直流控制电压UK、负直流偏压UP分别经电阻R6、R7、R8的分压值、叠加而成，有三个电压比较控制的截止与导通。波形见图3.8。图3.7 移相控制电路是为了选择锯齿波电压的原始工作点而加的负偏置电压。控制电压，当 可使M前移，则可使M点后移，M点也是管从截止到导通的转折点，也就是电路发出触发脉冲的时间。以三项桥

33、式全控电路感性负载电流连续时为例，当时，输出的平均电压Ud最大正值；当时，输出为0；当时输出-Ud最大值。所以此时偏置电压应使M点对应于，即在锯齿波中点。锯齿波宽度理论上180º可满足要求，考虑到锯齿波的非线性，适当给以余量，故可取宽度为240º4。图3.8 移相控制环节波形3.2.3 锯齿波同步电压的形成触发电路的同步，就是要求锯齿波与主电源频率相同，同时满足控制角相位和移相的要求。由前分析己知晶体管V2的开关频率就是锯齿波的频率，所以应使V2管的开关频率等于主电源频率。从图3.5可知，同步环节是由同步变压器BT和作同步开关的V2所组成，同步变压器BT接于主回路电源上，次

34、级电压控制V2的通断。同步变压器次级电压UT在负半周的下降段时，Dl导通，电容C1被迅速充电，极性为下正上负。V2因反向偏置而截止，锯齿波即开始。在UT波形处于负半周的上升段时，R点电位将高于Q点电位，Dl截止。这时电源+E将通过R1使C1放电并反向充电，Q点电位上升。因Q点电位上升比R点电位上升缓慢，故Dl维持截止，当Q点电位上升到1.4V时，Q2管导通, Q点电位被定在1.4V，此时锯齿波结束。直到下一个负半周到来时，D1重新导通，C1迅速放电并被反向充电。建立下正上负的电压使Q2截止，锯齿波再度开始。可见锯齿波振荡频率和主电源频率达到了两者完全一致，锯齿波宽度与Q点值上升到+1.4V的时

35、间长短有关，调节时间常数RlCl则可调节锯齿波宽度。3.3 强触发电路强触发脉冲可以缩短晶闸管的导通时间，提高承受高的电流上升率的能力。强触发脉冲，一般要求示幅值约为通常情况的5倍，前沿为1A/µs。电路的强触发环节，由图3.2可见，单相全波整流电路输出直流电压给电容C6充电，当Q8管导通，C6通过脉冲变压器T、R16和C5的并联，Q8迅速放电，B点电位迅速下降，后位于+15V，二极管D15有截止变为导通。当Q8截止时，电源又通过R15向C6充电，为下次触发作准备5。3.4 防止误触发的措施晶闸管触发电路工作时，可能受到环境的电磁干扰而影响工作的可靠性。可能产生的干扰及防止措施归纳如

36、下：(1) 交流电网正弦波质量不好，特别是电网同时供给其它品闸管装置时，晶闸管的开通可能引起电网电压波形缺口。采用同步电压为锯齿波的触发电路，可以避免电网电压波动的影响。(2) 晶闸管的误导通，多数由干扰信号进入控制极电路引起。采用脉冲变压器隔离控制电路加入阻容元件，以及在各种电路输入端加滤波电路等措施外，还可用如下措施： 脉冲变压器初、次级间加静电隔离； 避免电感元件靠近控制极电路； 控制极回路导线加屏蔽； 选用触发电流较大的晶闸管； 在控制极和阴极间并联一个0.010.1µF的电容； 在控制极和阴极间加反向偏置电压。通过稳压管接至控制极与阴极之间，也可以用多个二极管串联，利用管压

37、降代替反压作用。一般反压值取3V左右。4 整流装置主电路4.1 整流器主电路接线方式的确定整流器主电路接线方式根据电源情况、整流设备的容量及纹波要求等方面确定。对于5kW以下的整流器多采用单向桥式整流电路；5kW以上的整流器多采用三项桥式整流电路。对于低电压大电流的整流器，可采用带平波电抗器的双反星形整流电路。要求直流侧有较小的脉动电流时，可采用每周期脉动次数m12的整流电路，如双三相桥式整流电路带平波电抗器并联或双三相桥式整流电路串联电路。各种整流器的优缺点见表4.16。表4.1 各种整流电路优缺点比较单相双半波单相桥式三 相半 波三相桥式双反星形代平衡电 抗器六相半波双三相桥式带平衡电抗器

38、变压器利用率差（0.75）较好(0.9)差(0.74)好(0.95)一般(0.79)差(0.65)好(0.97)直流侧脉动情况一般(m=2)一般(m=2)一般(m=3)较小(m=6)较小(m=6)较小(m=6)小(m=12)元件利用率（导通时间）好(180º)好(180º)较好(120º)较好(120º)较好(120º)差(60º)较好(120º)直流磁化无无有无无无无波形畸变一般(0.9)一般(0.9)严重（0.827）较小（0955）较小（0955）较小（0955）小（0985）遵循以下原则来选择整流器主电路的接线方式：

39、(1) 晶闸管电压及电流容量应充分得到应用，晶闸管导通角越大越好；(2) 整流器直流侧的纹波越小越好，以减小整流直流电压的脉动分量，从而完全 省去或减少平波电抗；(3) 应使整流器引起的网侧谐波电流，特别是幅值较高的低次谐波电流愈小愈好，以提高功率因数和效率；(4) 整流变压器等值容量ST应尽量接近负载直流容量PN，使变压器得到充分利用；(5) 经济上合理，在能满足各项电气指标的前提下，应尽可能采用结构简单、投资少的方案；根据本设计所给出的数据:负载额定电压UdN=300V、负载额定电流IdN=300A、负载电压调节范围0300V、负载额定功率PdN，即下式 (4.1)可得PdN=90kW。所

40、以采用三相桥式半控整流电路比全控电路更简单更经济。4.2 主电路的结构本设计所采用的主电路为三相桥式半控整流电路并联而成，它是由共阴极组三相半波可控整流与共阳极组三相半波不可控整流电路串联而成，兼有可控与不可控两者的特点如图4.1所示。该电路适用于只要求输出直流电压大小可控的整流电源 ，并得到了广泛应用7。 图4.1 整流装置主电路示意图4.3 主电路工作过程4.3.1 换相规律该电路由共阴极组的一相晶闸管和共阳极组的另一相整流管构成一条可控整流回路，整流回路电源为两个元件所在相间的线电压。该电路共有6条可对负载供电的整流回路，按电源电压相序轮流工作，实现整流目的。表4.2为6条整流回路的构成

41、情况，其序号是按电源电压相序确定的。表4.2 三相桥式整流电路各整流回路的构成电源电压UabUacUbcUbaUcaUcb开关元件共阴极组VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组VD6VD2VD2VD4VD4VD6从换相规律看，共阴极组三相元件为晶闸管，按自然换相点出现顺序控制换相；共阳极组三相元件为整流管，在其自然换相点处自然换相，总是相电压最低的一相导通。输出整流电压Ud的波形是两种整流电压之和，在稳定工作状态下，三相晶闸管元件将以相同的控制角触发换相。通过改变控制角，可以实现对输出整流电压平均值的控制，可得到02.34U2（U2为相电压）的可调直流电压。由于一组元件是相位控制换相，一

42、组元件是自然换相，整流回路1、3、5与整流回路2、4、6的工作开通时间不同。电路输出电压是线电压其表达式为两个相电压相减： Ud = Ud1-Ud2，Ud1，随共阴极组元件导通状态变化，Ud2随共阳极组元件导通元件导通状态变化8。4.3.2 电阻负载当时，在自然换相点换相，输出整流电压波形为线电压正半波包络线，每一周期有6个相同的波头。时，Ud的波形为的周期量，有两段不等宽的正弦波曲线组成，第一段宽度为，第二段宽度为。图4.2为时的电路波形，各元件导通角。当时，该电路按自然换相点顺序换相，6条回路依次导通工作，回路1、3、5每一周期的工作时间为，回路2、4、6每一周期的工作时间为。一周期内工作

43、过程和电路状态如表4.3所示。当时，输出电压Ud可用的周期量表示，即下式4.2和4.3。 (4.2) (4.3)表4.3 三相桥式半控整流电路工作过程换相时间(t)换相元件换相后电路状态导通元件输出电压Ud=Ud1-Ud2晶闸管端电压整流管端电压UTV1UVT3UTV5UVD2UVD4UVD6VT5VT1VT1、VD6Uab0UbaUcaUbcUba0VD6VD2VT1、VD6Uac0UbaUca0UcaUcbVT1VT3VT3、VD2UbcUab0Ucb0UcaUcbVD2VD4VT4、VD3UbaUab0UcbUac0UabVT3VT5VT5、VD4UcaUacUbc0Uac0UabVD4

44、VD6VT5、VD6UcbUacUbc0UbcUba0当时，共阴级组元件将与其下一号共阳极组元件同时换相，整流回路中的1、3、5不在导通工作，Ud波形只含有一段正弦波曲线，仍为的周期量。Ud刚好连续，各元件导通角仍为，为电流连续与断续的临界点。时的电路波形，整流管端电压波形与时相同，图4.3为时的电路波形 。当时，晶闸管元件的触发脉冲延迟到下一号个共阳级组元件的自然换相点之后。顺序触发晶闸管时，只能由2、4、6三条整流回路。因为共阳极端永远为最低电位，所以各相晶闸管元件从自然换相点起就具有触发开通的主电路条件，一直到本相电压变为最低电位为止。所以，电路的移相范围为。时，各元件导通角，电压与电流

45、波形断续。表4.4为时每一周期内电路的工作过程和电路状态；晶闸管、整流管端电压仍按两端电位逐段分析，周期量表达式与时相同。表4.4 三相桥式半控整流电路工作过程换相时间换相元件换相后电路状态导通元件输出电压Ud=Ud1-Ud2晶闸管端电压整流管端电压UTV1UVT3UTV5UVD2UVD4UVD6VT1VT1、VD2Uac0UbaUca0UcaUca00UbaUcaUac0UabVT3VT3、VD4UbaUab0UcbUac0Uab0Uab0UcbUbcUba0VT5VT5、VD6UcbUacUbc0UbcUba00UacUbc00UcaUca当时，输出电压Ud可用周期量表示为 (4.4) (

46、4.5)以晶闸管自然换相点为时间坐标的原点时，可以表示为 (4.6) (4.7)据输出整流电压的周期量表达式，可以求得整流输出电压的平均值。图4.2 时电路波形图4.3 时的电路波形当时，Ud表达式为 (4.8)当时，Ud表达式亦为 (4.9)在和两种情况下，Ud波形差异很大，但其输出整流电压平均值有完全相同的表达式。负载电流平均值、晶闸管与整流管电流平均值、有效值分别为式 (4.10) (4.11) (4.12)晶闸管两端承受的正、反向重复峰值电压为线电压幅值。4.4 整流器电参数计算4.4.1 整流变压器额定参数计算根据负载所要求的直流电压和电流，可以选择晶闸管整流器主电路类型。在确定了主

47、电路类型的条件下，就可以根据要求的直流电压选择确定晶闸管整流器电源电压有效值U2，工作中只允许U2在一个较小的范围内波动8。整流器交流侧电压U2选择过高时，运行中晶闸管控制角过大，造成功率因数下降，无功功率增大；整流器交流侧电压U2选择过低时，运行中有可能出现控制角仍不能达到负载要求的电压，也不能达到负载要求的功率。根据整流器主电路的类型、电源及负载要求的电压和电流，可以计算出变压器的额定参数：变压器次级的相电压U2、相电流I2及容量S2；变压器初级相电流I1、容量S1；变压器等值容量ST。(1) 次级相电压的计算在理想情况下其输出直流电压Ud与变压器次级相电压之间的关系可用式4.12表示。

48、(4.13)要使整流器的电压调节范围在0300V，触发角的移相范围在0º180º。把Ud=300V、代入式（4.12）可得 (4.14)(2) 变压器次级电流I2的计算由于在工作过程中晶闸管和二极管的导通时间是相等的，所以变压器次级相电流I2与其直流负载电流Id的关系为 (4.15)Id取当=0º达到的最大值（300A）带入上式得 A (4.16)(3) 变压器初级电流I1的计算 (4.17)式中，Kn为变压器的变比，本设计所采用的变压器为三相变压器一次侧电压U1=380V，上面计算出了变压器二次侧相电压为128.21V，变压器二次侧线电压为 (4.18)变压器的

49、变比为 (4.19)所以 (4.20)(4) 变压器容量的计算 因为变压器的相数为3，次级容量为 (4.21) 初级容量为 (4.22)4.4.2 晶闸管额定参数计算整流器件额定参数的选择主要指合理的选择器件的额定电压和额定电流(通态平均电流)值。(1) 晶闸管的额定电压额定电压应根据器件实际承受的断态和反向重复峰值电压之中的大者乘上23倍的安全系数来确定。即 (4.23)在这里取3倍的安全系数，因为带入上式可得 (4.24)(2) 晶闸管的额定电流额定电流是指晶闸管流过正弦半波的电流，其平均值为通态电流时的电流有效值，即器件允许的有效值定额为 (4.25)为使整流器件不因过热而损坏，整流器件

50、应按实际电流有效值乘以1.52倍的安全系数来确定器件的电流有效值定额。流经器件的实际电流有效值等于波形系数Kf 与通过器件的电流平均值的乘积，也可有电量基本关系求得 (4.26)式中，ITM，流过管子的最大有效电流。所以 (4.27) (4.28) (4.29)但还应注意下面几个因素的影响：周围环境超过+40时，应降低器件的额定电流值使用；器件的冷却条件低于标准值要求时，也应降低器件的额定电流值使用。对于电阻性负载，当晶闸管控制角增大时，因波形系数增大，允许输出整流电流平均值比=0时相应减小。考虑到整流装置经常不间断的工作，而本设计的整流装置功率较大。因此在选用晶闸管的额定电流、额定电压时应尽量的大，以保证晶闸管在工作中可靠的工作。4.4.3 功率二极管参数计算(1) 功率二极管额定电流功率二极管额定正向平均电流（额定电流）指管子长期运行在规定散热条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的电流等级即为管子的额定电流。受发热限制，因此在使用中按有效值相等来选取管子电流定额。对应额定电流，其有效值为。所以 (4.30) (4.31)