三相桥式可控整流电路实验装置要点

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：三相桥式可控整流电路实验装置三相桥式可控整流电路实验装置 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 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： 起止时间：起止时间：202013-12-30至至2014-1-10 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 学 号学生姓名专业班级 课程设计 题目 三相桥式可控电路实验装置三相桥式可控电路实验装置 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、

2、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 为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、 观察三相桥式可控整流的各个参数及波形，通过实验验证所学的理论知识。 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、完成设计说明书。 要求要求 1、文字在 4000 字左右。 2、文中的理论分析与计算要正确。 3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、交流电源：三相380V。2、整流输

3、出电压Ud在0110V连续可调。3、整 流输出电流最大值5A。4、负载：纯电阻、阻感、直流电动机。5、根据实际工 作情况，最小控制角取20300左右。 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：触 发电路设计；第 8 天：在实验室调试；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 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘要 整流电路的种类多种多样，可从

4、各种角度进行分类，主要分类方式有：按组 成的器件分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路； 按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或双 向，又分为单拍和双拍电路。 所谓的整流就是将交流电变为直流电。多数的整流电路都是由主电路，滤波 器，变压器组成。滤波器位于主电路和负载之间，用于滤除脉动直流电压的交流 部分；而变压器是用来实现交流输入电压与直流输出电压之间的匹配以及交流电 网与整流电路的电隔离。 常见的整流电路有半波整流电路、单相半波可控整流电路、单相桥式全控整 流电路、单相全波可控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电 路。 本次

5、试验利用三相桥式可控整流电路的基本原理图，根据负载端电压，电流 的波形图计算负载端的各种数据参数，设计触发电路和保护电路，从而原则适当 的试验装置。 关键字：整流；可控；变压； 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文设计内容 .1 第 2 章 三相桥式可控整流电路实验装置电路设计.2 2.1 三相桥式可控整流电路实验装置总体设计方案 .2 2.2 具体电路设计 .3 2.2.1 主电路设计.3 2.2.2 控制电路设计.7 2.2.3 保护电路设计.10 2.3 元器件型号选择 .11 2.4 系统调试或仿真、数据分析 .15 第 3 章 课程设计总结.16

6、 参考文献.17 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电 力电子技术两大分支。电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控 制的技术。整流电路时电力电子技术重要组成部分，在实际生活中起到了非常重 要的角色。其中得三相桥式可控整流电路在生活与科技领域应用十分广泛。 半导体在电力电子器件中扮演着重要的角色。 1.2 本文设计内容 通过对主电路的设计，考虑到经济，实际等诸多方面的元素而确定出所需的 三相可控整流电路实验装置的参数条件。进而确定出实际生活中所应用的实验器 件。 将 380V 三相交流电源通过三相桥式可控整

7、流电路为 1 台额定电压为 110V， 最大功率为 550W 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。 设计任务包括以下几点： 1.从经济技术的论证确定出总体电路程序框图 2.主电路的设计 3.通过计算选择整流器件的具体参数 4.触发控制电路的设计及其确定 5.保护电路设计或选择 6.绘制相关电路图 第 2 章 三相桥式可控整流电路设计 2.1 三相桥式可控整流电路总体设计方案 方案的选择要求 技术参数： 1.交流电源：三相 380V 2.整流输出电压 Ud在 0110V 连续可调 3.最大整流输出电流 5A 4.纯电阻、阻感、直流电动机负载 5.根据实际工作情况，最小控制角取

8、20300左右 总体系统设计 可控整流电路 触发电路 负载电路 三相电源 保护电路 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 一 三相可控整流电路的基本原理图 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，其原理 如图 2.1 所示，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，vt6，vt2 称为共阳极组负载用 纯电阻和电感来简化代替，此外，习惯上希望晶闸管的导通顺序 vt1-vt2-vt3- vt4-vt5-vt6。变压器为型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一Y 次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电

9、网 图 2.2.1.三相桥式可控整流电路 表 1 三相桥式全控整流电路电阻负载 =0o时晶闸管工作情况 根据本次的设计要求，采用负载为阻感的主电路图如上： 输出电压 Ud 在 0110V 连续可调。 根据三相桥式全控整流电路计算公式：Ud=2.34U2cos 当 =30时，使电压 Ud 有最大值 Ud=2.34U2cos30=110V，从而得出 U2=54V，可通过变压器获得。 当 =90时，使电压 Ud 有最小值 Ud=2.34U2cos90=0V，从而实现输出电压 Ud 在 0110V 连续可调。 整流输出电流最大值 5A，Idmax=Umax/R=5A，所以 R=110/5=22。 由规

10、定可知触发角 取值为 3090。 当 a60，Ud 波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的 通断情况、输出整流电压 Ud 波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于： 由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形不同。 阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时 候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 时 段 共阴极组中 导通的晶闸管 VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组中 导通的晶闸管 VT6VT2VT2VT4VT4VT6 整流输出电压ud ua-ub =uab ua-uc =uac ub- uc =ubc ub-

11、 ua =uba uc- ua =uca uc-ub =ucb 图 2.2.2 整流电路 =30o时的波形 图 2.2.3 整流电路 90o时的波形 2.2.2 控制电路设计 图 2.2.4 双脉冲触发器 根据晶闸管的特性，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

12、率小。 触发电压的形成用 KJ004 芯片完成。如下图 图 2.2.5 KJ004 芯片 KJ004 器件输出两路相差 180 度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触 发器线路。KJ004 电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相 位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能 与特点。 其工作原理如下：点划框内为 KJ004 的集成电路部分，它与分立元件的 同步信号为锯齿波的触发电路类似。V1V4 等组成同步环节，同步电压 uS 经限流电阻 R20 加到 V1、V2 基极。在 uS 的正半周，V1 导通，电流途径为 (+15VR3VD1V1地)；在 uS 负半周

13、，V2、V3 导通，电流途径为 (+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。 V4 基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|0.7V 时，V1V3 截止，V4 从电源十 15V 经 R3、R4 取得基极电流才能导通。 电容 C1 接在 V5 的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。 在 V4 导通时，C1 经 V4、VD3 迅速放电。当 V4 截止时，电流经 (+15VR6C1R22RP1(15V)对 C1 充电，形成线性增长的锯齿波， 锯齿波的斜率取决于流过 R22、RP1 的充电电流和电容 C1 的大小。根据 V4 导通的情况可知，在同步电压正、负半周

14、均有相同的锯齿波产生，并且两者 有固定的相位关系。 V6 及外接元件组成移相环节。锯齿波电压 uC5（即 4#端电压） 、偏移电 压 Ub、移相控制电压 UC 分别经 R24、R23、R26 在 V6 基极上叠加。当 ube6+0.7V 时，V6 导通。设 uC5、Ub 为定值，改变 UC，则改变了 V6 导 通的时刻，从而调节脉冲的相位。 V7 等组成了脉冲形成环节。V7 经电阻 R25 获得基极电流而导通，电容 C2 由电源+15V 经电阻 R7、VD5、V7 基射结充电。当 V6 由截止转为导通 时，C2 所充电压通过 V6 成为 V7 基极反向偏压，使 V7 截止。此后 C2 经 （+

15、15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压 uc2+1.4V 时， V7 又恢复导通。这样，在 V7 集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由 充电时间常数 R25C2 决定。 V8、V12 为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7 集电极输出两 个相位差为 180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在 us 正半周 V1 导通，V8 截止，V12 导通，V12 把来自 V7 的正脉冲箝位在零电 位。同时，V7 正脉冲又通过二极管 VD7，经 V9V11 放大后输出脉冲。在 同步电压负半周，情况刚好相反，V8 导通，V12 截止，V7 正脉冲经 V13V15 放大后输出负相脉

16、冲。说明： 1) KJ004 中稳压管 VS6VS9 可提高 V8、V9、V12、V13 的门限电压， 从而提高了电路的抗干扰能力。二极管 VD1、VD2、VD6VD8 为隔离二极 管。 2) 采用 KJ004 元件组装的六脉冲触发电路，二极管 VD1VD12 组成六 个或门形成六路脉冲，并由三极管 V1V6 进行脉冲功率放大。 3) 由于 V8、V12 的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位 上相差 180的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，只需 要三个与主电路同相的同步电压就行了。因此主变压器接成 D，yn11 及同步 变压器也接成 D，yn11 情况下，集成触发电路

17、的同步电压 uSa、uSb、uSc 分 别与同步变压器的 uSA、uSB、uSC 相接 RP1RP3 为锯齿波斜率电位器， RP4RP6 为同步相位。 2.2.3 保护电路设计 由于电力电子器件承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和 过电压就会把器件损坏。所以电路都需要保护电路接入系统中。 一 过电压保护 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

18、元件的两端并联 RC 电路。 图 2.2.6 并联 RC 电路阻容吸收回路 二 过电流保护 晶闸管变流装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分 过载和短路两种情况，由于晶闸管的热容量较小，以及从管心到散热器的传导途 径中要遭受到一系列热阻，所以一旦过电流，结温上升很快，特别在瞬时短路电 流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，晶闸管承受过载或短路电流的 能力主要受结温的限制。可用作过电流保护电路的主要有快速熔断器，直流快速 熔断器和过电流继电器等。在此我们采用快速熔断器措施来进行过电流保护。 采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措 施。在选择快熔时

19、应考虑： （1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 （2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔 一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直 流母线中。 （3）快熔的值应小于被保护器件的允许值。tI 2 tI 2 （4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。 若晶闸管的额定电流取 8A,因为快速熔断器的熔断电流大于 1.5 倍的晶闸管 额定电流，所以快速熔断器的熔断电流为 12A。 图 2.2.7 过流保护电路图 图 2.2.7 快熔电路 2.3 元器件型号选择 由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为 38

20、0V 和 54V，由变压 器为接法可知变压器二次侧相电压为：Y （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 dI IKI 22 而在三相桥式全控中 公式 5 公式 6AId5 所以变压器的容量分别如下： 变压器次级容量为： 公式 7 221 3IUS 变压器初级容量为： 公式 8 112 3IUS 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VU380 1 AI34 . 0 1 组星形接法，；容量选择为 231.95W。VU54 2 AI08 . 4 2 2.3.1 晶闸管的选择 晶闸管的额定电压 由三相全

21、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 2 6 FMRM UUU 公式 10 故桥臂的工作电压幅值为： 公式 11 VUm246.132546 考虑裕量，则额定电压为： 公式 12VUU mN 738.396492.264246.1323232 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 通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为 KP50A 2.3.2 平波电抗器的选择 为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要 串联平波电抗器。对于三相桥式全控

22、整流电路带电动机负载系统，有： 公式 15 其中， （单位为 mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器 的电感。由题目要求：当负载电流降至 0.25A 时电流仍连续。所以取 mind I 0.25A。所以有： 公式 16 2.4 系统调试或仿真、数据分析 运用 MATLAB 软件对本三相桥式可控整流电路进行系统仿真实验。主电路 图如下： 图 2.4.1 采用阻感负载触发角 =30时的波形图如下： 图 2.4.2 第 3 章 课程设计总结 经过这几天对课程设计的研究是我更近一步的了解了三相可控整流电路 的原理及其在实际生活中的发展状况。从其在现实生活中不断的应用及改善 我看到了科技发

23、展的速度飞快与人类生活的进步。 这次对课程设计的学习和探索，让我对于理解学习过的知识有很大的帮 助，对于思维 、逻辑及其理论知识的运用等多方面有了更加进一步的掌握。 在完成的过程中我查阅了很多老师的参考书通过参考及运用自己所掌握的知 识完成了此次的设计。从理论到实际的应用让我把知识深刻的记在心里。我 懂得了将理论与实际应用的重要性。把自己学到的所有相关的知识应用到课 程设计中的过程是一个帮我不断提高自身素质能力的机会。 在此我要感谢我的同学们对我的关心、鼓励和支持还要感谢老师对我的 悉心指导，是他们帮助让我顺利地完成了本次课程设计,为了让他们的努力 能够得到回报，在以后的日子里我会更加努力学习

24、，增加自己的知识含量。 参考文献 1 王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,2003 2 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社, 2002 3 孟志强主编.电力电子技术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.6 4 吕宏主编.电力电子技术.感应加热电源的 PWM-PFM 控制方法, 2003.1 5 吴雷主编.电力电子技术.基于 DSP 大功率中频感应焊机的研究, 2003.4 6 李金刚主编.电力电子技术.基于 DSP 感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 7林渭勋主编. 现代电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，2006 8赵可斌，陈国雄编. 电力电子变流技术M. 上海：上海交通大学出版社， 1993 9张立，赵永健编. 现代电力电子技术M. 北京：科学出版社，1992 10丁道宏主编. 电力电子技术M. 北京：航空工业出版