三相桥式全控整流电路课程设计

电力电子技术课程设计说明书

三相桥式全控整流电路

系 、 部： 电气与信息工程系 专 业： 自动化

目录

第1章 绪论................................................................................................................ 1

1. 电子技术的发展趋势........................................................................................ 1 2. 本人的主要工作................................................................................................ 2 第2章 主电路的设计及原理.................................................................................... 3

1. 总体框图............................................................................................................ 3 2. 主电路的设计原理............................................................................................ 3

2.1带电阻负载时............................................................................................ 4 2.2阻感负载时................................................................................................ 7 3. 触发电路............................................................................................................ 8 4. 保护电路............................................................................................................ 9 5. 参数计算.......................................................................................................... 10

5.1 整流变压器的选择............................................................................... 10 5.2 晶闸管的选择....................................................................................... 11 5.3 输出的定量分析................................................................................... 11

第3章 MATLAB的仿真 ........................................................................................ 13

1. MATLAB仿真软件的简介 ............................................................................. 13 2. 仿真模拟图...................................................................................................... 13 3. 仿真结果.......................................................................................................... 13 第4章 结束语.......................................................................................................... 16 参考文献...................................................................................................................... 17

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第1章 绪论

1. 电子技术的发展趋势

当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在21世纪将起到更大作用。

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学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。

电力电子技术作为一门高技术学科，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有着重要的作用，现在已广泛的应用于传统工业(例如：电力、机械、交通、化工、冶金、轻纺等)和高新技术产业(例如：航天、现代化通信等)。下面着重讨论电力电子技术在电力系统中的一些应用。 在高压直流输电(HVDC)方面的应用

直流输电在技术方面有许多优点：(1)不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联;(2)可以短路电流;(3)没有电容充电电流;(4)线路有功损耗小;(5)输送相同功率时，线路造价低;(6)调节速度快，运行可靠;(7)适宜于海下输电。随着大功率电子器件(如：可关断的晶闸管、MOS控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等)开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。 在柔性交流输电系统(FACTS)中的应用

20世纪80年代中期，美国电力科学研究院(EPRI)N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流输电技术的概念。近年来柔性交流输电技术在世界上发展迅速，已被国内外一些权威的输电工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技

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术(柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术)之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS的发展提供了条件。采用IGBT等可关断器件组成的FACTS元件可以快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。 在电力谐波治理方面的应用

有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在20世纪70年代初提出来的，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着中国电能质量治理工作的深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。

在不间断电源(UPS)中的应用

UPS紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS普遍采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,降低了电源的噪声,提高了效率和可靠性。

电力电子技术已迅速发展成为一门的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。

2. 本人的主要工作

（1）设计一个三相桥式全控整流电路。

（2）把设计的电路图进行仿真，分析并调试，使输出得到所要求的到的值。 （3）用软件MATLAB ，画出设计原理图。 （4）完成设计报告。

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第2章 主电路的设计及原理

1. 总体框图

交流源±220V 主变压器 触发脉冲 主电路 保护电路

图2-1-1 总电路的总体框图

2. 主电路的设计原理

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α。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KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。

晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，

BuKP1KP3KP5而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

abcRKP4KP6KP2图1 三相桥式全控整流电路

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为了搞清楚α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α=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。图1是电路接线图。

为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见图2）。

在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为

ud=ua-ub=uab

经过60°后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为

ud=ua-uc=uac

再经过60°，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为

ud=ub-uc=ubc

uu0abcabωtu0u135135ωt246240u0u013513ωtωt624624ωt图2 三相桥式整流电路的触发脉冲 2.1带电阻负载时

a=0°时的情况

假设将电路中的晶闸管换做二极管惊醒分析对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的三个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的导通认识时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态。

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从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，Ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，Ud2为相电压的负包络线，Ud=Ud1-Ud2是两者的差值，为为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，Ud为线电压中最大的一个，因此Ud波形为线电压的包络线。

图2-2-1 三项桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形

由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：

1.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。

2. 三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KPl、KP3和KP5依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP2、KP4和KP6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。

3.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。

4. 三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管

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换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：1→2→3→4→5→6→1，依次下去。相邻两脉冲的相位差是60°。

5.由于电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。为了达到这个目的，可以采取两种办法；一种是使每个脉冲的宽度大于60°（必须小于120°），一般取80°～100°，称为宽脉冲触发。另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲。这种方法称双脉冲触发。

6、整流输出的电压，也就是负载上的电压。整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均为线电压的一部分，是上述线电压的包络线。相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控的整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6 × 50=300赫，比三相半波时大一倍。

7、晶闸管所承受的电压。三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。例如在第(1)段时期，KP1和KP6导通，此时KP3和KP4,承受反向线电压uba=ub-ua。KP2承受反向线电压ubc=ub-uc。KP5承受反向线电压uca=uc-ua。晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。当α从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。

当a=60°时的情况：

当触发角a改变时，电路的工作情况将发生变化。从wt1角开始把一周期等分为六段，每段60度。在VT1处于通态的120度期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的Ud波形相同，在VT4处于通态的120度期间，ia波形的形状也与同时段的Ud波形相同，但为负值。

当a<60°时，Ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与Ud波形形状一样，也连续。Ud波形每60°中有一段为零，Ud波形不能出现负值。带电阻负载时三项桥式全控整流电路a角的移相范围是120°。

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图2-2-2 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60度时的波形

2.2阻感负载时

当a<60°时，Ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，个晶

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，电阻负载时id波形与Ud波形形状一样。而足感负载时，由于电感的作用，似的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的为一条水平线。图2-2-3为三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0°时的波形。

图 2-2-3 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0°时的波形

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当a>60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2-2-4为三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90°时的波形。

图 2-2-4 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90°时的波形

3. 触发电路

触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离

晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

KJ004触发电路为模拟的触发电路,其组成为：

3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进

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行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路。三相全控桥整流电路的集成触发电路如图2-3-1所示。

至VT1至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6+15V(1~ 6脚为6路单脉冲输入)C4ucoRP4usa-15VR19R20R1R7910111213141516usbuscR13RP1R1687654321R14RP2R1787654321R21R2R10111213141516R15RP3R1887654321RP5R4C5RP6R5upR3R9910111213141516R6C3C1C2C6KJ004KJ004KJ004C7R10C8R11C9R1212345678KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)图2-3-1 三相全控桥整流电路的集成触发电路

4. 保护电路

为了保护设备的安全，必须设置保护电路。此设计电路必须对经晶闸管、交流侧、直流侧进行电路的保护设计。

1、 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。对于晶闸管初开通引起的较大电流上升率，可在晶闸管的阳极回流串联电感进行抑制；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熔断器进行保护。

图2-4-1串联电感及熔断器抑制回路

2、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

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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。

图2-4-2并联RC电阻电容吸收回路

5. 参数计算

5.1 整流变压器的选择

由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V。由变压器三角形—心形接法可知变压器二次侧相电压为：

U2变化为：

K220V127V （2-1） 3U13803.0 U2127变压器一次侧和二次侧的相电流计算公式为：

I1Kl1Id （2-2） KI1Kl2Id

而在三相桥式全控中：

Kl1Kl2Id305A

20816 （2-3） 3所以变压器的容量分别如下: 变压器次级容量为：

S13U2I2 （2-4） 变压器初级容量为：

S23U1I1 （2-5）

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变压器容量为：

S即：

S1S2 （2-6） 2S3*127*0816*3053*380*305*081623.09.469kW

变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法U1=380V.I1=82.96A;次级绕组星形接法，U2=127V,I2=248.88A:容量选择为10Kw。

5.2 晶闸管的选择

1、晶闸管的额定电压

由三相全控桥整流电路的波形分析知，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值：

UFMURM6U2 （2-7） 故桥臂的工作幅值为：

Um6*127311.1V

考虑欲量，则额定电压为：

UN(2~3)UM(2~3)*311.1(622.2~933.3)V 2、晶闸管的额定电流

晶闸管电流的有效值为： IVTIdmax36003346.44A （2-8）

考虑欲量，故晶闸管的额定电流为： IVT(1.5~2)IVT(330.97~441.30)A 1.575.3 输出的定量分析

在以上的分析中已经说明，整流输出电压Ud的波形在一周期内脉动六次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉冲进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得到整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a<60时）的平均值为：

123 （2-9）

Ud6Usintd(t)2.34Ucos223

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带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为

3Ud6U2sintd(t)2.34U21cos()33输出电流的平均值为：Id

UdR 。

（2-10）

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第3章 MATLAB的仿真

1. MATLAB仿真软件的简介

Matlab控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准软件，1999年春Matlab5.3版问世，使Matlab拥有更丰富的数据类型和结构，更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具，特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现，使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而及时学生没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础，仍可通过仿真来认知非线性对系统动态的影响。

2. 仿真模拟图

图3-2-1 仿真模拟图

3. 仿真结果

此仿真结果都为组感性负载时的仿真时运行的结果，且电感的阻值很大。

此设计的仿真结果仿真了0、30、90时的Ud、Id的波形图，分别如图3-3-1、 3-3-2、3-3-3所示，其中上面的图形为Ud的输出波形图，下面的图形为Id的输出波形图。

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1、当触发角a=0时

图3-3-1 触发角为0时的Ud、Id的波形图

2、 当触发角a=30时

图3-3-2 触发角为30时的Ud、Id的波形图

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3、当触发角a=90时

图3-3-3 触发角为90时的Ud、Id的波形图

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第4章 结束语

通过这次设计，我的理论知识掌握得更扎实。同时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。理论学得好，但如果只会纸上谈兵，一点用都没有。以后也很难找到工作。我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。她是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。由于对MATLAB软件的不熟练，在整个设计到电路的仿真过程中，我个人感觉理论仿真部分是最难的，但是在仿真中，还是发现了一些问题，有时候一些参数的稍微改变就会导致输出的电压改变很大，这样使得仿真很难达到理想的效果，在就是仿真时，总是出现一些自己解决不了的问题。但是有了老师和同学们的帮助，这些问题提基本都解决了，又让我进一步的了解了电力电子技术在我们生活中的重要性。尽管这门课程我学到的并不多，但是给我在以后学习其他的有关知识打下了基础。我觉得我应该加强对专业基础知识的学习，为以后在工作寻求保证。

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参考文献

1、王兆安，黄俊主编．电力电子技木．第四版．北京：机械工业出版社，2004年1月

2、王云亮主编．电力电子技术．第一版．北京：电子工业出版社，2004年8月 3、梁廷贵主编．现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册．北京：科学技术文献出版社，2002年2月

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