反电动势负载下的三相桥式整流电路设计汇编.docx
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反电动势负载下的三相桥式整流电路设计汇编
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：
反电动势负载下的三相桥式整流电路设计
院（系）：
*************
专业班级：
*************
学号：
**********
学生姓名：
*******
指导教师：
（签字）
起止时间：
20**.**.**-20**.**.**
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
***
学号
*****
学生姓名
***
专业班级
******
课程设计（论文）题目
反电动势负载下的三相桥式整流电路设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路，多数由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
带反电动势的负载通常在直流电动机的调速、发电机励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛地应用。
设计任务及要求
1、确定系统设计方案，各器件的选型；
2、设计主电路、触发电路、保护电路；
3、各参数的计算（输出平均电压、平均电流、有功功率及波形分析）；
4、建立仿真模型，验证设计结果。
5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
输入电压：
三相交流380V，50HZ
整流输出电压0~110V，电流最大值10A，反电动势30V，电阻10欧姆
进度计划
1、布置任务，查阅资料，系统功能分析，确定系统方案（2天）
2、各电路的设计，各参数计算（3天）
3、仿真分析与研究（3天）
4、撰写、打印设计说明书（1天）
5、答辩（1天）
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
整流电路是把交流电能转换成直流电能的电路，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。
整流电路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。
本次反电动势负载下的三相桥式整流电路的设计系统电路主要包括：
三相桥式全控整流主电路设计，晶闸管过电流、过电压保护电路和主电路过电压保护电路设计，晶闸管触发电路设计三个部分。
首先，我们对理论值进行分析，即对带反电动势的阻感负载的电路选取了不同触发角的波形进行了重点分析。
然后通过在maltab软件的Simulink界面搭建仿真模型进行仿真从而获得相应的输出电压、电流波形，与理论上的输出波形进行对比。
最后验证了本次设计的正确性。
关键词：
整流电路；触发电路；桥式全控；保护电路；maltab
目录
第1章绪论1
第2章课程设计的方案2
2.1概述2
2.2系统组成总体结构2
第3章反电动负载下三相桥式全控整流电路的设计3
3.1主电路的设计3
3.1.1主电路原理图3
3.1.2主电路原理3
3.1.3参数计算7
3.2触发电路的设计8
3.2.1集成触发电路9
3.2.2触发电路设计原理9
3.3保护电路10
3.3.1主电路的过压保护10
3.3.2晶闸管的过压保护11
3.3.3晶闸管的过流保护12
第4章仿真设计13
4.1仿真软件说明13
4.2仿真模型搭建13
4.3仿真分析15
第5章课程设计总结17
参考文献18
第1章绪论
电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。
现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。
电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。
半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。
半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。
半导体硅整流的应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。
整流电路就是把交流电能转换成直流电能的电路，大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，在直流电动机的调速、发电机励磁调节、电解及电镀等领域得到广泛地应用。
整流电路由主电路、滤波器和变压器组成。
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。
在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。
本设计主要是对三相桥式全控整流电路（带反电动势的负载）的研究。
三相桥式全控整流电路与三相半波电路相比，输出整流电压提高一倍，输出电压的脉动率高，基波频率为300HZ，在负载要求相同的直流电压下，晶闸管承受的最大正方向电压将比三相半波减少一半，变压器的容量也比较小，同时三相电流平衡，无须中线。
所以，三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。
第2章
课程设计的方案
概述
本设计是三相全控桥式整流电路的设计。
而三相桥式整流电路作用是给直流电动机供电，可以知道这是一个交流到直流的变换电路，即整流电路。
直流电动机负载可以看成是三相全控桥式电路接一个反电动势负载，由此可以得出此设计的重点在于设计三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换，且保证输出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可。
然后分别对主电路及触发电路进行设计。
技术要求，输入电压：
三相交流380V，50HZ，整流输出电压0~110V，电流最大值10A，反电动势30V，电阻10欧姆，电感1兆亨利。
系统组成总体结构
本设计是三相全控桥式整流电路的设计。
主要由主电路、触发电路、保护电路三部分组成，主电路主要完成对交流电到直流电的整流过程，触发电路控制晶闸管的导通和关断控制输出电压的大小，保护电路保护主电路中的元器件。
总体框图如图2.1所示。
图2.1系统总框图
第3章反电动负载下三相桥式全控整流电路的设计
主电路的设计
3.1.1主电路原理图
将阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。
习惯上我们希望晶闸管按从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U、V、W三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与U、V、W三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2,。
又后面的分析可知，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。
每个工作周期中对于每相二次电源来说，既有负电流，也有正电流，所以没有直流磁化的问题，提高了绕组的利用率。
此电路要求带反电动势负载，次反电动势E=30V，电阻R=30Ω,电感L极大使负载电流连续。
其原理如图3.1所示。
图3.1主电路
3.1.2主电路原理
为说明此原理，假设将电路中的晶闸管换做二极管，这种情况就业相当于晶闸管触发角α=0°时的情况。
整流电路的负载为带反电动势的阻感性负载。
当晶闸管触发角α=0°时，此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最高的一个导通。
而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。
这样任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，且不为同一相上的两个晶闸管，施加于负载上的电压为某一线电压。
α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。
由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。
在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。
从相电压的波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。
为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为
60°，如表3.1所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。
由表3.1可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。
表3.1α=0o时晶闸管工作情况
时段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
输出电压Ud
Uab=
Ua-Ub
Uac=
Ua-Uc
Ubc=
Ub-Uc
Uba=
Ub-Ua
Uca=
Uc-Ua
Ucb=
Uc-Ub
由于负载端接得有电感且电感值无限大，会对变化的电流有抵抗作用，从而使得负载电流几乎近似为一条直线。
其工作波形如图3.2所示。
图3.2反电动势α=0°时的波形
当触发角α改变时，电路的工作情况将发生变化。
当α=30°时，反电动势负载下的波形如图3.3所示。
图3.3反电动势α=30o时的波形
由图3.3可以看出，当α=30°时，从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60°与α＝0°时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表3-1的规律。
区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30°,组成 ud 的每一段线电压因此推迟30°，ud平均值降低。
图3.3给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，在VT1处于通态的120°期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。
当α=60°时，电路工作情况仍可对照表3-1分析。
图3.4反电动势α＝90o时的波形
ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低，α=60°时ud出现了为零的点。
由以上可见，当α≤60°时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。
当α＞60°时，如α＝90°时电阻负载情况下的工作波形如图3.4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。
这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为0°~90°。
3.1.3参数计算
1.晶闸管的选择
由以上的分析可知，整流输出电压ud的波形在一个周期内脉动六次，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（即1/6周期）进行计算即可。
此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得到当整流输出电压连续时（即带阻感负载时）的平均值为
（3-1）
当输出电压为0V时，由式3-1得
α=90°
当输出电压为110V时，由式3-1得
α=77.7°
由此可知要使输出电压在0~110V只要使触发角在77.7°~90°之间变化。
输出电流平均值
（3-2）
电压器二次侧电流
（3-3）
流过晶闸管的电流平均值Idt、有效值It和晶闸管承受的最高电压Utm
（3-4）
（3-5）
（3-6）
由式3-6可知，所选用的晶闸管承受的最大电压为539V。
2.变压器的选择
变压器一次侧线电压为380V，二次侧线电压为220V，变压器一、二次侧采用
连接方式，
（3-7）
由式3-7可得
式中
、
为一、二次侧线圈匝数比，
、
为一、二次侧相电压值。
对于三相桥式全控电路，变压器一、二次侧采用
连接方式时，接电动机负载，电路中接入平波电抗器电感足够大以使负载电流连续，此时变压器二次侧电流为正负半周各宽
、前沿相差
的矩形波，其有效值为：
（3-8）
由已知输出电流要求额定参数为
，则
计算变压器容量时可取
，即：
一次侧电流为：
变压器一次侧容量为：
变压器二次侧容量为：
故可选择电压器容量为：
3.2触发电路的设计
控制晶闸管的导通时需要触发脉冲，常用的触发脉冲有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。
本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相桥式全控式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。
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，有脉冲调试输出端等功能与特点。
3.2.1集成触发电路
三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ004集成块（KJ004内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分离元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。
6路双脉冲模拟集成触发电路图如图3.5所示。
图3.5触发电路图设计
3.2.2触发电路设计原理
KJ041的1-6管脚为单脉冲信号输入，把单脉冲信号由10-15管脚两两同时形成双脉冲信号，10-15管脚两两同时输出对应输送给VT6-VT1。
（1）假设在T1时刻15脚开始给VT1输送脉冲信号，刚经过60度后14脚开始给VT2双脉冲信号，即只有15脚和14脚有信号输出，其它脚没有信号输出，此时VT1和VT2同时导通；
（2）再过60度后，15脚停止输出信号，而13脚开始给VT3输出信号，即只有14脚和13脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT2和VT3同时导通；
（3）再过60度后，14脚停止输出信号，而12脚开始给VT4输出信号，即只有13脚和12脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT3和VT4同时导通；
（4）再过60度后，13脚停止输出信号，而11脚开始给VT4输出信号，即只有12脚和11脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通；
（5）再过60度后，12脚停止输出信号，而10脚开始给VT6输出信号，即只有11脚和10脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通；
（6）再过60度后，11脚停止输出信号，而15脚开始给VT1输出信号，即只有10脚和15脚有信号输出，其它管脚没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通；
重复以上步骤就可得到所要的触发脉冲。
3.3保护电路
为了保护保护设备安全，必须设置保护电路。
保护电路包括过电压与过电流保护，大致分为两种情况：
一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压户输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统是整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
本设计采用第一种方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护电路的设计。
3.3.1主电路的过压保护
晶闸管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，所以要进行过电压保护，可采用如图3.6所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。
串联的电阻时为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能产生的震荡。
整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发热。
过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换成电场能量；过电压消失后，电容放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。
图3.6反向阻断式过电压抑制RC保护电路
3.3.2晶闸管的过压保护
晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，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。
图3.7晶闸管的过电压保护
对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图3.7所示。
3.3.3晶闸管的过流保护
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。
对于晶闸管出开通是引起的较大的
，可在晶闸管的阳极的阳极回路串联入电感进行抑制。
如图3.8所示。
图3.8晶闸管的过电流保护
第4章仿真设计
仿真软件说明
Simulink是maltab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用Simulink。
Simulink是maltab中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
本设计利用Simulink进行模型的搭建从而进行仿真，用示波器显示仿真的结果。
仿真模型搭建
在Simulink界面中搭建电路结构进行仿真实验。
在Simulink元器件库中找到相关的元器件，按照设计原理搭建的电路图如图4.1所示。
图4.1仿真电路结构图
仿真分析
（1）由前面的分析可知当α<60°及仿真结果可以看出,ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载相似。
而由于电感的作用，使得负载电流的波形变得平直；当电感足够大时，负载电流的波形可近似为一条水平线。
当α=0°的仿真波形如图4.2所示。
图4.2带反电动势负载下α=0°时整流波形
（2）当α=30°时。
由于30°<60°,所以仿真波形和α=0°时的相似，其仿真波形如图4.3所示。
图4.3带反电动势负载下α=30°时整流波形
（3）当α>60°时，阻感负载的工作情况与电阻负载时不同，阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。
图4.4给出了α=90°时的波形。
若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，ud平均值近似为零。
这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为0°~90°。
图4.4带反电动势负载下α=90°时整流波形
第5章课程设计总结
本设计首先对三相桥式整流的最基本电路基本理论进行了介绍，即对带反电动势的阻感负载的电路选取了不同触发角的波形进行了重点分析。
结合波形说明了三相桥式整流的工作情况。
在此基础上，又对接反电动势负载的情况进行了更详细的阐述。
电力电子技术是一门很基础的课程，通过本次课程设计，我对电力电子技术这门课有了更深的理解和更好的掌握。
本次设计的带反电动势负载下三相桥式全控整流电路的过程中，我遇到了很多问题，好在后来经过仔细查阅资料，各类图书，以及老师和同学的帮助，问题得到了很好的解决。
在课程设计的过程中我培养了自己独立工作的能力，增强了自信心，为我今后的学习和各类的设计积累了宝贵的经验。
经过这次课程设计后，通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的知识，检验了平时的学习效果，觉得自己有一个不小的进步。
虽然有些方面有些不足，但通过阅读相关书籍，学到了更好更多的东西。
他们从另一个方面透析了自己的不足，这是很重要的，通过这次设计我学会了怎样学习别人的长处并把它变成自己的长处。
这在今后的学习生活中将会给我提供很大的帮助。
参考文献
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