电力电子技术课程设计三相半波整流电路.docx

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电力电子技术课程设计三相半波整流电路

1三相半波整流电路的负载分析

1.1引言

单相整流电路线路简单，价格便宜，制造、调整、维修都比较容易，但其输出的直流电压脉动大，脉动频率低。

又因为它接在三相电网的一相上，当容量较大时易造成三相电网不平衡，因而只用在容量较小的地方。

一般负载功率超过4kw要求直流电压脉动较小时，可以采用三相可控整流电路。

半波整流电路是一种实用的整流电路。

它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻Rfz，组成。

变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，D再把交流电变换为脉动直流电。

图1半波整流电路

变压器砍级电压e2，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，它的波形如图所示。

在0～K时间内，e2为正半周即变压器上端为正下端为负。

此时二极管承受正向电压面导通，e2通过它加在负载电阻Rfz上，在π～2π时间内，e2为负半周，变压器次级下端为正，上端为负。

这时D承受反向电压，不导通，Rfz，上无电压。

在π～2π时间内，重复0～π时间的过程，而在3π～4π时间内，又重复π～2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过Rfz，在Rfz上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，如图所示，达到了整流的目的，但是，负载电压Usc。

以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。

这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。

不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压Usc=0.45e2）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。

图2正弦波图形

1.2设计任务

设计指标：

输入电压：

三相交流380伏、50赫兹；

输出功率：

2KW；输出电压：

DC110V；

用集成电路芯片或分立元件组成触发电路；

负载性质：

电阻（10Ω）、电阻（10Ω）电感（10mH）。

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。

三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路。

2三相半波整流电路阻感负载

2.1三相半波整流电路带电阻负载

为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网。

三个晶闸管分别接入a,b,c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有共端连接方便假设将电路中的晶闸管换作二极管并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。

此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值较大，则该相对应的二级管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相的相电压。

在一个周期中，器件工作情况如下：

在wt1～wt2期间，a相电压最高，VD1导通;在wt2～wt3期间，b相电压最高，VD2导通，在wt3～wt4期间，c相电压最高，VD3导通。

此后，在下一周期相当于wt1的位置即wt4的时刻，VD1又导通，如此重复前一周期的工作情况。

因此，一周中VD1，VD2，VD3轮流导通。

每管各导通120°。

在相电压的交点wt1，wt2，wt3处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。

对三相半波可控整流电路而言，自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0°，要改变触发角只能在此基础上增大，即沿时间坐标轴右移。

若在自然换相点处触发相应的晶闸管导通，则电路的工作情况与以上分析的二极管整流工作情况一样。

当α=0°时，变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图所示，另两相电流波形形状相同，相位依次滞后120°，可见变压器二次绕组电流有直流分量。

增大α的值，将脉冲后移，整流电路的工作情况发生相应的变化。

对于α=30°的波形，从输出电压电流的波形可以看出，这时负载电流处于连接和断续的临界状态，各相仍导电120°。

如果α﹥30°，例如α=60°时，整流电压的波形如图所示，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。

此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。

这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90°小于120°。

若α角继续增大，整流电压将越来越小，α=150°时，整流输出电压为零。

固电阻负载时α角的移相范围为150°。

2.2阻感负载

如果负载为阻感负载，且L值很大，则整流电路Id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。

α≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。

α﹥30°时，例如α=60°时的波形如图，当U2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。

这种情况下Ud波形中出现负的部分，若α增大，Ud波形中负的部分将增多，至α=90°。

3设计方案选择及论证

3.1电阻性负载

如图3三只整流二极管换成三只晶闸管，如果在wtl、wt3、wt5时刻，分别向这三只晶闸管VT1、VT3、VT5施加触发脉冲，ug1,ug3，ug5,则整流电路输出电压波形与整流二极管时完全一样，如图5所示，为三相相电压波形正向包络线。

从图中可以看出，三相触发脉冲的相位间隔应与三相电源的相位差一致，即均为120°。

每个晶闸管导通120°，在每个周期中，管子依次轮流导通，此时整流电路的输出平均电压为最大。

如果在wtl、wt3、wt5时刻之前送上触发脉冲，晶闸管因承受反向电压而不能触发导通，因此把它作为计算控制角的起点，即该处的a=0。

。

若分析不同控制角的波形，则触发脉冲的位置距对应相电压的原点为30°+a

图4是三相半波可控整流电路电阻性负载口a=30。

时的波形。

设电路图5己在工作，w相的VT5已导通，当经过自然换相点l点时，虽然u相所接的VTl己承受正向电压，但还没有触发脉冲送上来，它不能导通，因此VT5继续导通，直到过1点即a=30。

时，触发电路送上触发脉冲Ug1,VTl被触发导通，才使VT5承受反向电压而关断，输出电压Ud波形由Uw波形换成Uu波形。

同理在触发电路送上触发脉冲ug3时，VT3被触发导通，使VT1承受反向电压而关断，输出电压Ud波形由Uu波形换成Uv波形，各相就这样依次轮流导通，便得到如图4所示输出电Ud的波形。

整流电路的输出端由于负载为电阻性，负载流过的电流波形站与电压波形相似，而流过VTl管的电流波形iTl仅是id波形的1／3区间，如图4所示。

U相所接的VTl阳极承受的电压波形uT1可以分成三个部分：

（1）VTl本身导通，忽略管压降，UTl=0：

（2）VT3导通，VTl承受的电压是U相和V相的电位差，UT1=Uuv：

（3）VT5导通，VTl承受的电压是u相和w相的电位差，UTI=Uuw。

从图4可以看出每相所接的晶闸管各导通120°，负载电流处于连续状态，一旦控制角a大于30°，则负载电流断续。

如图5所示，a=60°，设电路己工作，w相的VT5己导通，输出电压Ud波形为Uw波形。

当w相相电压过零变负时，UT5立即关断，此时U相的vTl虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还没有来，因此不能导通，三个晶闸管都不导通，输出电压Ud为零。

直到U相的触发脉冲出现，VTl导通，输出电压Ud波形为Uu波形。

其他两相亦如此，便得到如图5输出电压Ud波形。

VTl阳极承受的电压波形UTl除上述三部分与前相同外，还有一段是三只晶闸管都都不导通，此时UT1波形承受本相相电压Uu波形，如图5所示。

述分析可得出如下结论：

（1）当控制角a为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到a=150。

时，输出电压为零。

所以此电路的移相范围是0°～150°。

（2）当a≤30°时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120°；当a>30°时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150°一a°

由此整流电路输出的平均电压Ud的计算分两段：

（1）当0°≤a≤30°时

（2）当30°

负载平均电流:

Id=Ud/Rd

每个晶闸管的平均电流:

Idt=1/3Id

晶闸管承受的最大电压:

Utm=√6U2

对三相半波可控整流电路电阻性负载而言，通过整流变压器二次绕组电流的波形与流过晶闸管电流的波形完全一样。

图3电路图

图4三相半波可控整流电路电阻性负载口a=30°时的波形图5三相相电压波形正向包络线

3.2电感性负载

电路如图6所示，设电感Ld的值足够大，满足Ld>>Rd，则整流电路的输出电流id连续且基本平直。

以a=60°为例，在分析电路工作情况时，认为电路已经进入稳态运行。

在wt=0时，w相所接晶闸管VT5已经导通，直到wtl时，其阳极电源电压Hw等于零并开始变负，这时流过电感性负载的电流开始减小，因在电感上产生的感应电动势是阻止电流减小的，从而使电感上产生的感应电动势对晶闸管来说仍然为正，VT5继续导通。

直到wt2时刻，即a=60°时，触发电路送上触发脉冲Ugl，VTl被触发导通，才使VT5承受反向电压而关断，输出电压Ud波形由Uw波形换成Uu波形。

如此下去，得到输出电压Ud，如图所示，Ud波形电压出现负值，但只要Ud波形电压的平均值不等于零，电路可正常工作，电流id连续平直，波形如图7所示。

三只晶闸管依次轮流导通，各导通120°，流过晶闸管的电流波形为矩形波，如图7所示。

UTI波形仍由三段曲线组成，和电阻负载电流连续时相同。

当a<=30°时，Ud波形和电阻性负载时一样，不过输出电流id是平直的直线。

随着控制角的增大超过30°时，整流电压波形出现负值，导致平均电压Ud降。

当a=90°时Ud波形正、负面积相等，平均电压Ud为零，所以三相半波电感性负载的有效移相范围是0°——90°。

电路各物理量的计算如下

Id=Ud/Rd因为电流连续平直，负载电流有效值I即是负载电流平均值Id。

则有Idt=1/3Id,It=√1/3Id,Utm=√6U2

图6三相半波大电感不接续流管时电路

图7三相半波大电感负载不接续流管时的波形图

为了避免波形出现负值，可在大电感负载两端并接续流二极管VD，以提高输出平均电压值，改善负载电流的平稳性，同时扩大移相范围。

接续流二极管后a=60。

时的电路和波形，如图8、图9。

因续流二极管能在电源电压过零变负时导通续流，使得Ud波形不出现负值，输出电压Ud波形同电阻负载一样。

三只晶闸管和续流管轮流导通。

VTl承受的电压波形Ut1除与上述相同的部分之外，还有一段是三只晶闸管都不导通，仅续流管导通，此时UTI波形承受本相相电压Uu波形。

通过分析波形，同样可见，当a≤30。

时，Ud波形和电阻性负载时一样，因波形无负压出现，续流二极管VD不起作用，各量的计算与不接续流管时相同；当a>30。

时，电压波形间断，到a=150°时，平均电压Ud为零，所以三相半波电感性负载接续流管的有效移相范围是0°--150°。

各相晶闸管导通角为150°一a，续流管导通角为3（a-30°）。

a>30°时，电路各物理量的计算公式如下

图8三相半波大电感负载接续流管时的电路

图9三相半波大电感负载接续流管时的波形图

4总体电路设计

图10触发电路

图11主电路的过压保护

图12晶闸管的过电压保护

图13晶闸管的过电流保护

图14主电路

5各功能模块电路设计

5.1电阻性负载

图15原理图

（1）当控制角a为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到a=150。

时，输出电压为零。

所以此电路的移相范围是0°～150°。

（2）当a≤30°时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120°；当a>30°时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150°一a°

由此整流电路输出的平均电压Ud的计算分两段：

（1）当0°≤a≤30°时

（2）当30°

负载平均电流:

Id=Ud/Rd

每个晶闸管的平均电流:

Idt=1/3Id

晶闸管承受的最大电压:

Utm=√6U2

5.2电感性负载

图16原理图

图17原理图

当a<=30°时，Ud波形和电阻性负载时一样，不过输出电流id是平直的直线。

随着控制角的增大超过30°时，整流电压波形出现负值，导致平均电压Ud降。

当a=90°时Ud波形正、负面积相等，平均电压Ud为零，所以三相半波电感性负载的有效移相范围是0°——90°。

电路各物理量的计算如下

Id=Ud/Rd因为电流连续平直，负载电流有效值I即是负载电流平均值Id。

则有

Idt=1/3Id,It=√1/3Id,Utm=√6U2

a>30°时，电路各物理量的计算公式如下：

6总体电路

6.1电路的分析

电路的分析方法与波形及平均电压Ud的计算同大电感负载时一样，只是输出平均电流Id的计算应该为Id=（Ud-E）/Ra式中，E为电枢反动势，Ra为电枢电阻。

图18原理图

如图三只整流二极管换成三只晶闸管，如果在wtl、wt3、wt5时刻，分别向这三只晶闸管VT1、VT3、VT5施加触发脉冲，ug1,ug3，ug5,则整流电路输出电压波形与整流二极管时完全一样。

三相触发脉冲的相位间隔应与三相电源的相位差一致，即均为120°。

每个晶闸管导通120°，在每个周期中，管子依次轮流导通，此时整流电路的输出平均电压为最大。

如果在wtl、wt3、wt5时刻之前送上触发脉冲，晶闸管因承受反向电压而不能触发导通，因此把它作为计算控制角的起点。

设电路图己在工作，w相的VT5已导通，当经过自然换相点l点时，虽然u相所接的VTl己承受正向电压，但还没有触发脉冲送上来，它不能导通，因此VT5继续导通，直到过1点即a=30。

时，触发电路送上触发脉冲Ug1,VTl被触发导通，才使VT5承受反向电压而关断，输出电压Ud波形由Uw波形换成Uu波形。

同理在触发电路送上触发脉冲ug3时，VT3被触发导通，使VT1承受反向电压而关断，输出电压Ud波形由Uu波形换成Uv波形，各相就这样依次轮流导通，便得到输出电Ud的波形。

整流电路的输出端由于负载为电阻性，负载流过的电流波形站与电压波形相似，流过VTl管的电流波形iTl仅是id波形的1／3区间，U相所接的VTl阳极承受的电压波形uT1可以分成三个部分。

图19原理图图20原理图

设电感Ld的值足够大，满足Ld>>Rd，则整流电路的输出电流id连续且基本平直。

在分析电路工作情况时，认为电路已经进入稳态运行。

在wt=0时，w相所接晶闸管VT5已经导通，直到wtl时，其阳极电源电压Hw等于零并开始变负，这时流过电感性负载的电流开始减小，因在电感上产生的感应电动势是阻止电流减小的，从而使电感上产生的感应电动势对晶闸管来说仍然为正，VT5继续导通。

直到wt2时刻，即a=60°时，触发电路送上触发脉冲Ugl，VTl被触发导通，才使VT5承受反向电压而关断，输出电压Ud波形由Uw波形换成Uu波形。

如此下去，得到输出电压Ud，如图21所示，Ud波形电压出现负值，但只要Ud波形电压的平均值不等于零，电路可正常工作，电流id连续平直，三只晶闸管依次轮流导通，各导通120°，流过晶闸管的电流波形为矩形波，UTI波形仍由三段曲线组成，和电阻负载电流连续时相同。

为了避免波形出现负值，可在大电感负载两端并接续流二极管VD，以提高输出平均电压值，改善负载电流的平稳性，同时扩大移相范围。

图21电路图

在直流电力拖动系统中，多数为串电感的电动机负载。

为了使电枢电流五波形连续平直，在电枢回路中串入电感量足够大的平波电抗器Ld，这就是含反电动势的大电感负载。

为了提高输出平均电压Ud的值，也可在输出端加续流二极管。

在续流期间，负载电流通过二极管，相应减轻了晶闸管负担。

但加了续流管后，不能用在可逆拖动系统中，只能做整流输出电路。

当串入的平波电抗器Ld电感量不足时，电感中储存的磁场能量不足以维持电流连续，此时，输出电压Ud波形出现由反电动势E形成的台阶。

总结

我在这次的设计里的收获和体会是比较多的，大致总结如下：

（1）要学会搜集和查阅资料。

对于我们接触的许多东西，我们可能是没有学过的，甚至没有见过的，我们要学会从各种渠道去搜集关于这个方面的知识，去学习它，知道可以应用它。

（2）如何完成一个任务。

对于我们接触到一个任务时，我们要学会将这个任务进行转化，也就是尽量转化到我们熟悉的知识上来。

当我们完成任务的转化后，还要学会分解任务，也就是要清楚，我们要完成这个任务要分为那几个部分，就象这次的设计要分解为标准秒振荡器、计数器、译码驱动器和显示器四个小任务，然后再各个任务击破。

（3）对于我们在做事过程中发现的问题要冷静的思考，不要盲目的进行。

有一些问题当你好好思考一下时，就会发现是一个很好解决的问题。

二盲目的进行，只会是浪费时间没有效果。

（4）在一些实际的操作过程中，要学会去尝试自己的想法，不要局限于书本。

也就是学会一点创新精神。

总之，在这次设计过程中所得到的体会，在过去是没有过的，在书本是也是无法找到的。

所以，我十分珍惜和留恋这次的课程设计，在这次的课程设计中，老师给予了我们十分大的帮助，而且教会了我们许多的关于以后的学习、工作和科研方面应该如何去做。

所以在此我表示对他们的感谢。

而且在这次的课程设计当中，我们组的同学都积极参与，合作十分愉快。

我在以后的学习、工作中一定会把这次的体验加以发扬光大。

总之以后要好好学习，更加努力的汲取知识。

我相信我以后可以做的更好！

致谢

在这次实训设计的过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢石黄霞老师，本次设计是在庞老师的精心指导和鼓励下完成的。

在石老师两周内给我们指导，还有大三学长的经验帮助下，使我在我的学习生涯里又增添了一笔宝贵的文化知识。

在此，向庞老师还有帮助过我的同学表示衷心的感谢！

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计中难题。

同时也感谢老师为我提供良好的做设计的环境。

此外，我还要感谢在我的论文中所有被援引过的文献的作者们，他们是我的知识之源！

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

参考文献

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中国石油大学出版社,2004.6.

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重庆大学出版社,1997.

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北京大学出版社,2006.1

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