最新三相桥式全控整流电路课程设计.docx
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最新三相桥式全控整流电路课程设计
目录
1.绪论......................................................1
2.主电路设计及原理..........................................2
2.1总体框架图..........................................2
2.2三相桥式全控整流电路的原理........................2
2.3实验内容..........................................5
3.单元电路设计..............................................7
3.1主电路.............................................7
3.2触发电路...........................................7
3.3保护电路...........................................8
3.4硬件电路PCB版图..................................11
3.4.1顶层视图.....................................11
3.4.2底层视图.....................................12
3.4.3顶层覆盖图...................................12
3.4.43D视图......................................13
4.电路分析与仿真...........................................14
4.1带电阻负载的波形分析..............................14
4.2三相桥式全控整流电路定量分析......................16
4.2.1仿真模型图..................................19
4.2.2仿真实验结论................................19
5.结论.....................................................20
6.参考文献.................................................22
7.附录.....................................................23
第一章绪论
整流电路技术在工业生产上应用极广。
如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它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。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。
把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。
整流器的输入端一般接在交流电网上。
为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。
由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。
以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。
为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。
第二章主电路设计及原理
2.1总体框架图
图2.1总体框架图
2.2三相桥式全控整流电路的原理
一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。
一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。
（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。
（2）对触发脉冲的要求：
1）按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。
2）共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。
3）同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。
（3）Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：
一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）
（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。
三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。
在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。
6个晶闸管导通的顺序是按VT6–VT1→VT1–VT2→VT2–VT3→VT3–VT4→VT4–VT5→VT5–VT6依此循环，每隔60°有一个晶闸管换相。
为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。
三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。
三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。
由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：
一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的a＞90°，使Ud为负值。
三相桥式全控整流电路原理图
2.3实验内容
⒈接线
在实验装置断电的情况下，按三相桥式全控整流及有源逆变电路实验线路图及接线图进行接线。
图中的可调电阻器Rp，选用MEL﹣03中的其中一组可调电阻器并联，Rp的初始电阻值应调到最大值。
⒉触发电路调试
将MCL﹣32电源控制屏的电源开关拨向“开”的位置，接通控制电路电源﹙红色指示灯亮﹚。
⑴检查晶闸管的触发脉冲是否正常。
用示波器观察MCL﹣33脉冲观察孔“1”～“6”，应有相互间隔60o，幅度相同的双脉。
⑵用示波器观察每只晶闸管的控制极、阴极，应有幅度为1V﹣2V的脉冲。
⑶调节MCL﹣31的给定电位器RP1使Ug＝0V，然后调节偏移电压Ub使a＝150o，逐渐调节给定电压Ug，观察触发脉冲移相范围是否满足a＝30°～150°。
⒊三相桥式全控整流电路
⑴调节MCL﹣31的给定电位器RP1使Ug＝0V。
⑵将主电路开关S1拨向左边短接线端接通电阻负载，将Rd调至最大值（450W）。
⑶按下MCL﹣32电源控制屏的“闭合”按钮，接通主电路电源﹙绿色指示灯亮﹚。
⑷调节MCL﹣31的给定电位器RP1使a＝90°，用示波器观察记录整流电路输出电压Ud＝f（t）以及晶闸管两端电压UVT＝f（t）的波形。
采用类似方法，分别观察记录a＝30°、a＝60°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）的波形。
⒋三相桥式有源逆变电路
⑴调节MCL﹣31的给定电位器RP1使Ug＝0V。
⑵按MCL﹣32电源控制屏的“断开”按钮，切断主电路电源﹙红色指示灯亮﹚，将主电路开关S1拨向右边的不可控整流桥接线端，将Rd调至最大值（450W）。
⑶按下MCL﹣32电源控制屏的“闭合”按钮，接通主电路电源﹙绿色指示灯亮﹚。
⑷调节MCL﹣31的给定电位器RP1，使a＝90°，用示波器观察记录逆变电路输出电压Ud＝f（t）以及晶闸管两端电压UVT＝f（t）的波形。
采用类似方法，分别观察记录a＝120°、a＝150°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）的波形。
五．实验报告
⒈绘制三相桥式全控整流电路控制角a为30°、60°、90°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）波形。
⒉绘制三相桥式有源逆变电路控制角a为90°、120°、150°时Ud＝f（t）、UVT＝f（t）波形。
⒊简述通过实验的心得体会及建议。
三相桥式全控整流及有源逆变电路实验线路图及接线图
第三章单元电路设计
3.1主电路
主电路为带电阻负载的三相桥式电路,用protel绘制如下所示:
图3.1主电路图
3.2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，再由六个晶体管进行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路,用protel绘制的完整触发电路如下所示：
图3.2.2完整触发电路图
3.3保护电路
我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的副值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。
抑制过电压的方法不外乎三种：
用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。
对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。
所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。
使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。
由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。
如图3.3.1
图3.3.1RC吸收电路
（1）晶闸管的过电压保护
晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也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。
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3.3.2
图3.3.2阻容保护电路
（2）晶闸管的过电流保护
在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：
电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。
所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。
常见的过电流保护有：
快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种：
桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。
过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。
限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。
直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
总结的结果：
最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。
图6
3.4硬件电路PCB板图
3.4.1顶层视图
图19
3.4.2底层视图
图3.4.2PCB底层视图
3.4.3顶层覆盖图
图3.4.3PCB顶层覆盖图
3.4.43D视图
图3.4.4PCB3D视图
第四章电路分析与仿真
4.1带电阻负载的波形分析
（1）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。
波形图：
a=0（图4.1）；a=30（图4.2）；a=60（图4.3）
（2）当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值
波形图：
a=90（图4.4）
（3）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120
（4）晶闸管及输出整流电压的情况如表4-1所示：
表4-1
时段
共阴级组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阴级组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压
ua-ub=uab
ua-uc=uac
ub-uc=ubc
ub-ua=uba
uc-ua=uca
uc-ub=ucb
图4.1α=0º
图4.2α=30º
图4.3α=60º
图4.4α=90º
4.2三相桥式全控整流电路定量分析
1.当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：
2.带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为：
输出电流平均值为：
Id=Ud/R
3.晶闸管额定电流、额定电压的选择：
（1）晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即
（2）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即
（3）输出电压Ud为0~200V，负载电阻R=2
，输出负载电流为：
（4）晶闸管上流过电流为：
选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。
额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.5~2倍。
4.仿真实验
基本参数组:
整流变压器输出相电压为100V,负载R=2Ω。
输出电压为200V。
4.2.1仿真模型图
图4.2.1仿真模型图
4.2.2仿真实验结论
通过仿真实验和多组仿真实验结果对比分析可知，当触发角α发生改变时，电路的工作情况也发生变化。
α增大ud平均值降低，Id也随之降低，三相电源电流大小下降，三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形波纹变大。
加入滤波电容和滤波电感，使得谐波含量减少，波形更加平缓光滑
第五章结论
这是继单片机课程设计之后的第二个学科课程设计。
这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计，由于这是电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，所以这个知识点我掌握的比较透彻，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。
整个课程设计的过程中，重点难道还是在protel原理图的绘制和PCB板的绘制。
在弄懂了设计原理后，首先要用MATLAB进行仿真，用Simulink搭建模块，进行仿真实验，根据要求设计相关参数，模块搭建好后，通过调节触发角得到了不同的波形。
由于开始没有加滤波装置，所得仿真波形与理论结果还是有较大差别的，后来在老师的提醒后加入了滤波装置，才得到比较理想的波形。
由于触发电路比较复杂，所以直接使用了Simulink里面原有的脉冲发生模块。
在仿真实验中比较关键的是参数的设置。
仿真做完了之后是做硬件实验，由于条件所限老师只让我们画出电路板就可以了。
硬件部分是这次课程设计的重点难点，尤其是画PCB板。
画PCB板一般是用Protel软件，由于之前没有接触过Protel，所以在接到任务后马上去图书馆借了两本关于Protel速成使用的参考书。
经过突击对Protel的使用基本上有了了解。
首先是画原理图，原理图中的触发模块和保护模块都是直接使用课本上的。
由于许多元件Protel都没有，还得自己画，特别注意要封装。
关键是接下来把原理图转化为PCB板。
这涉及到许多步骤，如敷铜走线等，布线时先手工布线得到一个电路的大体布局，再使用自动布线。
这一步是在其他同学的帮助下完成的。
通过此次课程设计，我从完全不懂到逐渐了解，再到基本学会使用Matlab和Protel,它们都是与我们专业密切联系的软件。
其中掌握了用Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作，也涉及了Protel的使用，初步学会了原理图SCHDOC的绘制，了解PCB板绘制的一般流程。
当然这次实验有遇到了不少的困难，也出现了不少的错误，反映出基础知识的某些地方还有薄弱的地方。
通过自己查找资料，苦心探索实践，与同学讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。
不论是在基础理论上还是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。
此外，由于这次课程设计是两人一组，经过此次历练后提高了我的协调合作能力。
很高兴有这么一次课程设计的机会，我想它将对以后的学习和今后的工作带来一定的好处。
电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。
因此，电力电子装置的应用是十分重要的。
电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源，恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说电力电子技术研究的也是电源技术。
本文在熟悉三相桥式整流电路基本原理的基础上，总结了一些主电路参数整定方法，讨论了不同整定方案对系统性能的影响，总结出一些较为实用的方法和规律。
本文也对三相桥式全控整流装置相当于一个谐波发生器的理论进行了分析与介绍，强调采取必要措施抑制和消除谐波的重要性。
参考文献
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机械工业出版社，2000.
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机械工业出版社，1993.
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机械工业出版社，2006.
[4]陈治明.电力电子器件基础[M].北京：
机械工业出版社，1992.
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机械工业出版社，2006.
[6]赵可斌，陈国雄.电力电子变流技术[M].上海：
上海交通大学出版社，1993.
[7]张立，赵永健.现代电力电子技术[M].北京：
科学出版社，1992.
[8]丁道宏.电力电子技术[M].北京：
航空工业出版社，1992.
[9]尹克宁.电力工程[M].北京：
中国电力出版社，2008.
[10]邵丙衡.电力电子技术[M].北京：
中国铁道出版社，2007.
附录
附录一元器件清单
Comment
Description
Designator
Footprint
LibRef
Quantity
Cap
Capacitor
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11
RAD-0.3
Cap
11
DIODE
D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10D11、D12
DIODE0.4A
DIODE
12
KJ004
K1、K2
DIP16
KJ004
2
-15v
Header,2-Pin
P1
HDR1X2
Header2
1
+15v
Header,2-Pin
P2
HDR1X2
Header2
1
Header3H
Header,3-Pin,RightAngle
P3
HDR1X3H
Header3H
1
NPN
NPNBipolarTransistor
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6
BCY-W3
NPN
6
SCR
SiliconControlledRectifier
Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12
SFM-T3/E10.7V
SCR
6
Res2
Resistor
R1、R2、R3、R4、R5、R6
AXIAL0.5
Res2
6
ResAdj2
VariableResistor
R7、R8、R9、R10、R11、R12
AXIAL-0.6
ResAdj2
1
Res2
Resistor
R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23R24R25R26R27R28R29R30
AXIAL0.5
Res2
18
Res2
Resistor
R31
AXIAL-0.4
Res2
1
Res2
Resistor
R32、R33
AXIAL0.5
Res2
2
Header6X2H
Header,6-Pin,Dualrow,RightAngle
T1
HDR2X6H
Header6X2H
1
KJ04
U1
DIP16
Component_1
1
KJ04
U2
DIP16
Component_1
1
ResTap
TappedResistor
VR1
VR5
ResTap
1
ResTap
TappedResistor
VR2
VR5
ResTap
1
附录二总电路图
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