电力电子课设三相桥式半控整流.docx
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电力电子课设三相桥式半控整流
目
录
前言........................................................................................................................
2
1
题目分析及设计思路与方案............................................................................
2
1.1
初始条件.................................................................................................
2
1.2
设计思路与方案.....................................................................................
2
2
选定供电方案.....................................................................................................
4
3
主电路的设计与原理说明.................................................................................
4
3.1
主电路图的确定.....................................................................................
4
3.2
主电路原理说明.....................................................................................
5
3.3
对续流二极管的说明.............................................................................
7
3.4
主电路相关参数的计算.........................................................................
8
4
整流器的相控触发电路的设计.........................................................................
9
4.1
触发电路方案选择.................................................................................
9
4.2
常用的集成触发电路..........................................................................
10
4.3
触发电路的定相.................................................................................
11
5
保护电路的设计及相关参数的计算...............................................................
13
5.1
过电流保护..........................................................................................
13
5.2
过电压保护..........................................................................................
14
6
应用举例...........................................................................................................
16
7
心得体会...........................................................................................................
17
参考文献..............................................................................................................
18
前言
电力电子课程设计是在学生完成基础课程学习与实验之后进行的综合性实践过程，其意义在于巩固、提高、综合先修的电力电子课程的内容，使学生对书本知识有更深一步的了解,让学生在实践过程中，真正理解、领会所学的知识，并加以融会贯通，，培养学生查阅相关文献的能力、独立分析和解决实际问题的能力、以及创新能力，为后续的毕业设计打下良好的基础。
中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足，直流电是一种能够储备的能源，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。
本次课程设计的任务就是整流电路，整流电路就是把交流电能转换为直流电能供给直流用电设备的电路。
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。
三相桥式电路整流器的设计
1题目分析及设计思路与方案
1.1初始条件
1、阻感负载，电阻R=50欧，电感L极大；
2、负载电压0—300V，负载电流1A；
3、变压器的二次侧电压U2=220V。
1.2设计思路与方案
三相桥式整流电路分为三相全控桥和三相半控桥，按照设计要求，进行如下
计算来选择设计方案：
假设选择三相全控桥，则在阻感负载的条件下，输出的负载电压的平均值为：
Ud
2.34U2
cos
Ud
RId
501
50V
U2
220V
求得
84.43
由已学过的电力电子知识可知，当
60，三相全控桥阻感负载时，由于
电感
L的作用，
Ud的波形会出现负的部分，不满足题目所要求的
Ud的范围为
0~300V
。
故在本次课程设计中我选择三相半控桥式整流电路。
在对于三相桥式半控整流电路的设计中，主要分为五个部分：
○1供电方案：
采用三相交流电源通过变压器向整流电路供电，变压器的二
次侧电压U2220V。
○2主电路的设计：
使用三相半控桥的整流电路，设置相关电流电压相位角
等参数来达到设计的要求指标。
○3相控触发电路的设计：
采用锯齿波同步KJ004集成触发电路，利用一个
同步变压器对触发电路定相，保证触发电路和主电路频率一致，触发晶闸管，使
三相半控桥将交流整流成直流。
○4保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护，利用快速熔断器进行
过电流保护。
○5应用举例说明：
本次设计中以直流电动机的调速为例来说明三相桥式整
流电路的应用。
整个设计的结构框图如图1所示。
当接通电源时，三相桥式半控整流电路主
电路通电，同时通过同步电路连接的集成触发电路也通电工作，形成触发脉冲，
使主电路中晶闸管触发导通工作，经过整流后的直流电供给负载使用。
电源三相桥式半控整流电路R+L负载
触
同步电路
触
发
发
模
信
块
号
集成触发器
图1
2选定供电方案
三相桥式半控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶
闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。
变压
器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，变流主电路和电网之间用变压器隔离，
还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。
电网流入电压经过变压器后能得到变
压器二次侧相电压为U2220V即可。
3主电路的设计与原理说明
3.1主电路图的确定
将三相桥式全控整流电路中的一组晶闸管用三只二极管代替，就构成了三相
桥式半控整流电路。
只要控制三相桥中一组晶闸管，就可以控制三相桥式半控整
流电路的输出电压，它较全控桥更简单、经济。
习惯上希望各管按从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a、b、c三相电源相
接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的
3个晶闸管分别为VD4、VD6、VD2。
从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通
顺序为VT1－VD2－VT3－VD4－VT5－VD6。
此主电路要求带阻感负载，电阻R=50Ω，
电感L无穷大，使负载电流连续。
其原理如图2所示。
图2
3.2主电路原理说明
三相桥式半控整流电路是由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极
揭发的三相半波不可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控整流
电路两者的特性。
共阳极组三个整流二极管总是在自然换相点换流，使电流换到
比阴极电位更低的一相中去，而共阴极组的三个晶闸管则要在触发后才能换到阳
极电位高的一相中去。
输出整流电压Ud的波形是三组整流电压波形之和，改变共阳极组晶闸管的控制角可获得0~2.34U2的直流可调电压。
图中VT1、VT3和VT5为触发脉冲相位互差120°的晶闸管，VD2、VD4和
VD6为整流二极管，有这六个管子组成三相桥式半控整流电路。
它们的导通顺
序依次为：
VT1--VD2--VT3--VD4--VT5--VD6，各管一个周期内工作情况如表1。
假定负载电感L足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值，
因此不论控制角为何值，负载电流如总是单向流动，而且变化很小。
表1
当0时即触发脉冲在自然换相点出现时，整流电路输出电压最大，其数
值为2.34U2，ud波形与三相全控桥式整流电路在0时输出的电压波形一
样。
当
60时，如图
3所示的为
30时的波形。
t1时,触发
VT1
管导通，
此时共阳极组二极管VD6阴极电
位最低，所以VT1和VD6导通，
负载电压uduab。
t2时，共阳极
组二极管自然换流，VD2导通，
VD6关断，负载电压uduac。
t3
时，虽然到了共阴极组自然换相
点，但VT3的触发脉冲未到，所以
VT1继续导通，直到t4时刻为止。
t4时，触发VT3管导通后使VT1
管承受反向电压而关断，负载电压
udubc。
以次类推，负载上得到
的波形ud在一个周期内得到的是
三个缺角波头连接三个完整波头
的脉动波形。
图3
当60时，ud波形刚好只剩下三个波头，波形刚好维持连续。
当60180时,ud波形如图4，波形不连续，但由于有续流二极管的存
在，ud波形与电阻负载时一样不会
出现负的部分。
VT1管在Uac电压
的作用下,t1时刻开始导通,到
t2时刻A相相电压为零VT1管仍
不会关断,因为使VT1管正向导通
的不是相电压而是线电压,到t3
时刻Uac0,VT1才关断，再由续
流二极管续流。
在t3~t4期
间,VT3虽受Uab正向电压，但门极无触发脉冲，故VT3不导通，波形
出现断续。
到t4时刻，VT3才触
发导通，一直到Uba线电压为零时
关断。
角的移相范围为0~180o。
图4
3.3对续流二极管的说明
类似于单相半控桥，三相半控桥式整流电路在带大电感负载时，如负载端不
加接续流二极管则会出现失控的现象，在整流电路工作过程中，如突然切断触发
信号或把控制角突然增大到180o时，电路中会发生某个导通着的晶闸管不关断，
而共阳极组的三个整流管轮流导通的现象。
假定在VT3管导通时，触发脉冲突
然消失，则VT1，VT5不可能再导通，整流输出电压
udubc。
当uauc时，
VD2自然换流至VD4、VD2关断，VD4导通，ud
uba.当ucub时，又从VD4
换至
VD6，电流通过
VT3、VD6
续流，
ud
0，VT3
没办法继续导通，整个电
路的工作也就停止。
为解决失控问题，在负载两端必须并接续流二极管，这样电路在线电压过零
后，由续流二极管导通续流，晶闸管上电流为零关断，输出电压ud波形与带电
阻性负载时一样，不会出现负电压。
接有续流二极管的三相半控桥电路，只有在α>60o以后续流管才有电流流过。
3.4主电路相关参数的计算
（1）输出电压平均值的计算
三相桥式半控整流电路阻感负载平均电压Ud的计算要分别考虑电压波
形连续和断续的情况。
当电压波形连续时（
60，120
180）：
Ud
3
2π
2π
π
π
3
6U2sintd（t）
2π6U2sin（t
）d（t）1.17U
2（1cos）
2π
3
3
3
当电压波形断续时（
60
120
）：
Ud
3
π
6U2sintd（
t）
1.17U2（1
cos
）
2π
由此可见，
d
1.17
2
（1
cos
）
○
U
1
U
（2）的范围的计算
将U
d
V
，代入
○
可得：
1
0~300
当Ud
0
时，=180°，当Ud
300V时，
=80.47°
所以：
80.47°<
<180°
○
2
（3）当Id
1A
时的
的计算：
此时，Ud
Id
R1
50
50V
○
由公式
○
1
可得
=143.68°
3
（4）流过二极管、晶闸管的电流参数计算：
流过整流二极管和晶闸管的平均电流：
π
○
IdVTIdVD
Id0.1A
4
2π
电流有效值为：
π
IVTIVD
2πId0.32A
流过续流二极管电流的平均值和有效值分别为：
IdVDRπId0.798A
IVDR
πId
0.893A
（5）晶闸管的额定参数的计算
晶闸管和二极管承受的最大电压为：
U
VTM
U
VDM
U
V
6
2538.89
故晶闸管的额定电压为：
U
N
（2~3）538.89
V
1077.78~1616.67
流过每个晶闸管的电流的有效值为：
IVT
IVD
π
Id
0.32A
2π
故晶闸管的额定电流为：
IN
（1.5~2）
0.32/1.57
0.31~0.41A
（6）变压器参数计算
变压器二次电流有效值：
I2
π
0.45A
Id
π
变压器容量：
S2
3U2I2
3220
0.45
171.47V
A
○5
○7
○8
○9
○10
○11
○12
○13
○14
4整流器的相控触发电路的设计
4.1触发电路方案选择
同步信号为锯齿波的触发电路由脉冲形成环节，锯齿波形成，脉冲移相，同步环节和双窄脉冲形成环节。
在本学期课程中我们学到的是三相全控桥的触发电路。
举一反三的来说，三相半控桥的触发和全控桥不同的是：
全控桥在其合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲，而半控桥中，只需触发一组晶闸管，另一组二极管是自然导通。
但两
者都是间隔120度触发，故本次设计中仍可沿用三相全控桥的触发电路，将多出的端口不接到二极管即可实现。
下面分析全控桥触发方式，对三相桥式全控整流电路，在其合闸启动过程中
或电流断续时，为确保电路在正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。
为此，可采用两种方法：
一种是使脉冲宽度大于600（一般取800～1000），称为
宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前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600，脉宽一般为200～300，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率小。
宽
脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压饱和，需将铁心体积做
得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大。
因此，常用的是双脉冲触发。
所以本三
相半控桥式整流电路也采用锯齿波双窄脉冲同步触发电路。
4.2常用的集成触发电路
常用的三相桥式整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个
KJ041集成块组成的，脉冲产生后由六个晶体管进行放大。
R12
16
+15V
R1R3R4R6R7R8
R10
R11R14
R15
V9
VS1
V20
4
R18
V18
V17
D
V10
V11
VS2
R19
V5
D
6
VS7
V19
D
VS6
VS3
V
R
8
3
V
V
1
20
VS4
VD2D
8
RP
V1
V
V
V
V
V
R
R
17
5
6
7
16
4
7
R5
4
VD1
u
R
V14
s
V2
13
VD7
VS
R21
V3
VS8
9
V13
V15
V16
VS5
V12
R2
15
R20
R22
5
R23
3
4
9
11
1213
14
+15V
RP
R
C1
R
+15V
1
24
R26R25
C2
28
ubucoR27
图5KJ004电路原理图
KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿
波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见图5：
锯齿波的
斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流
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