1、课程设计说明书 题目名称：三相桥式全控整流电路设计系 部： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 新疆工程学院 课程设计评定意见设计题目 三相桥式全控整流电路设计 系 部 专业班级 学生姓名_ 学生学号 评定意见：评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日（此页背书）评定意见参考提纲：1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2、学生的勤勉态度。3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。新疆工程学院_系(部)课程设计任务书 学年第 学期 年 月 日专业班级课程名称电力电子课程设计设计题目三相桥式全控整流电路
2、设计指导教师起止时间2014.6.16-6.22周数一周设计地点设计目的：1、 贯彻理论联系实际的教学原则，巩固和扩大已学过的电子技术的基础知识，为技术基础课和专业课程的学习建立初步的感性认识并提高学生的工程实践能力 2、了解一种电子设备主要零部件加工过程的技术要求、结构原理以及装配调试工艺。 3、培养学生的劳动观念，加强组织性和纪律性，促进学生综合素质的全面提高设计任务或主要技术指标：1. 三相全控桥式主电路设计（包括整流变压器参数计算，整流元件定额的选择，平波电抗器电感量的计算等）,讨论晶闸管电路对电网及系统功率因数的影响。2.触发电路设计。触发电路选型（可使用集成触发器），同步信号的定相
3、等。3.晶闸管的过电压保护与过电流保护电路设计。4.提供系统电路图纸不少于一张。设计进度与要求：设计进度：第1天：选题，查资料；第2天：进行方案分析，确定设计方案；第3天：电路原理设计；第4天：检查设计，修改设计；第5天：编写整理设计说明书。设计要求：1. 所设计的电路达到设计任务要求。 2. 分析结果，写出设计说明书。主要参考书及参考资料： 1 王兆安，黄俊. 电力电子技术M. 4版. 北京：机械工业出版社，2000.2 黄俊，王兆安. 电力电子技术M. 3版. 北京：机械工业出版社，1993.3 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 2版. 北京： 机械工业出版社，2006.教研室主任（签名
4、） 系（部）主任（签名） 摘 要电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流、逆变、斩波、变频、变相等）两个分支。它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。 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
5、、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。关键词：整流电路、晶闸管、三相桥式全控整流目 录1 电力电子器件的了解11.1 电力二极管11.1.1整流二极管的常用参数:11.2 晶闸管简介11.2.1 晶闸管的工作原
6、理11.2.2整流器件的定额计算和选择41.3 晶闸管对电网的影响42 三相全控桥式主电路设计62.1 整流变压器的设计62.1.1 整流变压器的设计原理62.1.2 整流变压器的参数设定62.1.3变压器次级相电压的计算72.1.4 初、次级电流与变压器容量的计算82.1.5变压器参数计算和选择92.2 三相桥式全控整流电路的原理102.3 三相全控桥的工作特点122.3.1 阻感负载时的波形分析122.4 平波电抗器的参数及选择132.4.1 电抗器的电感132.4.2 整流变压器漏电感的计算142.5 系统功率因数的讨论152.6 定量分析与参数计算162.7 实验内容172.7.1 接
7、线172.7.2 触发电路调试172.7.3 三相桥式全控整流电路173 单元电路设计193.1 主电路193.2 触发电路193.2.1 触发电路设计目的193.2.2 设计的任务指标及要求193.3.3 触发电路设计方案的选择193.3.4 方案选择的论证203.3 保护电路213.3.1 交流侧保护电路213.3.2 晶闸管的过电压保护233.3.3 直流侧阻容保护电路243.3.4 晶闸管的过电流保护25总 结27致 谢28参考文献291.电力电子课程设计1 电力电子器件概念 1.1 电力二极管 它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导
8、通、反向截止的功能；电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 1.1.1整流二极管的常用参数: （1）最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为1A。 （2）最高反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流(IR)剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。例如1N4001的VR为50V，1N4007的VR为1O
9、OOV 。 （3）最大反向电流IR：它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。 （4）击穿电压VR：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压值。1.2 晶闸管简介 晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管的开通和关
10、闭和三极管有很大的差别，可以视为一个双稳态器件，只具有两个工作状态即开通和关闭。晶闸管的开通受2个条件约束，阴阳极的正偏压和门极与阴极的正偏压，关断则只需要流过管子的电流小于一定的值，并且维持一定的时间就自然关断。不受门极控制。工作原理相当于两个三极管的等效电路。1.2.1 晶闸管的工作原理 晶闸管组成的实际电路如图1-1所示：为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图1-2（a）所示,其工作过程如图1-2（b）所示。当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状
11、态。当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为2IB2，V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为l2如，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进行上述的放大过程，形成正反馈。在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通。当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此对管子压降很小，一般为0. 61.2 V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。要想
12、关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。综上所述，可得如下结论： 晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。 晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。1.3 晶闸管对电网的影响晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电压即为交流电
13、网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因数下运行。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，减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时，有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器而直接与电网连接，不过要在输入端串联“进线电抗器”以减少对电网的污染。在分析整流电路工作原理时，我们曾经假设晶闸管是理想的开关元件，导通时认为其电阻为零，而关断时，认为其电阻无穷大。但事实上，晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降。晶闸管装置中的无功功率，会对公用电网带来不利影响：1
14、) 无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2) 无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3) 使线路压降增大，冲击性无功功率负载还会使电压剧烈波动。晶闸管装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害
15、大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。5) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。世界各国所指定的谐波标准大都比较接近。我国由技术监督局与1993年发布了国家标准(GB/T14549-9
16、3)电能质量公用电网谐波，并从1994年3月1日起开始实施。2 三相全控桥式主电路设计 总体框架图:交流源220V主变压器触发脉冲主电路保护电路 图2-1 总体框架图2.1 整流变压器的设计 2.1.1 整流变压器的设计原理整流变压器就是降压变压器。降到所需电压后再用半导体管整流。变压器和普通变压器的原理相同。变压器是根据电磁感应原理制成的一种变换交流电压的设备。变压器一般有初线和次级两个互相独立绕组，这两个绕组共用一个铁芯。变压器初级绕组接通交流电源，在绕组内流过交变电流产生磁动势，于是在闭合铁芯中就有交变磁通。初、次级绕组切割磁力线，在次级就能感应出相同频率的交流电.变压器的初，次级绕组的
17、匝数比等于电压比。在晶闸管整流装置中，很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流电电压与电网电压往往不能一致，这就需要利用变压器来匹配；另外，为降低或减少晶闸管交流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器把晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中，一般都需要设置整流变压器，当且仅当晶闸管交流侧电压和电网电压一致时可以省去。2.1.2 整流变压器的参数设定变压器的参数计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择二次电压有效值U2，U2数值的选择不可过高和过低，如果过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大，使功率因素变小；
18、如果过低会得不到负载要求的直流电压的现象。整流变压器额定参数的计算，主要根据主电路的形式，负载的大小，输出直流电压和负载电流，求出整流变压器的次级相电压、次级电流和容量，然后求出初级电流和容量。2.1.3整流器件的定额计算和选择本设计采用晶闸管三相全控桥整流电路，根据设计要求可得由此可以的出，经分析知，综上所述，选定额为IT(AV) 50A, UTN800V的晶闸管作为整流器件，可采用KP50系列的晶闸管，其IT(AV) 50A，通态平均电压上限值由各制造厂根据合格的形式试验给出。2.1.3变压器次级相电压的计算整流器主电路有多种接线形式，在理想情况下，输出直流电压Ud与变压器次级相电压U2有
19、以下关系其中KUV为主与主电路接线形式有关的常数；KB为以控制角为变量的函数，设整流器在控制角=0和控制角不为0时的输出电压平均值分别为UD0和UD，则KUV=UDO/U2，KB=UD/UDO。在实际运行中，整流器输出的平均电压还受其它因素影响，主要有：（1）电网电压的波动。一般电网电压的波动允许范围在+5%-10%，考虑电网电压最低的情况，设计中通常取电压波动系数=0.9-0.95。（2）整流元件的正向压降。实际上整流元件要降掉一部分输出电压，设其为UT。由于整流元件和负载是串联的，导通回路中串联元件越多，所以降掉的电压也就越多，设回路原件串联个数为NS，这样降掉的电压为NSUT。（3）直流
20、回路的杂散电阻。设备工作时会产生附加电压降，一般U占额定电压的0.2%0.25%。（4）换相重叠角引起的电压损失。换相重叠角引起的电压降Ud由交流回路的电抗引起，可由整流变压器漏抗Xs表示。变压器漏抗主要和短路电压百分比Uk%有关。不同容量的变压器其短路电压百分比也不一样。Ud可由以下公式计算，对于n相桥式电路，在三相桥式里，也为（5）整流变压器电阻的影响。假定功率因素为1，则交流电压的损失Ua为由其引起的整流输出电压的压降为考虑以上所有因素，整流电压的直流输出电压为次级相电压有效值的计算公式为KX叫做换相电压降系数，对换相压降有影响，它与电路的接线形式有关，当电路为n相桥式整流时，KX为表2
21、-1整流变压器计算系数2.1.4 初、次级电流与变压器容量的计算以三相桥式整流电路为例进行分析。大电感负载时，负载电流基本上是直流，因而晶闸管电流为方波，变压器次级电流也为方波，其有效值与负载电流成正比关系。变压器次级电流i2的波形为正负对称的矩形波，可分解成基波与各次谐波。由于没有直流分量，因此它们都可以通过变压器的磁耦合反映到一次绕组中去。所以，i2和i2电流波形相似，其有效值为次级电压以理想情况计算为,所以，变压器次级容量为变压器初级电流为变压器初级容量为可见，当变压器次级电流无直流分量时，次级容量等于初级容量。对于三相全控桥式整流电路来说，=变压器的等效电容为初、次级电容的平均值表2-
22、2各种整流电路变压器容量计算系数整流电路变压器负载性质三相全控桥电阻性负载2.341.221.051.051.05电感性负载2.341.221.051.051.05由表可知，整流变压器的平均容量都大于整流功率Pd，二者之比越接近于1，则该种线路变压器的利用率越高。2.1.5变压器参数计算和选择（1）UD0的选择：直流电动机的额定电压为220，即可知道要使电动机工作在电动状态所需要的额定电压为220，即UD=220。根据给定的直流电动机的参数可求得和的值为为电动机电枢电路总电阻的标么值，为对于电动机额定电流和电压的电阻的标么值。根据所给参数，得。由于是三相全控桥整流电路，Ns=2，整流元件降压U
23、T=1，KUV=2.34，KB=COS， 。为度范围，取。为计算方便，电枢回路铜损耗忽略。将以上所得的参数带入到公式得，因为进线交流电源是三相380V。故本设计可以选择，此电压可以在为度范围内使整流电路输出的直流电压，使电动机达到额定工作状态。（2）容量的计算：根据三相全控桥变压器二次侧电流的有效值的计算公式计算得，。由于变压器采用型连接，则即即可求得， 即综上所述，选择型号为，380的变压器。 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
24、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
25、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
26、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 U d 为负值。 图2-2 三相全控桥式整流电路 2.3 三相全控桥的工作特点 2.3.1 阻感负载时的波形分析 三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况。当600时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，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ud 波形与id 的波形形状一
27、样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得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为一条水平线。图2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0和=30的波形。 图2-3 触发角为0时的波形图 图2-4 触发角为30时的波形图当600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2-4给出了=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。这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。 图2-5 触发角为90时的波形图2.4 平
28、波电抗器的参数及选择平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流输电的换流站都装有平波电抗器，使输出的直流接近于理想直流。直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的。2.4.1 电抗器的电感若要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算：式中 交流测电源相电压有效至。要求连续的最小负载电流平均值。与整流主电路形式有关的计算系数，=0.693。对于不同控制角，所需的电感量为本设计中的参数为：，临界值。将以上所述参数代入，可计算出本设计所需的临界电感参数值，即：2.4.2 整流变压器漏电感的计算整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算：式中 变压器次级相电压有效值。 晶闸管装置直流侧的额定负载电流(平均值)。变压器的短路比。100以下的变压器取；1001000的变压器取；与整流主电路形式有关的系数，=3.9。本设计，。将以上所需参数代入式中可计算出漏电感的值，即综上所述，根据直流电动机的电枢电感为，可得使输出电流连续的临界电感量电抗器要选的值应比大，故选的电感
