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1、四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告前言11.主电路的设计原理与方案21.1 三相桥式相控整流电路的特点与原理21.1.1 三相桥式相控电路的工作特点21.1.2 三相桥式相控整流电路的工作原理21.2总体方案图32.电路流程图及工作原理42.1 三相桥式相控整流电路的流程图42.2 三相桥式相控整流电路的工作原理43.单元模块设计73.1 主电路的设计73.2触发电路的设计83.2.1 KJ004的工作原理83.2.2 电路图的选择93.2.3 触发电路原理说明103.3 保护电路的设计113.3.1 晶闸管的保护电路113.3.2 交流侧保护电路123.3.3 直流侧阻容保护电路12
2、4.MATLAB的分析与仿真134.1三相桥式相控整流电路定量分析134.2带电阻性负载的波形分析144.3仿真实验结论175.设计总结186.参考文献19前言电子技术的应用已深入到工农业经济建设,交通运输,空间技术,国防现代化,医疗,环保,和亿万人们日常生活的各个领域,进入21世纪后电力电子技术的应用更加广泛,因此对电力电子技术的研究更为重要。近几年越来越多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,经过电力电子技术处理的电能已得到总电能的一半以上1。如今电力半导体整流装置已获得及其广泛的应用，小到家用的小型整流电源，大至上万甚至几十万安的电解电源。不仅如此，各种逆变装置绝大部分的前级无不
3、带有整流部分。交流电机变频调速的广泛应用，也给电网增加了许许多多的整流负载,依靠改变触发角来实现调压或稳压的目的,即所谓相控调压.目前,依靠改变触发角来实现调压的相控方式整流技术仍然在工业电源中使用,尤其在大功率场合。相控整流电路分为单相、三相、多相整流电路3种三相相控整流电路当整流容量较大，要求直流电压脉动较小,对快速性有特殊要求的场合,应考虑采用三相可控整流电路2。采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置整流电
4、路技术在工业生产上应用极广4。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。1.主电路的设计原理与方案1.1 三相桥式相控整流电路的特点与原理1.1.1 三相桥式相控电路的工作特点三相相控整流电路当整流容量较大，要求直流电压脉动较小,对快速性有特殊要求的场合,应考虑采用三相可控整流电路。采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍,交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小
5、得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。半控桥只有共阴极组是晶闸管，触发电路只需给共阴极组3个晶闸管送出相隔120的单窄脉冲触发。在移相控制角a较大时，半控桥输出电压脉动较大，脉动频率也较低，同时半控桥触发脉冲间隔在120。三相桥式全控整流电路电路特点：全控桥在工作时要向6个晶闸管送出相隔60的双窄触发脉冲。在移相控制角a较大时，全控桥输出电压脉动小。全控桥触发脉冲间隔仅60。1.1.2 三相桥式相控整流电路的工作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。2管同时通形成供电回路，其中共阴
6、极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。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。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。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。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）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
7、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 1所示。图1 三相桥式全控整流电路原理图1.2总体方案图主电路设计方案的确定分析，三相桥式相控整流电路优于三相半波相控整流电路，再对三相桥式半控整流
8、电路与三相桥式全控整流电路进行比较。半控桥只有共阴极组是晶闸管，触发电路只需给共阴极组3个晶闸管送出相隔120的单窄脉冲触发，而全控桥要向6个晶闸管送出相隔60的双窄触发脉冲，因此半控桥电路较简单，投资省。而在移相控制角a较大时，半控桥输出电压脉动较大，脉动频率也较低。全控桥脉动小，脉动频率也高，因此半控桥要求的平波电抗器电感量较大。同时半控桥触发脉冲间隔在120，全控桥触发脉冲间隔仅60，因此全控桥的动态响应快，系统调整及时。因此三相全控桥广泛应用在大功率直流电动机调速系统，以及对整流各项指标要求较高的整流装置。而三相半控桥只能用在一般要求的调流装置中。所以本次设计主电路设计采用三相桥式全控
9、整流方案。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个部分。当接通电源时，三相桥式全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通给直流电动机，使之工作。如图2所示。电源三相桥式全控整流电路直流电动机同步电路集成触发器触发信号触发模块 图2 总体框架图2.电路流程图及工作原理2.1 三相桥式相控整流电路的流程图三相桥式相控整流电路的流程图如图3所示。交流源220V主变压器触发电路主电路保护电路图3 三相桥式相控整流电路的流程图由图3可知：当接入电源后，经过主变压器的升降压作用，电压分别进入触发电路和主电路，
10、使触发电路产生出发脉冲，主电路也开始工作。与此同时，保护电路也开始启动，分别对触发电路和主电路进行控制，使电路始终在安全的状态下运行。2.2 三相桥式相控整流电路的工作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管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个晶闸管，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。3）共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。4）同一相的上下两个桥臂，
11、即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。（3）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）。（4）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。在实际运用中，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中与三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从而使晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。变压器为型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，
12、而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。本次设计为三相桥式相控带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。带阻感性负载时的电路原理图如图4所示。图4 三相桥式全控整流电路带电动机负载原理图晶闸管触发角=0o时的情况：此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳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（或者说负得最多）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，施加于负载上的电压为某一线电压。当触发角=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由变压器二绕组中相电压与线电压的对应关系可知，各自然换相点既是相电压
13、的交点，同时也是线电压的交点。从而总的整流输出电压为两个晶闸管端电压之间的差值。若将一个周期等分为6段，每段为60，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如下表1所示。表1 晶闸管的导通及整流输出情况 时 段 1 2 3 4 5 6共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UUa-Ub=Uab Ua-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb6个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序导通，而且相位依次差60o；共阴极组和阳极组依次差120o；同一相
14、的上下两个桥臂脉冲相差180o。 整流输出电压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。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60o，称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号前的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60o，脉宽一般为20o30o，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器饱和，需将铁心体积做得较大， 绕组匝数较多，导致漏感增大，
15、脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利，故采用双脉冲触发。 当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。当=30o时。如果把一个周期等分为6段，每段为60。与0o时的情况相比，一周期中U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1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成U的每一段线电压因此推迟30o，U平均值降低。当=60o时，电路工作情况仍可用前面的方法分析，U每段线电压的波形继续向后移，U平均值继续降低。60o时,U出现了为零的点。当60o时:如90o时电阻负载情况下，此时U每60o中有30o为零，这是因为电阻负载时I与U一致，一旦U降至零，I也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压U为零，因此U波形不能出现负值。如果继续增大至120o，整流
