三相桥式全控整流电路毕业设计论文.doc

三相桥式全控整流电路

1系统概述
1.1总体方案设计
1.2系统工作原理
2系统电路设计
2.1 三相桥式全控整流电路
2.2系统触发电路
2.3控制及偏移电源
2.4给定电源
3 主电路器件参数计算
3.1整流变压器参数计算
3.2晶闸管的额定电压及额定电流
3.3平波电抗器的电感计算

1系统概述
整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。由电力二极管等不可控器件构成的整流电路叫做不可控整流电路，由晶闸管等半控器件构成的整流电路称为半控型整流电路，由门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）以及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型器件构成等的整流电路称为全控整流电路。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
本系统属于三相桥式全控整流电路，而三相可控整流电路一般有三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路。三相半波可控整流电路只需要三个晶闸管，若带阻感负载，则只在正半周开通。三相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次测电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的。因此，实际中一般不采用半波整流，而采用全波整流。
三相可控整流电路中应用较多的是三相桥式全控整流电路，共六个晶闸管组成三对桥臂。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u2一个周期内，整流电压波形脉动6次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。

1.1总体方案设计
主变压器
可控整流电路
直流电动机
脉冲变压器
集成触发器
给定电压
同步变压器
负偏移电压
电网
图1 系统总框图
现要设计一三相桥式半控整流电路，带直流电动机负载，电压调节范围为0～220V。整个系统可分为主电路和触发电路两部分，总体结构框图如下图1所示：

1.2系统工作原理
在系统主电路中，首先由主变压器将电网电压变换为需要的交流电压，接着由整流桥将交流电转化为直流电供给直流电动机负载。故主电路是典型的三相桥式整流电路带阻感负载。
而除了主电路以外，系统还有控制电源电路和触发电路。控制电源电路通过7815芯片将电网交流电整理输出为+15V，提供触发电路的+Uco；通过7915芯片将电网交流电整理输出为-15V，提供触发电路的-Up.
触发电路结构机构相对比较复杂，由同步变压器，脉冲变压器，3个KJ004集成块和1个KJ041集成块组成。可以形成6路双脉冲，分别去控制主电路的6个晶闸管。触发器按一定的顺序输出脉冲，这样可以使主电路3组晶闸管依次打开。

2系统电路设计
2.1 三相桥式全控整流电路
该模块主电路图可表示为如下：
图2 三相桥式全控整流主电路图
该电路中，在每个晶闸管都并联了保护电路，由一个电容和电阻做成。同时又在变压器二次侧上串联了一个快速熔断器，起过电流保护作用。由于我们的电路可以应用于生产实践中，而实际中，电网电压是有波动的，所以一定要加上保护电路。
在电路中变压器二次侧接成星形是为了得到零线，而一次侧接成三角形是为了避免3次谐波流入电网。阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5），称为共阴极组，这种接法为共阴极接法。阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2），称为共阳极组，这种接法为共阳极接法。而我们习惯上也希望是晶闸管是按顺序导通，即导通顺序为VT1－〉VT2－〉VT3－〉 VT4－〉VT5－〉VT6。

表1 三相桥式全控整流电路晶闸管工作情况
时 段
I
II
III
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
整流输出电压ud
ua-ub=uab
ua-uc=uac
ub-uc=ubc
时 段
IV
V
VI
共阴极组中导通的晶闸管
VT3
VT5
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT4
VT4
VT6
整流输出电压ud
ub-ua=uba
uc-ua=uca
uc-ub=ucb
从表中，我们可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点：
（1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成想负载供电的回路，其中一个是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。
（2）对触发脉冲的要求：6个晶闸管的脉冲按VT1－〉VT2－〉VT3－〉 VT4－〉VT5－〉VT6的相序，相位依次相差60度；VT1,VT3,VT5的脉冲依次相差120度，共阳极组VT4,VT6,VT2也依次相差120度；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度。
（3）整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形一样，故该电路为6脉波整流电路
（4）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，可用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60度（一般去80°-100°），成为宽脉冲触发。另一种方法是：在出发某个晶闸管时，给序号紧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60°，脉宽一般为20°-30°，即为双脉冲触发。
一般三相桥式全控整流电路都是给阻感负载和反电动势阻感负载比如直流电动机供电。直流电动机可以看做是阻感负载的一种，它的波形图和三相桥式全控整流电路带阻感负载的波形图基本上是一致的，以下就为三相桥式全控整流电路带阻感负载a =0°的波形图。
图3 三相桥式全控整流电路带阻感负载a =0°的波形图

当a ≤60°时，Ud波形连续，电路的工作情况十分相似，各个晶闸管的通断情况，输出整流电压Ud波形，晶闸管承受的电压波形等都是一样的。
而当a >60°时，带阻感负载时的工作情况就和带电阻负载时有不同之处了。带阻感负载时，由于有电感L的作用，Ud波形会出现负的部分。若电感L的值足够大的话，Ud中正负面积可以认为基本相等，这样的话平均值就近似为零了。而电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。所以我们可知带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为0°～90°。

图4三相桥式全控整流电路带阻感负载a =90°的波形图

从上图我们可以看到，如果电感值等于90°时，Ud中正负面积可以认为基本相等，这样的话平均值就近似为零了。而整流输出电压是不能为负的，所以带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角最大值为90°。
其实三相桥式全控整流电路带负载不同，波形的区别不是很大，主要的区别在负载的电流波形上，因为如果是阻感负载的话，电感有平波的作用，在电感为无限大时，我们可以看做输出电流波形为一条直线。但是电感不可能无限大，而且直流电动机的电感也不是很大，所以还是会有纹波，而且如果出现电流断续的情况的话，那么电动机的机械特性将会很软，所以为了克服这个缺点，我们一般会给主电路中直流输出侧，直流电动机串联了一个平波电抗器。平波电抗器的作用是用来减少电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。只要电感为足够大时就能使电流连续了，就不会出现时电动机机械特性很软的情况了。这样也可以近似的将负载电流特性看为一条水平的直线。

2.2系统触发电路
2.2.1 KJ004芯片
KJ004芯片，又叫做晶闸管移相触发集成电路。它是双列式直插式集成电路，由于它可以输出两路相位互差180°的移相脉冲，正负半周脉冲相位比较均衡，并且输出负载能力大，移相性能好，，而且它对同步电压要求低，目前广泛应用于单相、三相全控桥式晶闸管的双脉冲触发。
它的管脚图如下，为16脚芯片。

图5 KJ004的管脚排列

表2 KJ004的引脚说明
引脚号
符号
功能
用法
1
V1
同相脉冲输出端
接正半周导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器
2
NC
空脚

3
Ct
锯齿波电容连接端
通过电容接4脚
4
V+
同步锯齿波输出端
通过电阻移相综合端
5
V_
工作负电源输入端
接用户系统负电源
6
NC
空脚

7
GND
地端
控制电源地端
8
Vt
同步电源信号输入端
接同步变压器
9
V
移相、偏置及同步信号综合端
使用时分别通过三个等值电阻接锯齿波、偏置电压及移相电压
10
NC
空脚

11
Vp
方波脉冲输出端
通过电容接12脚
12
Vw
脉冲信号输入端
分别通过一个电阻与电容接电源及11脚
13
Vc
负脉冲调制及封锁控制端
接调制脉冲源输出或保护电路输出
14
Vc+
正脉冲调制及封锁控制端
接调制脉冲源输出或保护电路输出
15
OUT
反相脉冲输出端
接负半周应导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器
16
Vcc
系统工作正电压输入端
接控制电路电源
我们按照以上的管脚说明来接外部电路图，其中每个管脚都要按照说明来接，较为复杂，在集成触发电路中我列出了电路图。
2.2.2 KJ041芯片
KJ041芯片，又称为六路双脉冲形成器。将它和三个KJ004连接到一起就可以达到六路双脉冲触发电路，这样三相桥式全控整流电路的各个晶闸管就可以按条件稳定的进行触发，使电路可以正常的运行。KJ041芯片是三相全控桥式触发线路中经常使用的芯片，具有取脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成功能 。它可以同时发出六路脉冲触发。
其管脚图如下：

图6 KJ041的管脚排列
表3 KJ041管脚说明
引脚号
符号
功能
用法
1
A
电网A相正半周的触发脉冲输入端：

2
C-
电网C相负半周的触发脉冲输入端：

3
B
电网B相正半周的触发脉冲输入端：

4
A-
电网A相负半周的触发脉冲输入端：

5
C
电网C相正半周的触发脉冲输入端：

6
B-
电网B相负半周的触发脉冲输入端：

7
L
输出脉冲封锁端，
该端高电平封锁输出
8
GND
工作参考地端。
接供电电源的地端；
9
NC
空脚
悬空
10
B-
对应B-与A 的“或”输出端
使用中接触发B相负半周晶闸管的功放单元输入端；
11
C
对应C与B-的“或”输出端
使用中接触发C相正半周晶闸管的功放单元输入端：
12
A-
对应A-与C的“或”输出端
使用中接触发A相负半周晶闸管的功放单元输入端；
13
B
对应B与A-的“或”输出端
使用中接触发B相正半周晶闸管的功放单元输入端；
14
C-
对应B与C-的“或”输出端
使用中接触发c相负半周晶闸管的功放单元输入端；
15
A

对应A 与C-的“或”输出端
使用中接触发A相正半周晶闸管的功放单元输入端；
16
Vcc
系统工作正电压输入端
接控制电路电源
我们按照以上的管脚说明来接外部电路图，其中每个管脚按照说明来接，完成它们各自的功能，它较KJ004芯片接法相对简单一些，同样在集成触发电路中列出了电路图。
2.2.3 同步变压器
同步变压器，为触发脉冲信号提供电压幅值Us。在KJ004芯片中，表中列出引脚8的作用为同步电源信号输入端，使用时要接同步变压器的二次侧，KJ004芯片所接的电压要求为30V，所以我们可求得同步变压器匝数比K的计算公式如下：
K=U1/U2=7.33
同步变压器的电路图如下所示：

图7 同步变压器电路图
同步变压器和整流变压器接在同一电源上，这就保证了触发脉冲与主电路电源的同步。
2.2.4 触发电路模块
电路图如下：
图8 触发电路电路图
该电路模块输出的为6路双脉冲，双脉冲电路比较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可以少输出一半脉冲，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，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联适用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。

2.3控制及偏移电源
电路图如下：
图9 控制及偏移电源电路图
控制电源，包括给定电压，负偏移电压。而给定电压和负偏移电压可以由给定电源来产生。上面电路图中的+Uco就是给定电压，由固态三端稳压器7815产生。而—Up就被称作负偏移电压，由固态三端稳压器7915产生。BR1和BR2桥式电路起整流的作用。C1为整流前滤波，C2为整流后滤波。这个电路成对称结构。

2.4给定电源
我们所用的7815属于78系列，而7915属于79系列，都被称为固态三端稳压器。78、79后面的数值代表的就是稳压器所输出的电压数。
用一块7815和一块7915对称连接，公共管脚接地。就可获得一组正负对称的稳压电源，而且输出电压值可通过电位器各自单独调节，也可同步调节。
7815被为三端正稳压器电路，而7915为三端负稳压器电路,它们同为TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。由于它们都只有三个引脚，应用方便，所以目前很多工业化生产都用到了这两个系列，而且一般都是对称使用。
其电路图就如下所示：
图10 7815和7915三端稳压器对称连接电路图
其中7815前面的电容作用为改善纹波特性，而7815后面的电容作用为改变负载的瞬态响应。7915前后的电容作用是一样的。
由于三端稳压器只有IN、OUT、GND三个引出端子，所以使用方便，外接元件少，同时又具有性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。

3 主电路器件参数计算
3.1整流变压器参数计算
三相桥式全控整流电路（反电动势阻感负载）
计算公式如下：

根据自己的设计系统由Ud求U2：

其中Ud=UN=220V,0.9为电网波动系数
1～1.2为考虑各种因素的安全系数。
由于系统电压调节范围：0～220V即Ud的调节范围，我取安全系数为1.1，则求的U2=114.91V，这就是整流电路的副边电压。
变压器一次及二次的相电流
计算公式如下：
I1=KI1Id/K
I2=KI2Id
其中Id=IN，IN=12.5A, KI1=0.816, KI2=0.816.
K为变压器匝数比：三相整流电路（三相变压器）K ==3.306
I1=3.085A，I2=10.2A
变压器的容量S
= 3
=3
S= (+)
经计算可得=3517.241W，=3516.246W,S=3516.74W
3.2晶闸管的额定电压及额定电流
额定电压
三相整流电路：
=(2～3) =（2～3） 其中系数我取的是2
额定电流
三相（全控及半波）=(1.5~2)K=(1.5~2) 0.3671.2，系数我取的是1.8
最后计算得=562.94V
=9.909A
3.3平波电抗器的电感计算
三相全控桥：L=0.693=63.71mH,其中取（5%~10%）。我取的是10%

总结
电力电子技术这门课程是一门重要学科，在现代科技飞速发展的今天，电力电子技术作为弱电与强电的桥梁，正在与微电子技术和自动控制技术相辅相成快速发展，还与多个学科相互渗透，电力电子技术已经成为当今世界经济的重要支柱。随着电力电子技术应用范围的不断扩大，对从事此项技术人员的需求量也不断扩大，如果能够掌握电力电子技术，对于工科电类专业的学生来说，将会提高我们的竞争力，而且掌握这门技术可构建学生完整的知识体系。从这门课程中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习其他学科更是如此，只有在经常的磨练的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。最后，本文是张艳凤老师的悉心指导和严格要求下完成的。张老师渊博的知识、严谨的治学以及磊落真诚的为人之道，不仅为我提供了探索学术之门的钥匙，而且也为我今后的工作生活树立了人生的楷模。在此我向张老师致以深深的谢意以及在生活上给我的关心和照顾，给我留下了深刻印象，令我终生难忘。

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