三相桥式全控整流电路优秀课程设计.doc

电力电子技术课程设计说明书

三相桥式全控整流电路

系 、 部： 电气和信息工程系
专 业： 自动化

目录
第1章 绪论 1
1. 电子技术发展趋势 1
2. 本人关键工作 3
第2章 主电路设计及原理 3
1. 总体框图 3
2. 主电路设计原理 4
2.1带电阻负载时 5
2.2阻感负载时 7
3. 触发电路 9
4. 保护电路 10
5. 参数计算 11
5.1 整流变压器选择 11
5.2 晶闸管选择 11
5.3 输出定量分析 12
第3章 MATLAB仿真 13
1. MATLAB仿真软件介绍 13
2. 仿真模拟图 14
3. 仿真结果 14
第4章 结束语 16
参考文件 17

第1章 绪论
1. 电子技术发展趋势
　 当今世界能源消耗增加十分快速。现在，在全部能源中电力能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备转换才到使用者手中。估计十年后，电力能源中80%要经过电力电子设备转换，电力电子技术在二十一世纪将起到更大作用。
　　电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换学科。它包含电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间交叉学科。伴随科学技术发展，电力电子技术因为和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等很多领域亲密相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透综合性技术学科。
　　电力电子技术作为一门高技术学科，因为其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有着关键作用，现在已广泛应用于传统工业(比如：电力、机械、交通、化工、冶金、轻纺等)和高新技术产业(比如：航天、现代化通信等)。下面着重讨论电力电子技术在电力系统中部分应用。
在高压直流输电(HVDC)方面应用
　　直流输电在技术方面有很多优点：(1)不存在系统稳定问题，可实现电网非同期互联;(2)能够限制短路电流;(3)没有电容充电电流;(4)线路有功损耗小;(5)输送相同功率时，线路造价低;(6)调整速度快，运行可靠;(7)适宜于海下输电。伴随大功率电子器件(如：可关断晶闸管、MOS控制晶闸管、绝缘门极双极性三极管等)开断能力不停提升，新大功率电力电子器件出现和投入应用，高压直流输电设备性能必将深入得以改善，设备结构得以简化，从而降低换流站占地面积、降低工程造价。
在柔性交流输电系统(FACTS)中应用
　　20世纪80年代中期，美国电力科学研究院(EPRI)N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流输电技术概念。多年来柔性交流输电技术在世界上发展快速，已被中国外部分权威输电工作者估计确定为“未来输电系统新时代三项支持技术(柔性输电技术、优异控制中心技术和综合自动化技术)之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术发展为FACTS发展提供了条件。采取IGBT等可关断器件组成FACTS元件能够快速、平滑地调整系统参数，从而灵活、快速地改变系统时尚分布。
在电力谐波治理方面应用
有源滤波是治理日益严重电力系统谐波最理想方法之一。有源滤波器概念最早是在20世纪70年代初提出来，即利用可控功率半导体器件向电网注入和原有谐波电流幅值相等、相位相反电流，使电源总谐波电流为零，从而实现实时赔偿谐波电流目标。伴随中国电能质量治理工作深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础有源滤波器进行谐波治理将会有巨大市场潜力。
在不间断电源(UPS)中应用
　　UPS紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行根本确保，是计算机、通信系统和要求提供不能中止场所所必需一个高可靠、高性能电源。现代UPS普遍采取脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,降低了电源噪声,提升了效率和可靠性。
　　电力电子技术已快速发展成为一门独立技术、学科领域。它应用领域几乎包含到国民经济各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪关键支撑技术之一。电力电子技术拥有很多微电子技术所含有特征，比如发展快速、渗透力强、生命力旺盛，而且能和其它学科相互融合和相互发展。
2. 本人关键工作
（1）设计一个三相桥式全控整流电路。
（2）把设计电路图进行仿真，分析并调试，使输出得到所要求到值。
（3）用软件MATLAB ，画出设计原理图。
（4）完成设计汇报。

第2章 主电路设计及原理
1. 总体框图
交流源±220V

主变压器

触发脉冲

主电路
保护电路

图2-1-1 总电路总体框图
2. 主电路设计原理
在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制，控制角全部是α。因为三相桥式整流电路是两组三相半波电路串联，所以整流电压为三相半波时两倍。很显然在输出电压相同情况下，三相桥式晶闸管要求最大反向电压，可比三相半波线路中晶闸管低二分之一。
为了分析方便，使三相全控桥六个晶闸管触发次序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这么编号：晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。

晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

为了搞清楚α改变时各晶闸管导通规律，分析输出波形改变规则，下面研究多个特殊控制角，先分析α=0情况，也就是在自然换相点触发换相时情况。图1是电路接线图。
为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见图2）。
在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组a相电流为正，共阳极组b相电流为负。加在负载上整流电压为
ud=ua-ub=uab
经过60°后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继续导通，不过c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上电压为
ud=ua-uc=uac
再经过60°，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上电压为
ud=ub-uc=ubc
2.1带电阻负载时
a=0°时情况
假设将电路中晶闸管换做二极管惊醒分析对于共阴极组三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大一个导通对于共阳极组三个晶闸管，阴极所接交流电压值最低导通认识时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态。
从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，Ud1为相电压正包络线，共阳极组导通时，Ud2为相电压负包络线，Ud=Ud1-Ud2是二者差值，为为线电压在正半周包络线直接从线电压波形看，Ud为线电压中最大一个，所以Ud波形为线电压包络线。

图2-2-1 三项桥式全控整流电路带电阻负载a=0时波形
由上述三相桥式全控整流电路工作过程能够看出：
1.三相桥式全控整流电路在任何时刻全部必需有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。
2. 三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路串联，所以和三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲要求是确保晶闸管KPl、KP3和KP5依次导通，所以它们触发脉冲之间相位差应为120°。对于共阳极组触发脉冲要求是确保晶闸管KP2、KP4和KP6依次导通，所以它们触发脉冲之间相位差也是120°。
3.因为共阴极晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，所以接在同一相两个晶闸管触发脉冲相位应该相差180°。
4. 三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲次序是：1→2→3→4→5→6→1，依次下去。相邻两脉冲相位差是60°。
5.因为电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必需对两组中应导通一对晶闸管同时有触发脉冲。为了达成这个目标，能够采取两种措施；一个是使每个脉冲宽度大于60°（必需小于120°），通常取80°～100°，称为宽脉冲触发。另一个是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组两个应导通晶闸管上全部有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地替换大于60°宽脉冲。这种方法称双脉冲触发。
6、整流输出电压，也就是负载上电压。整流输出电压应该是两相电压相减后波形，实际上全部属于线电压，波头uab、uac、ubc、uba、uca、ucb均为线电压一部分，是上述线电压包络线。相电压交点和线电压交点在同一角度位置上，故线电压交点一样是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6 × 50=300赫，比三相半波时大一倍。
7、晶闸管所承受电压。三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂元件导通，其它四臂元件均承受改变着反向电压。比如在第(1)段时期，KP1和KP6导通，此时KP3和KP4,承受反向线电压uba=ub-ua。KP2承受反向线电压ubc=ub-uc。KP5承受反向线电压uca=uc-ua。晶闸管所受反向最大电压即为线电压峰值。当α从零增大过程中，一样可分析出晶闸管承受最大正向电压也是线电压峰值。
当a=60°时情况：
当触发角a改变时，电路工作情况将发生改变。从wt1角开始把一周期等分为六段，每段60度。在VT1处于通态120度期间，ia为正，ia波形形状和同时段Ud波形相同，在VT4处于通态120度期间，ia波形形状也和同时段Ud波形相同，但为负值。
当a<60°时，Ud波形均连续，对于电阻负载，id波形和Ud波形形状一样，也连续。Ud波形每60°中有一段为零，Ud波形不能出现负值。带电阻负载时三项桥式全控整流电路a角移相范围是120°。

图2-2-2 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60度时波形
2.2阻感负载时
当a<60°时，Ud波形连续，电路工作情况和带电阻负载时十分相同，个晶闸管通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受电压波形等全部一样。区分在于负载不一样，一样整流输出电压加到负载上，得到负载电流id波形不一样，电阻负载时id波形和Ud波形形状一样。而足感负载时，因为电感作用，似负载电流波形变得平直，当电感足够大时候，负载电流波形可近似为一条水平线。图2-2-3为三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0°时波形。

图 2-2-3 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0°时波形
当a>60时，阻感负载时工作情况和电阻负载时不一样，电阻负载时Ud波形不会出现负部分，而阻感负载时，因为电感L作用，Ud波形会出现负部分。图2-2-4为三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90°时波形。

图 2-2-4 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90°时波形
3. 触发电路
触发脉冲宽度应确保晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够幅度，不超出门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好抗干扰性能、温度稳定性及和主电路电气隔离
晶闸管可控整流电路，经过控制触发角a大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为确保相控电路正常工作，很关键是应确保按触发角a大小在正确时刻向电路中晶闸管施加有效触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率变流器广泛应用是晶体管触发电路，其中以同时信号为锯齿波触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路集成化已逐步普及，已逐步替换分立式电路。此处就是采取集成触发产生触发脉冲。KJ004组成份为同时、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大多个步骤。
KJ004触发电路为模拟触发电路,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,即可得到完整三相全控桥触发电路。三相全控桥整流电路集成触发电路图2-3-1所表示。

图2-3-1 三相全控桥整流电路集成触发电路
4. 保护电路
为了保护设备安全，必需设置保护电路。此设计电路必需对经晶闸管、交流侧、直流侧进行电路保护设计。
1、 晶闸管过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采取多个保护方法。对于晶闸管初开通引发较大电流上升率，可在晶闸管阳极回流串联电感进行抑制；对于整流桥内部原因引发过流和逆变器负载回路接地时能够采取接入熔断器进行保护。

图2-4-1串联电感及熔断器抑制回路

2、晶闸管过电压保护：晶闸管过电压保护关键考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大反向恢复电流。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，经过恢复电流电感会因高电流改变率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压危害，通常在元件两端并联RC电路。

图2-4-2并联RC电阻电容吸收回路
5. 参数计算
5.1 整流变压器选择
由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V。由变压器三角形—心形接法可知变压器二次侧相电压为：
（2-1）
改变为：

变压器一次侧和二次侧相电流计算公式为：
（2-2）

而在三相桥式全控中：
（2-3）

所以变压器容量分别以下:
变压器次级容量为：
（2-4）
变压器初级容量为：
（2-5）
变压器容量为：
（2-6）
即：

变压器参数归纳以下：初级绕组三角形接法U1=380V.I1=82.96A;次级绕组星形接法，U2=127V,I2=248.88A:容量选择为10Kw。
5.2 晶闸管选择
1、 晶闸管额定电压
由三相全控桥整流电路波形分析知，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值：
（2-7）
故桥臂工作幅值为：

考虑欲量，则额定电压为：

2、 晶闸管额定电流
晶闸管电流有效值为：
（2-8）
考虑欲量，故晶闸管额定电流为：

5.3 输出定量分析
在以上分析中已经说明，整流输出电压Ud波形在一周期内脉动六次，且每次脉动波形相同，所以在计算其平均值时，只需对一个脉冲进行计算即可。另外，以线电压过零点为时间坐标零点，于是可得到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）平均值为：
（2-9）

带电阻负载且a>60°时，整流电压平均值为
（2-10）
输出电流平均值为： 。

第3章 MATLAB仿真
1. MATLAB仿真软件介绍
Matlab控制系统仿真软件是当今国际控制界公认标准软件，1999年春Matlab5.3版问世，使Matlab拥有更丰富数据类型和结构，更友善面向对象、愈加紧速精良图形可视、更广博数学和数据分析资源、更多应用开发工具，尤其是SIMULINK这一个交互式操作动态系统建模、仿真、分析集成环境出现，使大家有可能考虑很多以前不得不做简化假设非线性原因、随机原因，从而立即学生没有对非线性动态系统进行分析研究数学基础，仍可经过仿真来认知非线性对系统动态影响。
2. 仿真模拟图

图3-2-1 仿真模拟图
3. 仿真结果
此仿真结果全部为组感性负载时仿真时运行结果，且电感阻值很大。
此设计仿真结果仿真了0°、30°、90°时Ud、Id波形图，分别图3-3-1、
3-3-2、3-3-3所表示，其中上面图形为Ud输出波形图，下面图形为Id输出波形图。

1、当触发角a=0°时

图3-3-1 触发角为0°时Ud、Id波形图

2、 当触发角a=30°时

图3-3-2 触发角为30°时Ud、Id波形图
3、当触发角a=90°时

图3-3-3 触发角为90°时Ud、Id波形图

第4章 结束语
经过这次设计，我理论知识掌握得更扎实。同时，经过网上搜索等多方面查询资料，我学到很多在书本上没有知识，也认识到理论联络实践关键。理论学得好，但假如只会纸上谈兵，一点用全部没有。以后也极难找到工作。我深刻认识到了“理论联络实际”这句话关键性和真实性。而且经过对此课程设计，我不仅知道了以前不知道理论知识，而且也巩固了以前知道知识。最关键是在实践中了解了书本上知识，明白了学以致用真谛。也明白老师为何要求我们做好这个课程设计原因。她是为了教会我们怎样利用所学知识去处理实际问题，提升我们动手能力。因为对MATLAB软件不熟练，在整个设计到电路仿真过程中，我个人感觉理论仿真部分是最难，不过在仿真中，还是发觉了部分问题，有时候部分参数稍微改变就会造成输出电压改变很大，这么使得仿真极难达成理想效果，在就是仿真时，总是出现部分自己处理不了问题。不过有了老师和同学们帮助，这些问题提基础全部处理了，又让我深入了解了电力电子技术在我们生活中关键性。尽管这门课程我学到并不多，不过给我在以后学习其它相关知识打下了基础。我认为我应该加强对专业基础知识学习，为以后在工作寻求确保。

参考文件
1、 王兆安，黄俊主编．电力电子技木．第四版．北京：机械工业出版社，1月
2、 王云亮主编．电力电子技术．第一版．北京：电子工业出版社，8月
3、 梁廷贵主编．现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册．北京：科学技术文件出版社，2月