1、三相半波整流电路的设计摘 要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、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
2、、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，变压，触发，晶闸管，额定。目 录摘要 1 课程设计目的及任务11.1 课程设计的目的11.2 课程设计任务11.3 课程设计的要求12 主电路设计及原理22.1 主电路设计22.2 主电路原理说明23 各参数的计算53.1 输出值的计算53.2 晶闸管的额定电压64 课程设计所用器件74.1 晶闸管简介74.2 晶闸管分类74.3 晶闸管工作原理84.4 晶闸管工作过程84.5 主要用途115 PSIM 软件仿真结果与分析125.1 PSIM 软件仿真结果125.1.1 =30，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果125.1.2 =
3、90，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果135.1.3 =120，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果145.2 结果分析156 心得体会16致 谢17参考文献 18三相半波整流电路的设计 11 课程设计目的及任务1.1 课程设计的目的本次课程设计是利用电力电子技术中所学的知识对三相半波整流电路进行了整体设计，并利用 PSIM 软件进行仿真，对所设计电路进行检验验证。本次课程设计使我们充分对电力电子技术中各个电路深入理解，培养了我们利用电力电子技术解决工程技术问题的能力；同时提高了我们查阅资料、运用计算机辅助工具绘制原理图和阅读原理图的能力，从而加深我们对电力电子知识的系统掌握，提升动手能力
4、，学会使用基本的电路仿真软件，获得初步的应用经验，为我们走出校门从事电力电子技术的相关工作打下基础。1.2 课程设计任务在理解三相半波整流电路工作原理的基础上，设计出三相半波整流电路带电阻负载时的电路原理图，使用 PSIM 软件对所设计的电路带不同负载的情况下晶闸管取三个不同的触发角（要求 90、=90和 90各取一个角度）进行仿真，分别获得、Id、UVT、IVT 、Ia 波形，并对所给出的角度计算上述数值。dU1.3 课程设计的要求（1）设计出合理的整流电路图。 （2）选择不同触发角度，仿真出波形并作计算。 （3）给出详细的仿真过程描述和详细的计算步骤和过程。陕西科技大学课程设计说明书 22
5、 主电路设计及原理2.1 主电路设计其原理图如图 1 所示。图 2-1 三相半波可控整流电路原理图为了得到零线，整流变压器的二次绕组必须接成星形，而一次绕组多接成三角形，使其 3 次谐波能够通过，减少高次谐波的影响。三个晶闸管的阳极分别接入 u、v、w三相电源，它们的阴极连接在一起，称共阴极接法，这对触发电路有公共线者连线较方便，用得较广。2.2 主电路原理说明图 2-2 三相半波可控整流电路电阻负载 时的波形三相半波整流电路的设计 3图 2-3 三相半波整流电路电阻负载 时的波形图 2-4 三相半波整流电路电阻负载 时的波形稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差 120，规定 t=/6 为控制
6、角 的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的 /6 处，即 t1、t2、t3，自然换相点之间互差2/3，三相脉冲也互差 120。在 t1 时刻触发 VT1，在 t1t2 区间有 uuuv、 uuuw，u 相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压 uduu。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流 iT1 与变压器二次侧 u 相电流波形相同，大小相等。在 t2 时刻触发 VT2，在 t2t3 区间 v 相电压最高，由于 uu30 时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个
7、晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UFM =U2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值，URM =U2。 =150 时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0150。三相半波整流电路的设计 53 各参数的计算3.1 输出值的计算三相桥式全控整流电路中，整流输出电压 ud 的波形在一个周期内脉动 3 次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即 1/3 周期）进行计算即可。对于电阻性负载而言，当 30，例如 =60，如上图 1.3 所示，当导通的一相的相电压过零变负时，
8、该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，姑输出电压和电流都为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流断续，各晶闸管导电时间都小于 120。如果 角继续增大，那么整流电压将越来越小。当 =150 时，整流输出电压为零。故电阻负载时要求的移相范围为 150。下面分两种情况来计算整流电压的平均值：(1)30时，负载电流连续，有：（3-1 ）当 时， 为最大，0dUd02=1.7U(2)30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：（3-2 ）(3)当 时，015（3-3 ）dU=0负载电流的平均值 为 dI（3-4 ）dIR由于晶闸管是交替工作的，流过晶闸
9、管的平均电流为 56d 2 21sin().cos2/3t 6d2 2sin().65cos(/6)2/3t陕西科技大学课程设计说明书 6（3-5 ）dT1I=33.2 晶闸管的额定电压晶闸管电压定额（一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的 2-3倍）,如下： （3-6 ）263UN三相半波整流电路的设计 74 课程设计所用器件4.1 晶闸管简介晶体闸流管，简称晶闸管，指的是具有四层交错 P、N 层的半导体装置。最早出现与主要的一种是硅控整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR） ，中国大陆通常简称可控硅，又称半导体控制整流器，是一种具有三个 PN
10、 结的功率型半导体器件，为第一代半导体电力电子器件的代表。晶闸管的特点是具有可控的单向导电，即与一般的二极管相比，可以对导通电流进行控制。晶闸管具有以小电流（电压）控制大电流（电压）作用，并体积小、轻、功耗低、效率高、开关迅速等优点，广泛用于无触点开关、可控整流、逆变、调光、调压、调速等方面。晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V” 、 “VT”表示（旧标准中用字母“ SCR”表示） 。晶闸管是一种开关元件，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
11、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，是典型的小电流控制大电流的设备。1957 年，美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品，并于 1958 年使其商业化。晶闸管结构：它是由一个 PNPN 四层半导体构成的，中间形成了三个 PN 结。4.2 晶闸管分类（1）按关断、导通及控制晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR） 、双向晶闸管（TRIAC） 、逆导晶闸管（RCT） 、门极关断晶闸管（ GTO） 、BTG 晶闸管、温控晶闸管（TT 国外， TTS 国内）和光控晶闸管（LTT ）等多种。（2）按引脚和极性晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸
12、管和四极晶闸管。（3）按封装形式晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。陕西科技大学课程设计说明书 8（4）按电流容量晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。（5）按关断速度晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于 400HZ 和 10kHZ
13、 以上的斩波或逆变电路中。4.3 晶闸管工作原理晶闸管 T 在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极 G 和阴极 K 与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：1晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态2晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性.3晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用4晶闸管在导通情况下，当主回路电
14、压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。全控型晶闸管的工作条件：1晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。2晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。3一旦晶闸管开始导通，它就被钳住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能被门极关断，像一个二极管一样导通，直到电流降至零和有反向偏置电压作用在晶闸管上时，它才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻将晶闸管再次触发导通。4.4 晶闸管工作过程晶闸管是四层三端器件，它有 J1、J2、J3 三个 PN 结，可以把它中间的
15、NP 分成两部分，构成一个 PNP 型三极管和一个 NPN 型三极管 的复合管当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的 PN 结 J2三相半波整流电路的设计 9失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流 流入时，就会形成强烈的正反馈，造gI成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。设 PNP 管和 NPN 管的集电极电流相应为 Ic1 和 Ic2；发射极电流相应为 Ia 和 ；kI电流放大系数相应为 a1=Ic1/Ia 和 a2=Ic2/ ，设流过 J2 结的反相漏电电流为 Ic0,kI晶闸管的阳极电
16、流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或 Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0若门极电流为 ，则晶闸管阴极电流为 =Ia+gI kIg从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2）/（ 1-（a1+a2 ） （11）式硅 PNP 管和硅 NPN 管相应的电流放大系数 a1 和 a2 随其发射极电流的改变而急剧变化。当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（11）中，=0,(a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流 IaIc0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管gI在正向阳极电压下，从门极 G 流入电流 ，由于足够大的 流经 NPN 管的发射结，gIgI从
17、而提高起点流放大系数 a2，产生足够大的极电极电流 Ic2 流过 PNP 管的发射结，并提高了 PNP 管的电流放大系数 a1，产生更大的极电极电流 Ic1 流经 NPN 管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。当 a1 和 a2 随发射极电流增加而（ a1+a2）1 时，式（11）中的分母 1-（a1+a2）0，因此提高了晶闸管的阳极电流 Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。式（11）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）0 ，即使此时门极电流 =0，晶gI闸管仍能保持原来的阳极电流 Ia 而继续导通。晶闸管在导通后，门 极已失去作用。在
18、晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流 Ia 减小到维持电流 IH 以下时，由于 a1 和 a1 迅速下降，当 1-（a1+a2）0 时，晶闸管恢复阻断状态。 可关断晶闸管 GTO，亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。前已述及，普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流 IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压陕西科技大学课程设计说明书 10高
19、、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO 的 容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR） ，只是工作频纺比 GTR 低。目前，GTO 已达到 3000A、4500V 的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、 变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。可关断晶闸管也属于 PNPN 四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，因此仅绘出 GTO 典型产品的外形及符号。大功率 GTO 大都制成模块形式。尽管 GTO 与 SCR 的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态，而 GTO 在导通
20、后只能达到临界饱和，所以 GTO 门极上加负向触发信号即可关断。 GTO 的一个重要参数就是关断增益， ，它等于阳极最大可关断电流 IATM 与门极最大负向电流 IGM 之比，有公式of=IATM/IGMof一般为几倍至几十倍。 值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。fof下面分别介绍利用万用表判定 GTO 电极、检查 GTO 的触发能力和关断能力、估测关断增益 的方法。of检查关断能力现采用双表法检查 GTO 的关断能力，表的档位及接法保持不变。将表拨于R10 档，红表笔接 G 极，黑表笔接 K 极，施以负向触发信号，如果表的指针向左摆到无穷大位置，证明 GTO 具有关断能力。估测关
21、断增益 of进行到第 3 步时，先不接入表，记下在 GTO 导通时表的正向偏转格数 n1；再接上表强迫 GTO 关断，记下表的正向偏转格数 n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益： =IATM/IGMIAT/IG=K1n1/ K2n2of式中 K1表在 R1 档的电流比例系数；K2表在 R10 档的电流比例系数。 10n1/ n2 of此式的优点是，不需要具体计算 IAT、IG 之值，只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速估测关断增益值。三相半波整流电路的设计 11注意事项：（1）在检查大功率 GTO 器件时，建议在 R1 档外边串联一节 1.5V 电池 E，以提高测试电压和测试电
22、流，使 GTO 可靠地导通。（2）要准确测量 GTO 的关断增益 ，必须有专用测试设备。但在业余条件下可of用上述方法进行估测。由于测试条件不同，测量结果仅供参考，或作为相对比较的依据。4.5 主要用途普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路。在正弦交流电压 U2 的正半周期间，如果 VS 的控制极没有输入触发脉冲 ，UgVS 仍然不能导通，只有在 U2 处于正半周，在控制极外加触发脉冲 时，晶闸管被触发导通。现在
23、，画出它的波形图，可以看到，只有在触发脉冲 到来时，负载 RL 上g才有电压 UL 输出（波形图上阴影部分） 。 到来得早，晶闸管导通的时间就早；Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲 到来的时间，Ug就可以调节负载上输出电压的平均值 （阴影部分的面积大小） 。在电工技术中，常L把交流电的半个周期定为 180，称为电角度。这样，在 U2 的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角 ；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角 。很明显， 和 都是用来表示晶闸管在承受 正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角 或导通角 ，改变负载上脉冲直流
24、电压的平均值UL，实现了可控整流。陕西科技大学课程设计说明书 125 PSIM 软件仿真结果与分析5.1 PSIM 软件仿真结果5.1.1 =30，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果图 5-1 =30，电阻负载电路图图 5-2 =30，电阻负载波形图（从上到下分别为 ud，id，ivt1 ，uvt1 ）由（3-1）式， （3-4）式和（3-5）式可求得三相半波整流电路的设计 13V， A9.23*017.dU29.10.RUIdA67.1dvtI5.1.2 =90，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果图 5-3 =90，电阻负载电路图图 5-4 =90，电阻负载波形图（从上到下分别为 ud，
25、id，ivt1 ，uvt1 ）由（3-2）式， （3-4）式和（3-5）式可求得陕西科技大学课程设计说明书 14V， A25.74.01*2675.0dU 425.710.RUIdA.31dvtI5.1.3 =120，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果图 5-5 =120，电阻负载电路图图 5-6 =120，电阻负载波形图（从上到下分别为 ud，id，ivt1 ，uvt1 ）由（3-2）式， （3-4）式和（3-5）式可求得三相半波整流电路的设计 15V， A9.123*0675. dU9.10RUIdA67.01dvtI5.2 结果分析通过对三相半波整流电路的仿真设计，我们不难发现，各晶闸
26、管上的触发脉冲，其相序与电源的相序相同，各相触发脉冲依次间隔 120，在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导电 120，负载电流是连续的。增大触发角的值，即触发脉冲后移，则整流电压相应减小。当触发角为 30时，其波形如图 5-2 所示，从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各项仍导电 120。如果触发角大于 30，例如触发角等于 90时，如图 5-4 所示，当导通的一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，故输出电压和电流都为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流不连续，各晶闸管导电时
27、间都小于 120。如果触发角继续增大，那么整流电压将越来越小，当触发角为 120时如图 5-6 所示，明显比触发角为 90的输出波形要窄，再继续增大触发角则会导致输出电压继续减小，直至为 0，分析有当触发角为 150时 ，其输出电压为 0，电流为 0，即不导通状态，也就是在上述过程中，触发角等的范围为 0-150。仿真所得结果与理论结果无异。陕西科技大学课程设计说明书 166 心得体会这次课程设计加深了我对电力电子这门学科的理解，使我对于四大变换电路（整流，逆变，斩波和交流变换）由原来的一知半解变为深入理解，同时我也感受到电力电子技术的强大之处，认识到电力电子是国民经济和国家安全领域的重要支撑
28、技术，它是工业化和信息化融合的重要手段，它将各种能源高效率地变换成为高质量的电能，将电子信息技术和传统产业相融合的有效技术途径；同时还是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段，在执行当前国家节能减排、发展新能源、实现低碳经济的基本国策中起着重要的作用。同时我也感受到 PSIM 这款仿真软件的强大之处，使我做到了理论与实际相结合。让我感受最深的是，做任何事情都要先思考再动手，切记不要盲目的去动手，一定要做好规划，听取老师的指导和建议，多和同学交流，吸取经验，细心的一步一步的去做，这样才能达到要求的目标。三相半波整流电路的设计 17致 谢此次电力电子课程设计中，我由衷的感谢在课设过程中给我指导的陈老师，正是由于陈老师的细心指导才有良好的结果。还要感谢我的队友，在整个设计及仿真的过程中，正是因为我们的团结合作才成功的完成了这次的设计任务。陕西科技大学课程设计说明书 18参 考 文 献1王兆安、刘进军,电力电子技术.5 版.北京：机械工业出版社，2009.5. 三相半波整流电路的设计 19
