三相桥式全控整流电路课程设计..doc

1、目 录1. 绪论12. 主电路设计及原理22.1 总体框架图22.2 三相桥式全控整流电路的原理22.3 实验内容53. 单元电路设计73.1 主电路.73.2 触发电路.73.3 保护电路.83.4 硬件电路 PCB 版图113.4.1 顶层视图.113.4.2 底层视图.123.4.3 顶层覆盖图.123.4.4 3D 视图134 .电路分析与仿真.144.1 带电阻负载的波形分析144.2 三相桥式全控整流电路定量分析164.2.1 仿真模型图194.2.2 仿真实验结论195. 结论.206. 参考文献.227. 附录.23四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文2第一章

2、 绪论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 、 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 。

3、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

4、 桥 式 半 控 整 流 电 路 、 三 相 桥 式 全 控 整 流 电 路等 。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压 U1，变成二次电压 U2。由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等） 。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压 U2 一周期内导通的时

5、间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文3第二章 主电路设计及原理2.1 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2.2 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 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。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论

6、文42)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

7、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

8、；其次要求晶闸管的 a 90 ，使 U d 为负值。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文5三相桥式全控整流电路 原理图2.3 实验内容 接线 在实验装置断电的情况下，按三相桥式全控整流及有源逆变电路实验线路图及接线图进行接线。图中的 可调电阻器 R p ，选用 MEL 03 中的其中一组可调电阻器并联， R p 的初始电阻值应调到最大值。 触发电路调试 将 MCL 32 电源控制屏的电源开关拨向“开”的位置，接通控制电路电源红色指示灯亮 。 检查晶闸管的 触发 脉冲是否正常 。用示波器观察 MCL 33 脉冲观察孔“ 1 ” “ 6 ” ，应有相互间隔 60 o ，幅度相同的

9、双脉。 用示波器观察每只晶闸管的控制极、阴极，应有幅度为 1V 2V 的脉冲。 调节 MCL 31 的给定电位器 RP1 使 U g 0V ，然后调节偏移电压 U b 使 a 150 o ，逐渐 调节 给定电压 U g ，观察 触发脉冲移相范围是否满足 a 30 150 。 三相桥式全控整流电路 调节 MCL 31 的给定电位器 RP1 使 U g 0V 。 将主电路开关 S1 拨向左边短接线端接通电阻负载，将 R d 调至最大值 (450 W ) 。 按下 MCL 32 电源控制屏的“闭合”按钮，接通 主电路电源 绿色指示灯亮。 调节 MCL 31 的给定电位器 RP1 使 a 90 ， 用

10、示波器观察记录 整流电路输出电压 U d f （ t ）以及晶闸管两端电压 U VT f （ t 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文6）的波形。采用类似方法，分别 观察记录 a 30 、 a 60 时 U d f （ t ）、 U VT f （ t ）的波形。 三相桥式有源逆变电路 调节 MCL 31 的给定电位器 RP1 使 U g 0V 。 按 MCL 32 电源控制屏 的“断开”按钮，切断主电路电源 红色指示灯亮 ， 将主电路开关 S1 拨向右边的不可控整流桥接线端，将 R d 调至最大值 (450 W ) 。 按下 MCL 32 电源控制屏的“闭合”按钮，接通 主电

11、路电源 绿色指示灯亮。 调节 MCL 31 的给定电位器 RP1 ，使 a 90 ， 用示波器观察记录逆变 电路输出电压 U d f （ t ）以及晶闸管两端电压 U VT f （ t ）的波形。采用类似方法，分别 观察记录 a 120 、 a 150 时 U d f （ t ）、 U VT f （ t ）的波形。 五实验报告 绘制 三相桥式全控整流电路控制角 a 为 30 、 60 、 90 时 U d f （ t ）、 U VT f （ t ）波形。 绘制 三相桥式有源逆变电路控制角 a 为 90 、 120 、 150 时 U d f （ t ）、 U VT f （ t ）波形。 简述通

12、过 实验的心得体会及建议。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文7三相桥式全控整流及有源逆变电路实验线路图及接线图 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文8第三章 单元电路设计3.1 主电路主电路为带电阻负载的三相桥式电路, 用 protel 绘制如下所示:图 3.1 主电路图3.2 触发电路触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流） ，触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离晶闸管可控整流电路，通过控制触发角 a 的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出

13、电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a 的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。KJ004 组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文9KJ004 触发电路为模拟的触发电路,其组成为：3 个 KJ004 集成块和 1 个

14、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,即可得到完整的三相全控桥触发电路, 用 protel 绘制的完整触发电路如下所示：图 3.2.2 完整触发电路图3.3 保护电路我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的副值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕

15、业 论 文10用 RC 吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制 LC 回路的震动。如图 3.3.1图 3.3.1 RC 吸收电路(1)晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用

16、阻容保护，电路图如图 3.3.2图 3.3.2 阻容保护电路(2)晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，限流与脉冲移相保护，直流快速开关过电流保护。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文11快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施；快速熔断器的接法有三种：桥臂串快熔，这是一种最直接可靠的保护；交流侧快熔，直流侧快熔，这两种保护接法虽然简单，但保护效果不好。过电流继电器保护中过电流继电器开关时间

17、长（约几百毫秒）只有在短路电流不大时才有用。限流与脉冲移相保护电路保护比较复杂。直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。总结的结果：最佳方案是选用快速熔断器保护，并采用桥臂串快熔接法。图 6四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文123.4 硬件电路 PCB 板图3.4.1 顶层视图图 193.4.2 底层视图四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文13图 3.4.2 PCB 底层视图3.4.3 顶层覆盖图图 3.4.3 PCB 顶层覆盖图3.4.4 3D 视图四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文14图 3.4.4 PCB3D

18、视图四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文15第四章 电路分析与仿真4.1 带电阻负载的波形分析(1)当 a60时， ud 波形均连续，对于电阻负载， id 波形与 ud 波形形状一样，也连续。波形图： a =0（图 4.1） ； a =30（图 4.2） ； a =60（图 4.3） （2)当 a60时，u d 波形每 60中有一段为零，u d 波形不能出现负值波形图： a =90（图 4.4） (3)带电阻负载时三相桥式全控整流电路 a 角的移相范围是 120 （4）晶闸管及输出整流电压的情况如表 4-1 所示 ：表 4-1时段 I II III IV V VI共阴级组中导

19、通的晶闸管VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5共阴级组中导通的晶闸管VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6整流输出电压ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文16图 4.1 =0图 4.2 =30四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文17图 4.3 =60图 4.4 =904.2 三相桥式全控整流电路定量分析1.当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 a60时）的平均值为： cos34.2)(sin63122d UtdUU2.带

20、电阻负载且 a 60时，整流电压平均值为：四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文18 )3cos(134.2)(sin632d UtdU输出电流平均值为 ：I d=Ud /R 3.晶闸管额定电流、额定电压的选择：（1）晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即2236.45*10245VRM（2）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即2*1041.FMUV（3）输出电压 Ud 为 0200V，负载电阻 R=2 ，输出负载电流为：2dUIAR（4）晶闸管上流过电流为： 2157.83dIIA选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常

21、工作时晶闸管所承受峰值电压的 23 倍。额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的 1.52 倍。4.仿真实验基本参数组:整流变压器输出相电压为 100V,负载 R=2。输出电压为 200 V。4.2.1 仿真模型图四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文19图 4.2.1 仿真模型图4.2.2 仿真实验结论通过仿真实验和多组仿真实验结果对比分析可知，当触发角 发生改变时，电路的工作情况也发生变化。 增大 ud 平均值降低，Id 也随之降低，三相电源电流大小下降，三相电源电流波形、负载电流波形、负载电压波形波纹变大。加入滤波电容和滤波电感，使得谐波含量减少，波形更加平

22、缓光滑四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文20第五章 结论这是继单片机课程设计之后的第二个学科课程设计。这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计，由于这是电力电子技术课程的重点，老师也反复强调的知识点，所以这个知识点我掌握的比较透彻，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。整个课程设计的过程中，重点难道还是在 protel原理图的绘制和 PCB 板的绘制。在弄懂了设计原理后，首先要用 MATLAB 进行仿真，用 Simulink 搭建模块，进行仿真实验，根据要求设计相关参数，模块搭建好后，通过调节触发角得到了不同的波形。由于开始没有加滤波装置，所得仿真波形与理论结果

23、还是有较大差别的，后来在老师的提醒后加入了滤波装置，才得到比较理想的波形。由于触发电路比较复杂，所以直接使用了 Simulink 里面原有的脉冲发生模块。在仿真实验中比较关键的是参数的设置。仿真做完了之后是做硬件实验，由于条件所限老师只让我们画出电路板就可以了。硬件部分是这次课程设计的重点难点，尤其是画 PCB 板。画 PCB 板一般是用 Protel 软件，由于之前没有接触过 Protel，所以在接到任务后马上去图书馆借了两本关于 Protel 速成使用的参考书。经过突击对 Protel 的使用基本上有了了解。首先是画原理图，原理图中的触发模块和保护模块都是直接使用课本上的。由于许多元件 P

24、rotel 都没有，还得自己画，特别注意要封装。关键是接下来把原理图转化为 PCB 板。这涉及到许多步骤，如敷铜走线等，布线时先手工布线得到一个电路的大体布局，再使用自动布线。这一步是在其他同学的帮助下完成的。通过此次课程设计，我从完全不懂到逐渐了解，再到基本学会使用Matlab 和 Protel,它们都是与我们专业密切联系的软件。其中掌握了用 Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作，也涉及了 Protel 的使用，初步学会了原理图 SCHDOC 的绘制，了解 PCB 板绘制的一般流程。当然这次实验有遇到了不少的困难，也出现了不少的错误，反映出基础知识的某些四 川 工 程

25、 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文21地方还有薄弱的地方。通过自己查找资料，苦心探索实践，与同学讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。不论是在基础理论上还是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。此外，由于这次课程设计是两人一组，经过此次历练后提高了我的协调合作能力。很高兴有这么一次课程设计的机会，我想它将对以后的学习和今后的工作带来一定的好处。电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。因此，电力电子装置的应用是十分重要的。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源，恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说电力电子技术研究的也是电源技术。本文在熟悉三相桥式整流电路

26、基本原理的基础上，总结了一些主电路参数整定方法，讨论了不同整定方案对系统性能的影响，总结出一些较为实用的方法和规律。本文也对三相桥式全控整流装置相当于一个谐波发生器的理论进行了分析与介绍，强调采取必要措施抑制和消除谐波的重要性。四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文22参考文献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，2006.4 陈治明. 电力电子器件基础M. 北京：机械工业出版社， 1

27、992.5 林渭勋. 现代电力电子技术M. 北京：机械工业出版社， 2006.6 赵可斌，陈国雄. 电力电子变流技术M. 上海：上海交通大学出版社，1993.7 张立，赵永健. 现代电力电子技术M. 北京：科学出版社， 1992. 8 丁道宏. 电力电子技术M. 北京：航空工业出版社， 1992.9 尹克宁. 电力工程M. 北京：中国电力出版社， 2008.10 邵丙衡. 电力电子技术M. 北京：中国铁道出版社， 2007.四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文23附录附录一 元器件清单 Comment Description Designator Footprint LibR

28、ef QuantityCap CapacitorC1、 C2、C3、C4、C5 、C6、C7、C8、 C9、C10、C11RAD-0.3 Cap 11DIODED1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、 D8、 D9、 D10 D11、 D12DIODE0.4A DIODE 12KJ004 K1 、K2 DIP16 KJ004 2-15v Header, 2-Pin P1 HDR1X2 Header 2 1+15v Header, 2-Pin P2 HDR1X2 Header 2 1Header 3HHeader, 3-Pin, Right AngleP3 HDR1X3H Head

29、er 3H 1NPNNPN Bipolar TransistorQ1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6BCY-W3 NPN 6SCRSilicon Controlled RectifierQ7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12SFM-T3/E10.7V SCR 6Res2 ResistorR1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6AXIAL0.5 Res2 6Res Adj2 Variable ResistorR7 、R8 、R9 、 R10 、R11 、R12AXIAL-0.6 Res Adj2 1Res2 ResistorR13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R2

30、1 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28 R29 R30AXIAL0.5 Res2 18Res2 Resistor R31 AXIAL-0.4 Res2 1Res2 Resistor R32 、R33 AXIAL0.5 Res2 2Header 6X2HHeader, 6-Pin, Dual row, Right AngleT1 HDR2X6H Header 6X2H 1四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文24KJ04 U1 DIP16 Component_1 1KJ04 U2 DIP16 Component_1 1Res Tap Tapped Resistor VR1 VR5 Res Tap 1Res Tap Tapped Resistor VR2 VR5 Res Tap 1附录二 总电路图四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文25