.目录前言21 题目分析及设计思路与方案21.1初始条件21.2设计思路与方案22选定供电方案43主电路的设计与原理说明43.1主电路图的确定43.2主电路原理说明53.3对续流二极管的说明73.4主电路相关参数的计算84整流器的相控触发电路的设计94.1触发电路方案选择94.2 常用的集成触发电路104.3 触发电路的定相115保护电路的设计及相关参数的计算135.1 过电流保护135.2 过电压保护146应用举例167心得体会17参考文献18前言电力电子课程设计是在学生完成基础课程学习与实验之后进行的综合性实践过程,其意义在于巩固、提高、综合先修的电力电子课程的内容,使学生对书本知识有更深一步的了解,让学生在实践过程中,真正理解、领会所学的知识,并加以融会贯通,培养学生查阅相关文献的能力、独立分析和解决实际问题的能力、以及创新能力,为后续的毕业设计打下良好的基础。中国是能耗大国,能源利用率很低,而能源储备不足,直流电是一种能够储备的能源,它不仅用于一般工业,也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等,在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛应用。本次课程设计的任务就是整流电路,整流电路就是把交流电能转换为直流电能供给直流用电设备的电路。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。三相桥式电路整流器的设计1题目分析及设计思路与方案1.1初始条件1、 阻感负载,电阻R=50欧,电感L极大；2 、负载电压0300V,负载电流1A；3 、变压器的二次侧电压U2=220V。1.2设计思路与方案三相桥式整流电路分为三相全控桥和三相半控桥,按照设计要求,进行如下计算来选择设计方案：假设选择三相全控桥,则在阻感负载的条件下,输出的负载电压的平均值为：求得 由已学过的电力电子知识可知,当,三相全控桥阻感负载时,由于电感的作用,的波形会出现负的部分,不满足题目所要求的的范围为。故在本次课程设计中我选择三相半控桥式整流电路。在对于三相桥式半控整流电路的设计中,主要分为五个部分：供电方案：采用三相交流电源通过变压器向整流电路供电,变压器的二次侧电压。主电路的设计：使用三相半控桥的整流电路,设置相关电流电压相位角等参数来达到设计的要求指标。相控触发电路的设计：采用锯齿波同步KJ004集成触发电路,利用一个同步变压器对触发电路定相,保证触发电路和主电路频率一致,触发晶闸管,使三相半控桥将交流整流成直流。保护电路采用RC过电压抑制电路进行过电压保护,利用快速熔断器进行过电流保护。应用举例说明：本次设计中以直流电动机的调速为例来说明三相桥式整流电路的应用。整个设计的结构框图如图1所示。当接通电源时,三相桥式半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供给负载使用。电源三相桥式半控整流电路R+L负载同步电路集成触发器器触发信号触发模块图12选定供电方案三相桥式半控整流电路系统通过变压器与电网连接,经过变压器的耦合,晶闸管主电路得到一个合适的输入电压,使晶闸管在较大的功率因数下运行。变压器一次侧接成三角型,二次侧接成星型,变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。电网流入电压经过变压器后能得到变压器二次侧相电压为即可。3主电路的设计与原理说明3.1主电路图的确定图1 三相桥式全控整理电路原理图将三相桥式全控整流电路中的一组晶闸管用三只二极管代替,就构成了三相桥式半控整流电路。只要控制三相桥中一组晶闸管,就可以控制三相桥式半控整流电路的输出电压,它较全控桥更简单、经济。习惯上希望各管按从1至6的顺序导通,为此将晶闸管按图示的顺序编号,即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5, 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VD4、VD6、VD2。从后面的分析可知,按此编号,晶闸管的导通顺序为 VT1VD2VT3VD4VT5VD6。此主电路要求带阻感负载,电阻R=50,电感L无穷大,使负载电流连续。其原理如图2所示。图23.2主电路原理说明三相桥式半控整流电路是由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极揭发的三相半波不可控整流电路串联而成,因此这种电路兼有可控与不可控整流电路两者的特性。共阳极组三个整流二极管总是在自然换相点换流,使电流换到比阴极电位更低的一相中去,而共阴极组的三个晶闸管则要在触发后才能换到阳极电位高的一相中去。输出整流电压的波形是三组整流电压波形之和,改变共阳极组晶闸管的控制角可获得的直流可调电压。图中VT1、VT3和VT5为触发脉冲相位互差120的晶闸管,VD2、VD4和VD6为整流二极管,有这六个管子组成三相桥式半控整流电路。它们的导通顺序依次为：VT1-VD2-VT3-VD4-VT5-VD6,各管一个周期内工作情况如表1。假定负载电感L足够大,可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值,因此不论控制角为何值,负载电流如总是单向流动,而且变化很小。表1当时即触发脉冲在自然换相点出现时,整流电路输出电压最大,其数值为,波形与三相全控桥式整流电路在时输出的电压波形一样。图3当时,如图3所示的为时的波形。时,触发VT1管导通,此时共阳极组二极管VD6阴极电位最低,所以VT1和VD6导通,负载电压。时,共阳极组二极管自然换流,VD2导通,VD6关断,负载电压。时,虽然到了共阴极组自然换相点,但VT3的触发脉冲未到,所以VT1继续导通,直到时刻为止。时,触发VT3管导通后使VT1管承受反向电压而关断,负载电压。以次类推,负载上得到的波形在一个周期内得到的是三个缺角波头连接三个完整波头的脉动波形。当时,波形刚好只剩下三个波头,波形刚好维持连续。当时,波形如图4,波形不连续,但由于有续流二极管的存在,波形与电阻负载时一样不会出现负的部分。VT1管在电压的作用下,时刻开始导通,到时刻A相相电压为零VT1管仍不会关断,因为使VT1管正向导通的不是相电压而是线电压,到时刻,VT1才关断,再由续流二极管续流。在期间,VT3虽受正向电压,但门极无触发脉冲,故VT3不导通,波形出现断续。到时刻,VT3才触发导通,一直到线电压为零时关断。角的移相范围为0180。图43.3对续流二极管的说明类似于单相半控桥,三相半控桥式整流电路在带大电感负载时,如负载端不加接续流二极管则会出现失控的现象,在整流电路工作过程中,如突然切断触发信号或把控制角突然增大到180时,电路中会发生某个导通着的晶闸管不关断,而共阳极组的三个整流管轮流导通的现象。假定在VT3管导通时,触发脉冲突然消失,则VT1,VT5不可能再导通,整流输出电压。当时,VD2自然换流至VD4、VD2关断,VD4导通,.当时,又从VD4换至VD6,电流通过VT3、VD6续流,VT3没办法继续导通,整个电路的工作也就停止。为解决失控问题,在负载两端必须并接续流二极管,这样电路在线电压过零后,由续流二极管导通续流,晶闸管上电流为零关断,输出电压波形与带电阻性负载时一样,不会出现负电压。接有续流二极管的三相半控桥电路,只有在60以后续流管才有电流流过。3.4主电路相关参数的计算1输出电压平均值的计算三相桥式半控整流电路阻感负载平均电压的计算要分别考虑电压波形连续和断续的情况。当电压波形连续时：当电压波形断续时：由此可见,2的范围的计算将,代入可得：当时,=180,当时,=80.47所以：80.471803当时的的计算： 此时,由公式可得=143.684流过二极管、晶闸管的电流参数计算：流过整流二极管和晶闸管的平均电流：电流有效值为：流过续流二极管电流的平均值和有效值分别为：5晶闸管的额定参数的计算晶闸管和二极管承受的最大电压为：故晶闸管的额定电压为：流过每个晶闸管的电流的有效值为：故晶闸管的额定电流为：6变压器参数计算变压器二次电流有效值：变压器容量：4整流器的相控触发电路的设计4.1触发电路方案选择同步信号为锯齿波的触发电路由脉冲形成环节,锯齿波形成,脉冲移相,同步环节和双窄脉冲形成环节。在本学期课程中我们学到的是三相全控桥的触发电路。举一反三的来说,三相半控桥的触发和全控桥不同的是：全控桥在其合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路在正常工作,需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲,而半控桥中,只需触发一组晶闸管,另一组二极管是自然导通。但两者都是间隔120度触发,故本次设计中仍可沿用三相全控桥的触发电路,将多出的端口不接到二极管即可实现。下面分析全控桥触发方式,对三相桥式全控整流电路,在其合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路在正常工作,需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。为此,可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于一般取,称为宽脉冲触发；另一种方法是,在触发某个晶闸管的同时,给前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,脉宽一般为,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饱和,需将铁心体积做得较大,绕组匝数较多,导致漏感增大。因此,常用的是双脉冲触发。所以本三相半控桥式整流电路也采用锯齿波双窄脉冲同步触发电路。4.2 常用的集成触发电路常用的三相桥式整流电路的集成触发电路是由三个KJ004集成块和一个KJ041集成块组成的,脉冲产生后由六个晶体管进行放大。图5 KJ004电路原理图KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见图5：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。KJ004 的同步电压为任意值。双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成,KJ041是三相桥式触发线路中必备的电路,具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制。集成电路可靠性高,技术性能好,体积小,功耗低,调试方便,随着集成电路制作技术的提高,晶闸管触发电路的集成化已逐渐取代分立式电路。图6 三相全控桥整流电路的集成触发电路4.3 触发电路的定相向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网,电网的频率不是固定不变的,而是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外,还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。图7 三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图为保证触发电路和主电路频率一致,利用一个同步变压器,将一次侧接入为主电路供电的电网,由其二次侧提供同步电压信号,这样,由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来就是触发电路的定相,即选择同步电压信号的相位,以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定,主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。触发电路定相的关键