课程设计550W三相桥式可控整流实验装置.docx

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课程设计550W三相桥式可控整流实验装置

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

550W三相桥式可控整流实验装置

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气103

学号：

8

学生姓名：

朱绍革

指导教师：

（签字）

起止时间：

2012-12-31至2012-1-11

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

电气

学号

8

学生姓名

朱绍革

专业班级

电气103

课程设计（论文）题目

550W三相桥式可控整流实验装置

课程设计（论文）任务

课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数

实现功能

为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察三相桥式可控整流的各个参数及波形，通过实验验证所学的理论知识。

设计任务

1、方案的经济技术论证。

2、主电路设计。

3、通过计算选择整流器件的具体型号。

4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。

5、触发电路设计或选择。

6、绘制相关电路图。

要求

1、文字在4000字左右。

2、文中的理论分析与计算要正确。

3、文中的图表工整、规范。

4、元器件的选择符合要求。

技术参数

1、交流电源：

三相380V。

2、整流输出电压Ud在0～110V连续可调。

3、整流输出电流最大值5A。

4、负载：

纯电阻、阻感、直流电动机。

5、根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。

进度计划

第1天：

集中学习；第2天：

收集资料；第3天：

方案论证；第4天：

主电路设计；第5天：

选择器件；第6天：

确定变压器变比及容量；第7天：

确定平波电抗器；第8天：

触发电路设计；第9天：

总结并撰写说明书；第10天：

答辩

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

摘要

电子技术的应用已深切到工农业经济建设、交通运输、空间技术、国防现代化、医疗、环保、和亿万人们日常生活的各个领域，进入21世纪后电力电子技术的应用加倍普遍，因此对电力电子技术的研究更为重要。

近几年愈来愈多电力电子应用在国民工业中,一些技术先进的国家,通过电力电子技术处置的电能已取得总电能的一半以上。

本文主要介绍三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路图,由工频三相电压380V经变比为四比一的降压变压器后提供给直流测的晶闸管，由集成触发电路KJ004对晶闸管进行控制其导通角，从而控制直流输出的直流电压，给负载供电，通过接入电路的阻值对电流进行控制，电流需要注意的是接入点路的电阻值不能小于55Ω。

关键词：

三相；整流；触发电路；

第1章绪论

电力电子技术概况

电力电子技术是以功率处置和变换为主要对象的现代工业电子技术，今世工、农业等领域都离不开电能，离不开表征电能的电压、电流、频率、波形和相位等大体参数的控制和转换，而电力电子技术可以对这些参数进行精准地控制与高效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、电镀等领域取得普遍应用。

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份。

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和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进程称为可控整流。

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，咱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必然范围内转变的直流电压。

为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就可以改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以够取得控制。

本文设计内容

为了电力电子技术课程的教学实验，设计此装置，使学生通过该装置测试、观察三相桥式可控整流的各个参数及波形，通过实验可以验证所学的理论知识。

本文设计的内容主要包括整流，触发电路，及测试点，首先交流电源为三相380V交流电压。

通过整流器整流输出电压Ud在0～110V持续且可调。

其整流输出电流最大值5A。

负载包括纯电阻、阻感、直流电动机。

按如实际工作情况，最小控制角取20～300左右。

同窗们即可通过测试点对三相桥式可控整流各个部份的数值进行测试，以对三项桥式可控整流有进一步的了解。

第2章

系统电路的设计

实验装置的整体框图设计

三相桥式可控整流电路整体方案框图如图所示，主要包括整流，触发及测试三大部份，整流主要为三相桥式整流电路，触发电路设计主要用KJ004组成的集成的集成触发器，当电路接阻感负载时通过测试点对电路进行测试，从而来验证所学理论的正确与否。

三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，通过变压器的耦合，晶闸管主电路取得一个适合的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。

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份。

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。

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，使三相全控桥将交流整流成直流，带动直流电动机运转。

框图中没有表明保护电路。

当接通电源时，三相桥式全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，通过整流后的直流电通给负载，使之工作。

具体电路设计

主电路设计

实验参数设定负载为110V、5A的直流电机，采用三相整流电路，交流测由三相电源供电，设计要求选用三相桥式全控整流电路供电，主电路采用三相全控桥。

如图所示，为三相桥式全控带阻感负载，按照要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。

习惯将其中阴极连接在一路的3个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一路的3个晶闸管称为共阳极组。

共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管别离为VT一、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管别离为VT4、VT六、VT2。

晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

变压器为

型接法。

变压器二次侧接成星形取得零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。

三相桥式全控整流的特点

⑴2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件。

⑵对触发脉冲的要求：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。

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°。

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。

⑶ud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。

⑷晶闸管经受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管经受最大正、反向电压的关系也相同

三相桥式整流的波形

当α≤60度时，ud波形持续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管经受的电压波形等都一样。

区别在于负载不同时，一样的整流输出电压加到负载上，取得的负载电流id波形不同，电阻负载时ud波形与id的波形形状一样。

而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。

图和图别离给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0度和α=30度的波形。

当α＞60度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部份，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部份。

图给出了α=90度时的波形。

若电感L值足够大，ud中正负面积将大体相等，ud平均值近似为零。

这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为90度。

触发电的设计

本系统当选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。

KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地组成全控桥式触发器线路。

KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。

其原理图如图。

如图KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部份，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。

V1～V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V一、V2基极。

在uS的正半周，V1导通，电流途径为（+15V－R3－VD1－V1－地）；在uS负半周，V二、V3导通，电流途径为（+15V－R3－VD2－V3－R5－R21―（―15V））。

因此，在正、负半周期间。

V4大体上处于截止状态。

只有在同步电压|uS|＜时，V1～V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。

电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。

在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。

当V4截止时，电流经（+15V－R6－C1－R22－RP1－（－15V））对C1充电，形成线性增加的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R2二、RP1的充电电流和电容C1的大小。

按照V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，而且二者有固定的相位关系。

V6及外接元件组成移相环节。

锯齿波电压uC五、偏移电压Ub、移相控制电压UC别离经R24、R23、R26在V6基极上叠加。

当ube6>+时，V6导通。

设uC五、Ub为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。

V7等组成了脉冲形成环节。

V7经电阻R25取得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD五、V7基射结充电。

当V6由截止转为导通时，C2所充电压通过V6成为V7基极反向偏压，使V7截止。

尔后C2经（+15V－R25－V6－地）放电并反向充电，当其充电电压uc2≥+时，V7又恢复导通。

这样，在V7集电极就取得固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。

V八、V12为脉冲分选环节。

在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180°的脉冲。

脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。

如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。

同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9～V11放大后输出脉冲。

在同步电压负半周，情况恰好相反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经V13～V15放大后输出负相脉冲。

说明：

1）KJ004中稳压管VS6～VS9可提高V八、V九、V1二、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。

二极管VD一、VD二、VD6～VD8为隔离二极管。

2）采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1～VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1～V6进行脉冲功率放大。

3）由于V八、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差的脉冲产生，这样，要取得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。

因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压uSa、uSb、uSc别离与同步变压器的uSA、uSB、uSC相接RP1～RP3为锯齿波斜率电位器，RP4～RP6为同步相位

三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管组成的6个或门）及部份分立元件组成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，别离连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。

6路双脉冲模拟集成触发电路图如图所示：

保护电路设计

为了保护设备安全，必需设置保护电路。

保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：

一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

晶闸管保护电路

晶闸管的过电流保护：

过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护办法。

对于晶闸管初开通时引发的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引发的过流和逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。

如图所示：

晶闸管的过电压保护：

晶闸管的过电压保护主要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的反向恢复电流。

电流转变率产生过电压，即换相过电压。

为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两头并联RC电路。

如图所示：

交流侧保护电路

晶闸管设备在运行进程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中和非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。

整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电流很小，从而减小了保护元件的发烧。

过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经放电，将贮存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。

直流侧阻容保护电路

直流侧也可能发生过电压，在图中，当快速熔断器熔断或直流快速开关由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，虽然交流侧保护装置能适本地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。

电路的测试点

本实验主如果为了对电路的正确与否进行测试，故需设计测试点，其主要对图直流电动机双侧的电压，流过直流电动机的电流，及其波形进行测试，在设计时要主意留出电压，电流测试点即可。

主电路的设计

整体电路图如下图：

第3章参数的计算及器件的选择

参数的计算

由于设计电路的交流电源：

三相380V。

整流输出电压Ud在0～110V持续可调。

整流输出电流最大值5A。

负载：

直流电动机。

按如实际工作情况，最小控制角取20～300左右。

1.按照输出电压及最大输出电流可以肯定直流电动机的电枢电阻：

2.变压器的变比：

则二次电压为：

3.当、整流输出电压持续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60︒时）的平均值为：

由于输出直流电压在0～110V可调，二次测电压为95V，按照以上公史可以求出

角的控制角度为60度到90度之间。

4.晶闸管额定电流、额定电压的选择：

（1）晶闸管经受最大正反向电压为，为变压器二次线电压峰值，即

（2）流过晶闸管的平均电流

选用晶闸管时，额定电压要留有必然裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸管所经受峰值电压的2~3倍。

额定电流也要留必然裕量，一般取额定电流为通态平均电流的~2倍。

通过计算可以得出额定电压在466~699V，额定电流在~。

第4章总结

这是继模拟电子技术课程设计以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，这次课程设计的大体原理自然也大体上理解了。

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，按照要求设计相关参数，模块搭建好后，通过调节触发角取得了不同的波形。

由于开始没有加滤波装置，所得仿真波形与理论结果仍是有较大不同的，后来在老师的提示后加入了滤波装置，才取得比较理想的波形。

由于触发电路比较复杂，所以直接利用了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。

仿真做完了以后是做硬件实验，由于条件所限老师只让咱们画出电路板就可以够了。

硬件部份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速成利用的参考书。

通过突击对Protel的利用大体上有了了解。

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利用讲义上的。

由于许多元件Protel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，布线时先手工布线取得一个电路的大体布局，再利用自动布线。

这一步是在其他同窗的帮忙下完成的。

通过这次课程设计，我从完全不懂到逐渐了解，再到大体学会利用Matlab和Protel,它们都是与咱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的利用，初步学会了原理图SCHDOC的绘制，了解PCB板绘制的一般流程。

固然这次实验有碰到了很多的困难，也出现了很多的错误，反映出基础知识的某些地方还有薄弱的地方。

通过自己查找资料，苦心探索实践，与同窗讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。

不论是在基础理论上仍是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。

另外，由于这次课程设计是两人一组，通过这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缘，我想它将对以后的学习和此后的工作带来必然的益处。

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类不同的直流电源，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大体原理的基础上，总结了一些主电路参数整定方式，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式和规律。

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，强调采取必要办法抑制和消除谐波的重要性。

参考文献

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机械工业出版社，2008

[2]林渭勋.现代电力电子技术.北京：

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