三相半波整流电路课程设计解读

课程设计说明书

三相半波整流电路课程设计

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：何俊儒

指导教师：桂友超职称副教授

专业：电气工程及其自动化

班级：电气本1103班

完成时间：2014年6月10日

摘要

随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。

整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。

由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。国内三相半波可控整流电路技术不够熟练，设备不够先进。国外的三相半波可控整流电路设备完善技术比较熟练。

关键词：整流;三相半波可控整流电路;直流电动机

ABSTRACT

With the development of science and technology, motor speed control system of traction control in industrial and agricultural production, transportation and daily life plays a more and more important role, therefore, has a positivesignificance to the study of motor speed. For a long time, have been widely applied in DC motor speed control system, and has been leading in speed regulating field occupies the position, this is mainly because the DC motor not only convenient speed, but also in the field under certain conditions, and the armature voltage is proportional to the speed, torque is easy to control; at the same time, good starting performance, can adjust the speed is smooth and economic. The DC motor speed control can obtain good dynamic characteristics.

Rectifier circuit is a power electronic circuit of the earliest, the alternating current into direct current, circuit forms. When the rectifier load capacity is larger, or require the DC voltage ripple is small, should adopt the three-phase rectifier circuit. The AC side of a three-phase power supply. Three phase controlled rectifier circuit, the most fundamental is the three phase half wave controlled rectifier circuit, is the most widely used three-phase full bridge controlled rectifier circuit, and the double anti star rectifier circuit, the twelvewave controlled rectifier circuit, analysis can be based on half wave phase.

Because of the DC motor with excellent, braking performance, Yi and smoothin a broad range of speed. In the rolling mill, mine, widely used machine,excavator, metal cutting machine, paper machine, high-rise elevator need high performance silicon controlled electric drive field. In recent years the development of AC speed regulation system quickly, however, DC drive control system in theory and in time are relatively mature, but also from the feedback loop control perspective, it is a foundation, AC drive system for a long time,because of better performance than that of AC speed control system of DCdrive system. Therefore, DC speed control system has occupied an important position in the field of speed control system. The three phase half wave controlled rectifier circuit technology is not enough skilled, equipment not advanced. The three phase half wave controlled rectifier circuit equipment is perfect for more skilled.

Key words rectifier；three phase half wave controlled rectifier；DC motor

目录

1.设计任务 (5)

2.设计方案 (5)

3.总体电路设计 (6)

3.1主电路组成 (6)

4.各功能模块电路设计............................. 错误！未定义书签。

4.1触发电路的设计 (7)

4.2保护电路的设计 (8)

5.仿真实现....................................... 错误！未定义书签。

5.1脉冲波形仿真分析 (13)

5.2整流输出波形仿真分析 (14)

5.3晶闸管工作参数仿真分析 (15)

6.电路参数的确定 (15)

6.1续流电感及变压器参数确定 (16)

6.2晶闸管参数选择 (18)

7.总体电路分析 (18)

7.1整流电路分析 (19)

7.2主电路原理分析 (20)

8.元器件清单 (23)

9.心得体会 (24)

10.参考文献 (26)

1．设计任务

设计一三相半波整流电路，直流电动机负载，电机技术数据如下：

U nom=220V，I nom=308A，n nom=1000r/min，C e=0.196V min/r，R a=0.18。

（1）方案设计。

（2）完成主电路的原理分析，过主要元件的选择。

（3）触发电路保护电路的设计。

（4）利用MATLAB仿真软件建模并仿真，获取电压电流波形，对结果进行分析。

（5）撰写设计说明书。

2.设计方案

本文主要完成三相半波整流电路的设计，通过MATLAB软件的SIMULINK 模块建模并仿真，进而得到仿真电压电流波形。

分析采用三相半波整流电路反电动势负载电路，如图2.1所示。为了得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。

图2.1 三相半波整流电路共阴极接法反电动势负载原理图直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E。如果暂不考虑电动机的电枢电感时，则只有当晶闸管导通相的变压器二次电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出。此时负载电流时断续的，这对整流电路和电动机负载的工作都是不利的，实际应用中要尽量避免出现负载电流断续的工作情况。

3.总体电路设计

3.1主电路组成

三相半波整流电路主要由变压器、半波整整流流晶闸管及各级保护电路组成。由于电网电压通常与直流电机工作的正常电压，存在差别所以通常在整流变换是需要对电网电压进行变压，此外为了减少整流电路的多次谐波，通常变压器需要三角形—Y接法，此外由于晶闸管在整流工作过程中存在过电压、过电流快速关断、快速导通的过程，所以需要在主电路中设置过电压、过电流以及缓冲电路，具体框图3.1如下：

图3.1 电路总框图

4.各功能模块电路设计

4.1触发电路的设计

如图4.1所示为触发电路。由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉

冲发生器芯片KJ041形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成

完整的。触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。该电路可

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。

+15V

图4.1 三相半波整流电路触发电路

由于三相半波整流电路中晶闸管需要在不同的时候导通，而且要保持与三相

交流电频率保持一致，所以需要具体设计触发晶闸管的导通脉冲。

本设计中采用Kj004脉冲触发集成芯片实现，集成芯片具有可靠性高，技术

性能好，体积小，功耗低，调试方便等特点而受到广泛应用。其脉冲形成原理与

分立元件的锯齿波移相触发电路相似, 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其内部原理图见图4.2：

VT1VT2VT3VT4VT5VT6

图4.2 KJ004触发芯片内部原理图

触发电路的定相问题，触发电路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、正确的相位关系其具体措施如下：

1.同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。

2．触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。

3.同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240?，上升段起始的30?和终了的30?线性度不好，舍去不用，使用中间的180?。

4.使U d=0的触发角α为90?。当α<90?时为整流工作，α>90?时为逆变工作。

5.将α=90?确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90?的移相范围。于是α=90?与同步电压的300?对应，也就是α=0?与同步电压的210?对应。由图2-58及2.2节关于三相桥的介绍可知，α=0?对应于u a的30?的位置，则同步信号的180?与u a的0?对应。

4.2保护电路的设计

电力电子电路中保护电路包括过电压保护和过电流保护。

过电压保护一般采用RC过电压抑制电路，RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两端或电力电子电路的直流侧。

过电流保护分为过载和短路两种情况，一般过电流保护措施常采用快速熔断器、直流快速熔断器和电流继电器。在本设计的保护电路中对变压器一次侧和二次侧分别加上熔断器对其进行保护，对电机加上一个过载保护熔断器，如图4.3所示。

图4.3 保护电路的设计

变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结

具体外部电路实现见电路原理图部分。

4.2.1过电压保护电路设计

电力电子装置在实际工作中，由于工作环境的影响，可能存在过电压过电流运行的情况，所以我们在设计电路中要先考虑到这些因素并采取一定防御措施，一般情况下可能的过电压分为外因过电压和内因过电压。

1.外因过电压：操作过电压（由分闸、合闸等开关操作引起）

2.内因过电压：包括换向过电压和关断过电压

换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压

关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两

端感应出的过电压，对于晶闸管来说由于晶闸管的关断是考电网电压变化关断的所以不存在关断过电压。

外因过电压抑制措施中，RC 过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见下图4.4，RC 过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。

对于大容量电力电子装置可采用图4.5所示的反向阻断式RC 电路，本设计电路中考虑到直流电机工作电压较高，电流较大所以采用反向阻断式RC 过电压保护电路。

其工作原理为保护电路中，RC 电路对于电网电压有一定的钳位作用，使得电网中电压不至于发生剧烈变化，当电网电压发生大的变化是，电容的满充电效应会阻止电网电压变化，从而起到一直电网电压冲击的作用，但是电网电压长期较高时，电容充放电不足以抵消电网电压变化作用，从而失去保护效能。

图4.4 过电压抑制RC 电路 图4.5过电压抑制电路

4.2.2过电流保护电路设计

当电力电子装置所在电路发生短路或电机等负载出现过载时，就会出现过流现象。常用措施是采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器，通常情况下同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性，电力电子装置相对于其他电路装置更为脆弱，所以电子电路通常作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，选择快熔时应考虑如下因素：

(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定

(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定 (3)快熔的I 2t 值应小于被保护器件的允许I 2t 值 (4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间

电流特性

a)

b)图1-35

图1-36

2

电机工作中通常只会出现过载现象，本设计中采用熔断器保护，分别在电网侧和直流侧设置过流保护熔断器，实现过流保护。具体电路见附录中总电路图部分。

4.2.3缓冲电路的设计

电力电子装置，由于频繁开通或关断，因而会产生开通或关断的瞬间电压电流变化，这一过程通常会导致电力电子器件的老化或损坏，所以要设置缓冲电路，缓冲电路（吸收电路）：是用来抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和，减小器件的开关损耗。

缓冲电路分为关断缓冲和开通缓冲，其中：

关断缓冲电路（抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗

开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。对于三相半波整流电路，只需考虑开通缓冲电路即可。

具体设计为在晶闸管两端并联一个RC支路，抑制晶闸管开通瞬间的du/dt 作用。在整流电路中加入LRD并联支路来抑制开通过程中的di/dt。电路如图

图4.6与图4.7 所示。

图4.6 du/dt抑制电路图4.7 di/dt抑制电路

5.仿真实现

本设计电路中几乎所有元件都可以在MATLAB找到原型，但那是由于直流电机所需参数很多，而设计要求中所给条件，无法具体确定直流电机的所有参数，所以无法用直流电机直接仿真。但是在各种电路书中我们了解到，电机实际上可由带有电压源的电感和电阻代替，所以仿真部分我们把直流电机负载等效为电压源、电阻和电感的串联。

另外由于没有三相晶闸管的触发电路仿真模型，所以需要用脉冲发生器代替晶闸管的脉冲触发电路

仿真电路图见图5.1

图5.1 仿真原理图

5.1脉冲波形仿真分析

由于变压器所输送的电压，高于实际电机正常工作的电压，所以整流输出电压要适当的降压处理，利用晶闸管的单向导电性，适当调整触发角，使晶闸管延迟导通，从而当调整整流输出电压。如图5.2为触发角为30°时脉冲输出波形与输入电压波形比较图。

图5.2 对应各相输入电压波形与触发脉冲位置比较（正弦波分别为a、b、c三相）

在触发电路设计中我们知道，触发脉冲与输入电压是同频率的，设置触发脉冲到来时间，就可以设置晶闸管的导通时刻，但是触发脉冲时间上又有所限制，至少要在三相电压的自然换向点之后触发才能实现整流输出。即当触发角为0°时，脉冲触发初始时刻应该为30°。当α=30°事触发脉冲的初始角为60°。

由三相半波整流电路输出电压与输入电压关系公式我们可以知道，触发角愈大则输出电压愈小。当实际输出电压但与电机正常过坐的额定电压时，我们可以适当调整触发角，降低整流输出电压，反之则适当减小触发角，这样就可以通过调整触发角实现电机控制电压的调节。

此外由于三个晶闸管的阴极和阳极接在不同的输出电压相位上，所以一个周期内每个晶闸管的导通时刻是不同的，所以触发脉冲产生的时刻也不同，其中VT1最先导通VT2、VT3依次滞后120°，具体的波形我们可以从图5.2中看到。

5.2整流输出波形仿真分析

经过晶闸管三相半波整流输出后，输出电压电流变为直流。晶闸管要求在三相自然换向点以后进行触发，当负载为纯电阻性负载时输出电压与电流波形完全一致，由于本电路中所带负载为电动机负载，所以输出电压波形与输出电流波形不一致，具体输出波形与三相交流输出波形关系如图5.3所示。

从图中我们可以看到当触发角为30°时输出电压并没有负值但是最低电压降到了零（红色线为输出电压波形曲线），此时输出电压处于全部为正和出现负值的临界状态，当继续增大触发角时，我们就可以发现整流输出电压出现负值的结果如图5.3为触发角为60°时的输出波形。

图中黄色线为输出电流变化曲线，我们可以看到电流在初始刻为缓慢上升的，最终趋于水平，当整流电路接电动机负载时由于电机的阻抗作用，输出电流变化不大，并最终趋于水平，另外由于本电路设计时考虑到电流的连续性问题，即加入了续流电感，它同样可以对输出电流起到平波的作用。

图5.3 整流输出波形与三相交流输出波形关系

5.3晶闸管工作参数仿真分析

有晶闸管的工作特点我们可以知道，当晶闸管导通时，其两端电压为零，而此时流过晶闸管的电流即为负载电流值。当晶闸管截止时流过晶闸管的电流值为零，但是有与晶闸管接在两相电压之间所以要承受的最大电压是线电压峰值，图5.4为仿真波形图，可以看到晶闸管工作过程中的，电压、电流情形。

图5.4 晶闸管的工作时电压电流波形图（正弦波为ab间线电压）

6.电路参数的确定

根据所给的设计要求,首先计算出满足设计要求的电路参数。

6.1续流电感及变压器参数确定

根据电机的正常工作状态参数错误！未找到引用源。，可得正常工作条件下

直流电机反电动势为：

错误！未找到引用源。(6-1) 对于三相桥式半控整流带电动机负载的电路系统，为保证电流连续所需的主

回路电感量L（mH）为：

错误！未找到引用源。(6-2) 其中L--包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感。前者数值都较小，有时可忽略。

Id的最小值Idmin一般去电动机额定电流的5%~10%。则有：

错误！未找到引用源。(6-3) 供电电源电压计算公式为

错误！未找到引用源。(6-4) 其中错误！未找到引用源。为变压器输出电压

错误！未找到引用源。为电机正常工作的反电动式即E= Unom

为触发角

错误！未找到引用源。为回路总电阻

错误！未找到引用源。为回路工作电流

由负载电机参数，Unom=220V，Inom=136A，R=0.5Ω考虑到电路中其他元器件的分压这里取R=1Ω则有：

错误！未找到引用源。（6-5）

变压器二次侧电流有效值：

错误！未找到引用源。（6-6）显然选用输出端电压大于304V的变压器，方可满足供电要求，联系实际应选择二次侧输出电压为380V的变压器。

由半波整流变压器一次测电流与二次侧电流关系错误！未找到引用源。可知（设变压器一次侧输入电压为400V）变压器额定输出电功率：

错误！未找到引用源。（6-7）

由输入端与输出端功率关系：知输入功率：

错误！未找到引用源。（6-8）实际整流输出电压，可根据触发角α来调整，由变压器数我们可以计算实际工作中的输出电压范围。而且晶闸管触发脉冲角度应该满足，在触发角α=0时所要求的最小度数，设晶闸管的触发脉冲角度为γ，则当α=0 时γ=30°此时半波整流电路中的输出电压最大。最大触发角α，设电路中电阻只有电机电阻即R=0.5则有上面的公式可知：

错误！未找到引用源。(6-9)

可以解得α=28°即电路中晶闸管的触发脉冲电路起始角γ最大为58°最小为30°。本设计中初步整定为γ=60°。

当γ=60时整流输出电压

错误！未找到引用源。(6-10) 所以回路总电流

错误！未找到引用源。(6-11)

由于电路实际工作中电阻值大于电机工作电阻所以实际工作电流值小于此值。由此可知续流电感值：

错误！未找到引用源。(6-12)

6.2晶闸管参数选择

根据晶闸管电流参数选择原则公式：

错误！未找到引用源。(6-13)

其中：考虑的安全裕量为2~3倍

错误！未找到引用源。为整流电路正常工作最大电流的有效值

错误！未找到引用源。为所选择晶闸管的工作电流参数即选择额定电流至少为：

错误！未找到引用源。(6-14) 的晶闸管作为本次设计电路的整流电路元件。

根据三相半波整流电路分析知道晶闸管承受的最大反相电压为变压器的二次线电压峰值的2.45倍，即晶闸管最大反向额定电压：

错误！未找到引用源。(6-15) 而晶闸管所承受的最大正向电压为输入电压的峰值电压：

错误！未找到引用源。(6-16)

7.总体电路分析

总电路图如图7.1所示

图7.1 电路总图7.1整流电路分析

图7-2半波整流电路基本原理图

三相半波整流电路部分电路如图7-1所示吗，其具体实现原理是，当三相正弦交流电压加在晶闸管上，由于晶闸管的单向导通特性，当晶闸管两端加上正向电压，且存在触发脉冲时晶闸管导通，整流输出端有电压输出，当正弦电压变负时晶闸管由于承受反向电压截止，输出端没有电压输出，。从而实现整流变化。在图示电路中当加在晶闸管两端的两相电压，阳极端相电压高于阴极时在触发脉冲的触发下，晶闸管就会导通。同理Q2、Q3也会在阳极电压高于阴极电压的时候触发导通，从而实现三相电压的整流。

根据触发角的不同可以适当调整输出电压，而且单相半波整流电路所带负载不同，其输出电压波形也存在差异，在阻感负载下，如果L值很大，id波形基本平直。电路有如下特点：

图7-3半波整流电路a=30°时波形

（1）a≤30?时：整流电压波形与电阻负载时相同。

（2）a>30?时（如a=60?时的波形如图7-2所示）。

u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，——ud波形中出现负的部分。

id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。

阻感负载时的移相范围为90?。

若接电动机负载则相当于电压源与电感、电阻负载串联。

7.2主电路原理分析

主电路理论图如图2.1所示。假设将电路中的晶闸管换作二极管，并用VD 表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。在相电压的交点处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0。，要改变触发角只能是在此基础上增大它，即沿时间坐标轴向右移。

当三个晶闸管的触发角为0°时，相当于三相半波不可控整流电路的情况。增大α值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应的发生变化。 设变压器二次侧电压有效值为220V ，则相电压交点处的电压

2sin30=155.54V 。。 若反电动势小于155.54V 时，整流电路相当于工作在阻感负载情况下nnom=1000r/min （因为在自然换相点处晶闸管导通，负载电压等于相电压）。 根据任务书所给电机参数，当电机空载转速为，且稳定运行时，反电动势为E 196nom e n C V

=?=。

晶闸管的触发角为0°时，波形图如图7.3所示，从上到下波形依次是三相交流电压波形，触发脉冲波形，负载电压波形，晶闸管电压波形。

图7.4 触发角为0°时的波形