三相桥式全控整流电路的设计。
一、主电路设计及原理。
1.1 主电路设计。
其原理图如图1所示。
图1 三相桥式全控整理电路原理图。
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其带电阻性负载原理图如图1所示。习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（vt1、vt3、 vt5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（vt4、vt6、vt2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从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vt4、vt6、vt2，晶闸管的导通顺序为 vt1－vt2－vt3－vt4－vt5－vt6。
1.2 主电路原理说明。
假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。
这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2所示。
=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。
从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。
为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为vt1－vt2－vt3－vt4－vt5－vt6。α=0o时晶闸管工作情况如表1所示。
表1 三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况。
从触发角α=0o时的情况可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点如下：
1） 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1 个是共阳极组的，且不能为1相的晶闸管。
2） 对触发脉冲要求：6个晶闸管的脉冲按vt1－vt2－vt3－vt4－vt5－vt6的顺序，相位依次差60o；共阴极组vt1、vt3、vt5的脉冲依次差120o，共阳极组vt4、vt6、vt2也依次差120o；同一相的上下两个桥臂，即vt1与vt4，vt3与vt6，vt5与vt2，脉冲相差180o。
3） 整流输出电压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）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60o（一般取80o ~100o），称为宽脉冲触发。
另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的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60o，脉宽一般为20o ~30o，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器饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。
5）α＝0o时晶闸管承受的电压波形如图2所示。图中仅给出vt1的电压波形。将此波形与三相半波中的vt1电压波形比较可见，两者是相同的，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也与三相半波时一样。
图2中还给出了晶闸管vt1流过电流ivt的波形，由此波形可以看出，晶闸管一周期中有120o处于通态，240o处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的ud波形相同。
当触发角α改变时，电路的工作情况将发生变化。图3给出了α=30o时的波形。从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。
区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在vt1处于通态的120o期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在vt4处于通态的120o期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。
图4 给出了α=60o时的波形，电路工作情况仍可对照表1分析。ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。α＝60o时ud出现了为零的点。
由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。
当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图5所示，此时ud波形每60o中有30o为零，这是因为电阻负载时id波形与ud波形一致，一旦ud降至零，id也降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，因此ud波形不能出现负值。图5中还给出了晶闸管电流和变压器二次电流的波形。
如果继续增大至120o，整流输出电压ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120o。
二、各元件参数的计算。
三相桥式全控整流电路中，整流输出电压的波形在一个周期内脉动6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1/6周期）进行计算即可。以线电压的零点为时间坐标原点的线电压波形如图6所示，其自然换相点在处，他是线电压与的交点。可以看出，当时，电流连续。
当时，电流断续。因此，整流输出电压连续时的平均值亦要分两种情况：
1） 当时，2) 当时，整流只能在正半周进行，故。
当时，取得最大值为；
当时， ；当时， 。
其中，为变压器二次绕组的线电压有效值。可以看出，最大移相范围是。
图6 时计算整流电压的波形。
由以上分析可知，负载两端承受的始终为线电压，且电阻性负载的电流波形与电压波形一致。为满足负载电压在内可调，则可做如下计算：
当时，取得最大值为，留取50v的裕量，令，解得。
则变压器变比为：
考虑到所留裕量足够大，故取变压器变比为。
为取得负载电压为50v，考虑留取适当裕量，则令，其中。
则可解得，。
则至此可知，的调节范围为，即控制角移相范围为。
输出电流平均值为。
则电阻负载上的电流有效值的计算如下：
当时，负载电流有效值为：
易知当，即时，有效值取得最大值为11.82 a。
② 当时，负载电流的有效值为。
求关于的导数，可解得当时，关于单调递减，故当时，有效值取得最大值为9.96 a
综上所述，考虑安全裕量，故取负载电流最大有效值取为11.82 a。
因为晶闸管是交替工作的，故流过晶闸管的电流最大有效值，亦即变压器二次侧的线电流为：
则变压器的容量为：
考虑安全裕量，故取变压器容量为。
则晶闸管通态平均电流为：，取整为5a
考虑倍的安全裕量，这里取2倍的裕量，则晶闸管额定电流为10a。
由上述各图所示电压波形可知，晶闸管所承受的最大正反向电压都是线电压的峰值，亦即，为367.64v，取整为370v。考虑倍的安全裕量，这里取3倍裕量，则晶闸管的额定电压为1110v。
至此，各元件参数计算完毕。
综上所述，各元件参数汇总如表2所示。
表2 各元件参数。
三、设计心得。
经过一个星期的努力，终于完成了电力电子课程设计。在设计过程中我也曾为一时找不到解题思路而失落过，也曾一度热情高涨的为验证一套理论的正确性而在教室奋斗一天。从开始时满富激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴，无不令我回味无长。
通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力，使我更加懂得了理论与实际相结合的重要性。在设计的过程中，难免会遇到过各种各样的问题，从而发现了自己的不足之处。在解决这些问题的过程中，使我对课堂上所学的知识的认识更加具有连贯性，对《电力电子变流技术》这门课的理解更加深入，同时也极大的提高了我对自动控制原理知识的综合运用能力。
通过三相桥式全控整流电路的设计，使我加深了对整流电路的理解，让我对电力电子该课程产生了浓烈的兴趣。整流电路的设计方法多种多样，且根据负载的不同，又可以设计出很多不同的电路。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。
整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择和相关参数的整定是最关键的，开关器件和触发电路选择的好坏，对整流电路的性能指标影响很大。
生活中也是这样，成功离不开汗水的浇铸。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
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