电力电子技术课程设计

三相桥式半控整流电路的设计。

设计一个三相桥式半控整流电路，直流电动机负载，电机技术数据如下：，

1) 设计方案。

2) 完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择。

3) 触发电路、保护电路的设计。

4) 绘制主电路及触发电路（采用集成元件）电气原理图。

5) 撰写设计说明书。

首先，技术要求设计一个三相桥式整流电路，这个在课本中讲过，可以通过三相变压器、六个晶闸管、负载构成，而对于半控桥式电路，只需把其中的三个晶闸管换成二极管即可。对于直流电动机负载，在这里我们将其简化，用电阻、电感和反电动势代替之。

三相半控整流电路与三相全控整流电路类似，只是将全控桥中的共阳极组的三个晶闸管用二极管替换，从而简化了整个电路。图中的三个晶闸管为共阴极连接，一般习惯上按图中vt1——vt3——vt5的顺序导通晶闸管。

其原理图如图1所示。

图1 三相桥式半控整流电路。

图2 单相桥式半控整流电路。

在晶闸管单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管实际上若为了对每个导电回路经行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化触发电路，降低成本。如此即成为晶闸管单相桥式半控整流电路，如图2所示。当负载为电阻性负载时，晶闸管单相半控桥与晶闸管单相全控桥工作过程和波形完全一致。

当负载为阻感性负载时，由于电感有阻止电流变化的作用，电流变化时电感l两端产生的感应电动势会阻止电流变化，假设负载电感很大，即wl>>r，并且电路已处于稳态，则负载电流连续且波形近似为一水平线，幅值为。

在电压正半周、触发角为时，触发vt1，vt1和vd4导通。当过零变负时，因电感作用使电流连续，vt1继续导通。但因a点电位低于b点电位，vd2正偏导通，vd4反偏截止，电流从vd4转移至vd2，此时电流不再经变压器二次绕组，而由vt1和vd2续流。

整流桥输出电压为vt1和vd2的正向压降，接近于零，整流输出电压没有负半波，这种现象被称为自然续流。

在电压负半周，具有与正半周相似的特性，触发角α时触发vt3，vt3和vd3导通，过零变正时经过vt3和vd4自然续流。

三相桥式整流电路同样也可以采用半控方式，电路如图所示。与单相桥式半控整流电路相似。共阳极组的三个整流二极管自然换流点换流，使电流换到阳极电位更低的一相去，而共阴极组的三个晶闸管则受到触发信号的控制进行换流。

整流电路的负载为直流电机负载，为简化电路，用带反电动势的阻感负载代替直流电机。当晶闸管的导通角，时，相当于把图中共阴极组的晶闸管都换为二极管。此时，共阳极组的三个晶闸管是所接交流电压最高的一个导通，而对于共阴极组的三个二极管则是所接交流电压值最低的一个导通。

这样，任意时刻共阳极晶闸管和共阴极二极管都各有一个导通，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路波形如图1所示：

当触发角时，触发脉冲在自然换向点出现，三相桥式半控整流电路的负载电压的波形与三相桥式全控整流电路时的波形相同。

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，整流输出电压为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压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。

图3 阻感反电动势负载时的波形图。

为了说明各晶闸管和二极管的工作的情况，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，晶闸管和二极管的导通顺序为vt1－vd2－vt3－vd4－vt5－vd6。

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。

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：

1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

根据设计要求的采用集成元件设计出发电路，则在此选择同步信号为锯齿波的触发电路。根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。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。

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。

触发电路如图4所示：

图4 触发电路（集成元件）原理图。

如图5所示，触发电压的形成用kj004芯片完成。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。电原理见下图：

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的值可以获得不同的脉冲输出。kj004芯片内部结构如图5所示。

图5 kj004芯片内部结构图。

较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。

电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容，如图7所示。

图6 交流则过电压。

变压器一般为降压型，即电源电压u高于变压器次级电压。电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。

在进行电源拉闸断电是也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为ldi/dt，在电感一定得情况下，电流的变换越大，产生的过电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。

在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压都发生在电路正常工作地状态，一般叫做操作过电压。

雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生地时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以**的。

对于上面的这些过电压，我们可以采用下面的措施进行保护：

设备在运行过程中，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，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

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