电力电子课程设计三相全控桥

1、三相桥式全控整流电路的设计与分析绪论电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流、逆变、斩波、变频、变相等）两个分支。它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电供给直流用电设备，应用十分广泛。例如直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。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

2、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分。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以及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。当整流负载容量较大或要求直流电压脉冲较小时应采用三相整流电路，其交流测由三相电源供电。本设计要求整流电路带直流电机负载，希望获得的直流电压脉冲较小，所以用三相全控整流比较合理。1 晶闸管的工作原理晶闸管组成的实际电路如图1-1所示：图1-1 晶闸管组成的实

3、际电路为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成NPN和PNP两个三极管相连，用三极管的符号来表示晶闸管的等效电路，如图1-2（a）所示,其工作过程如图1-2（b）所示。图1-2 晶闸管的等效电路当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UZ而控制极K不加电压时，中间的PN结处于反向偏置，管子不导通，处于关断状态。当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压UA，且控制极G和阴极K之间也加正向电压UG时，外层靠下的PN结处于导通状态。若V2管的基极电流为IB2，则集电极电流Ic2为2IB2，V1管的基极电流IB1等于Vz管的集电极电流，因而V2的集电极电流Icl为l2如，该电流又作为V2管的基极电流，再一次进

4、行上述的放大过程，形成正反馈。在很短的时间（一般几微秒）两只二极管均进入饱和状态，使晶闸管完全导通。当晶闸管完全导通后，控制极就失去了控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此对管子压降很小，一般为0. 61.2 V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上，晶闸管中有电流流过，可达几十至几千安。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到不能维持正反馈过程，当然也可以将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间加一反向电压。综上所述，可得如下结论：晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制极也加正向触发电压（实

5、际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点之一：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。图1-3 晶闸管的伏安特性2 主电路设计及原理2.1 三相桥式全控整流电路的原理一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。2)共阴极组VT1、VT3、V

6、T5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。3)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°。（3）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）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用）三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。 6 个晶闸管导通的顺序是按 VT6 VT1 VT1 VT

7、2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6 依此循环，每隔 60 °有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为 60 °。三相桥式全控整流电路原理图如右图所示。 三相桥式全控整流电路用作有源逆变时，就成为三相桥式逆变电路。由整流状态转换到逆变状态必须同时具备两个条件：一定要有直流电动势源，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的 a 90 °，使 U d 为负值。图2-1 三相桥式全控整流电路2.2

8、三相全控桥的工作特点 2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。 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。 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。 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2.3 阻感负载时的波形分析

9、三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况。 当600时，ud波形连续，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、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 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2-2和图2-3分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=00和=300的波形。 图2-2 触发角为00时

10、的波形图 图2-3 触发角为300时的波形图当600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分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。图2-4给出了=900时的波形。若电感L值足够大，ud中正负面积将基本相等，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角移相范围为900。图2-4 触发角为900时的波形图3 触发电路设计3.1 触发电路设计目的 要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的

11、重要环节。3.2 设计的任务指标及要求 1 输入电压：直流+15V,-15V. 2 交流同步电压：20V. 3 移相电压：0 - 10 V.4移相范围：大于等于170度. 5对电路进行设计，计算元器件参数.3.3触发电路设计方案的选择3.3.1 可供选择的方案种类1 单结晶体管触发电路2 正弦波同步触发电路3 锯齿波同步触发电路4 集成触发电路3.3.2 方案选择的论证1 单结晶体管触发电路：脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差；移相范围一般小于180度，电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致，不付加放大环节。适用范围：可触发50A以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但

12、在大电感负载中不易采用。2 正弦波同步触发电路：由于同步信号为正弦波，故受电网电压的波动及干扰影响大，实际移相范围只有150度左右。适用范围：不适用于电网电 压波动较大的晶闸管装置中。3 锯齿波同步触发电路：它不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽，具有强触发，双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管。适用范围：在大众中容量晶闸管装置中得到广泛的应用。4 集成触发电路：移相范围小于180度，为保证触发脉冲的对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：应用于各种晶闸管。 根据晶闸管触发电路设计的任务和要求决定采用锯齿波同步触发电路的设计方案进行设计。3.4锯齿

13、波同步移相触发电路3.4.1锯齿波形成和同步移相控制环节 图 3-1锯齿波同步移相的原理是利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压与直流偏移电压组成并联控制，进行电流叠加，去控制晶体管的截止与饱和导通来实现的。图3-1所示为恒流源电路方案，由、和等无件组成，其中、和为一恒流源电路。当截止时，恒流源电流对电容充电，所以两端电压为 =按线性增长，即的基极电位按线性增攻。调节电位器，即改变的恒定充电流，可见是用来调节锯齿波斜率的。当导通时，由于阻值很小，所以迅速放电，使电位迅速降到零伏附近周期性的导通和关断时，便形成了一个锯齿波，同样也是锯齿波电压，如图3-1所示。射极跟

14、随器的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压,直流偏移电压三个电压作用的叠加值所确定，它们分别通过电阻和与基极相接。设为锯齿波电压单独作用在基极时的电压，其值为=可见仍为一锯齿波，但斜率比低。同理偏移电压单独作用时的电压为： 可见仍为一条与平行的直线，但绝对值比小。 直流控制电压单独作用时的电压为：=可见仍为与平行的一直线，但绝对值比小。如果=0,为负值时,点的波形由确定。当为正值时，点的波形由确定。由于的存在，上述电压波形与实际波形有出入，当点电压等于0.7V后，导通。之后一直被钳位在0.7V。图中M点是由截止到导通的转折点。由前面分析可知经过M点

15、时使电路输出脉冲。因此当为固定值时,改变便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加的目的是为了确定控制电压=0时脉冲的初始相位。当接阻感负载电流连续时三项全控桥的脉冲初始相位应定在=90度;如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲的移相范围理论上为180度，由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180度，例如240度，此时，令=0，调节的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波240度地的中央(120度)，对应于=90度的位置。这时，如为正值，M点就向前移，控制角<90度，晶闸管电路处于整流工作状态；如为负值，M点就向后移，控制角>90

16、度，晶闸管电路处于逆变状态。在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图2-2可知，锯齿波是由开关管来控制的。由导通变截止期间产生锯齿波，截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使开关的频率与主电路电源频率同步就可达到。如图2-2中的同步环节，是有同步变压器TS和作同步开关用的晶体管组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。同步变压器TS二次电压经二极管间接加在的基极上。当二次电压波形在负半周的下

17、降段时，导通，电容被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段基极为反向偏置，截止。在负半周的上升段，+电源通过给电容反向充电,为电容反向充电波形，其上升速度比波形慢，故截止，如图2-5所示。当Q点电位达1.4V时，导通，Q点电位被钳位在1.4V.直到TS二次电压的下一个负半周到来时，重新导通，迅速放电后又被充电，截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，包括截止和导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期,与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯

18、齿波的宽度是由充电时间常数决定的。3.4.2脉冲形成，整形放大和输出环节脉冲形成环节由晶闸管、组成，、起脉冲放大作用。控制电压加在基极上，电路的触发脉冲有脉冲变压器TP二次侧输出，起一次绕组接在集电极电路中。 当控制电压=0时，截止。+（+15V）电源通过供给一个足够大的基极电流，使饱和导通，所以的集电极电压接近于-(-15V)。、处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+(15V)经、发射结到-(-15V)，对电容充电，充满后电容两端电压接近2 (30V),极性如图3-2所示:图 3-23.4.3 强触发和双脉冲形成环节图 3-3 强触发环节有单相桥式整流获得近似50V直流电压作电源，在导通前

19、，50V电源经对充电，N点电位为50V。当导通时，经脉冲变压器一次侧，与迅速放电，由于放电回路电阻很小，N点电位迅速下降，当N点电位下降到14.3V时，导通，脉冲变压器TP改由+15V稳压电源供电。这时虽然50V电源也在向再充电使它电压回升，但由于充电回路时间常数较大，N点电位只能被15V电源钳位在14.3V。电容的作用是为了提高强触发脉冲前沿。如图3-3中、两个晶体管构成一个“或”门。当、都导通时,约为-15V，使、都截止，没有脉冲输出。但只要、中有一个截止，都会使变为正电压，使、导通，就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制或的截止（前后间隔60度），就可以产生符合要求的双脉冲。其中，第一

20、个脉冲有本相触发单元的对应的控制角所产生，使由截止变为导通造成瞬间截止，于是输出脉冲。相隔60度的第二个脉冲是由滞后60度相位的后一相触发单元产生，在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元的基极，使瞬时截止，与是本相触发单元的管又导通，第二次输出一个脉冲，因而得到间隔60度的双脉冲。其中和的作用，主要是防止双脉冲信号相互干扰。4 保护电路的设计为了保护设备安全，必须设置保护电路。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

21、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。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。4.1 晶闸管的保护电路、晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的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起的过流以及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。、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

22、过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时，恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。4.2 交流侧保护电路晶闸管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，所以要进行过电压保护，可采用如图4-1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热。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，

23、电容经 、 放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。图4-1反向阻断式过电压抑制RC电路4.3 直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-2中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。另外，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，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，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。图4-2 直流侧阻容保护5. 三相桥式整流电路MATLAB仿真5.1电路的构成及其工作原理三相桥式全控整流电路原理图如图2-1所示。

24、三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT

25、4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差23；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差，给分析带来了方便；当=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路。>0时，Ud的波形出现缺口，随着角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当=23时，输出电压为零，所以电阻性负载时，的移相范围是O23；当O3时，电流连续，每个晶闸管导通23；当323时，电流断续，

26、个晶闸管导通小于23。=3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。5.2 建模根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图4-2所示，设置三个交流电压源V1，V2，V2相位角依次相差120°，得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6个PULSE generator产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给16号晶闸管触发脉冲图5-15.3参数的设置三相电源的相位互差120°，交流峰值电压为159.55V，频率为50 Hz。晶闸管的参数为：Rn=O001 ，Lon=0000 1 H，Vf=0 V，Rs

27、=50 ，Cs=250×10-9。负载电阻性设R=0.18 ，电感性负载设L=7.31mH。脉冲发生器脉冲宽度设置为脉宽的20 ，脉冲高度为5 V，脉冲周期为0.02 s，脉冲移相角随着控制角的变化对“相位角延迟”进行设置。（1）三相电源的设置情况三相电源的相位互差120°，V1为0°，V2为-120°，V3为120°，频率为50HZ，电压峰值为159.55V。（2）脉冲的仿真情况根据触发角为0°，所以晶闸管VT1，VT3，VT5，VT4，VT6，VT2的延迟时间分别为0.00166s，0.00833s，0.015s，0.01166s

28、，0.01833s，0.025s5.4仿真结果以下为触发角为30°时的仿真结果：图5-2 输入电压波形图5-3 触发脉冲波形图5-4 输出电压波形图5-5 晶闸管承受电压波形5.5仿真结果分析由前面的理论分析知道，当60°时，波形连续，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、输出整流电压波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 波形不同，电阻负载时 波形与 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。由仿真结果可知，当60°时，电压波形连续，与理论值相差不大，但由于电感与无穷大相差甚远，所以电流并不是一条直线，而是符合电机启动电流由零逐渐增大趋于稳定。结论本次课程设计主要对三相桥式整流电路进行设计分析和仿真，设计主要包括主电路，触发电路和保护电路，对于主电路采用教材