220V/100A三相半控桥式整流电路

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：220V／100A三相半控桥式整流电路

院（系）：

专业班级：

学 号：

学生姓名：

指导教师： （签字）

起止时间：2014.06.09-2014.06.22

课程设计（论文）任务及评语

院（系）： 教研室：电气教研室

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

电力电子学在工程应用中称为电力电子技术。电力电子学是应用于电力技术

领域中的电子学，它以利用大功率电子器件对能量进行控制和变换为主要内容，

是一门与电子、控制和电力紧密联系的边缘学科。随着电力电子器件及应用技术

的不断发展，特别是大功率晶闸管元件的出现和成功应用，为交、直流电力变换

带来了新的应用前景。现在广泛应用的大功率施动系统(如大型矿井提升机、大型

轧机和直流输电等)都是现代电力电子器件成功应用的范例。由于电力电子装置便

于控制。为其应用带来了方便。

本文提出了三相半控桥整流电路基本设计思想，详细论述了三相全控桥整流

电路的工作原理，较精确地计算了整流变压器的参数，确定晶闸管的定额，分别

对晶闸管、直流侧、交流侧设计过电压、过电流保护，采用集成触发电路提供同

步锯齿波信号脉冲，实现了三相半控桥变流器带电机负载运行，完成了整个设计。

关键字：三相桥式半控整流 集成触发 电路保护 参数计算 元件选择

目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

1.1 电力电子技术的概况 ........................................... 1

1.2本文设计内容 ................................................. 1

第2章 三相桥式半控整流电路设计 ...................................... 2

2.1 三相桥式半控整流电路总体设计方案 ............................. 2

2.2 主电路设计 ................................................... 3

2.2.1 三相半控桥的工作原理 ....................................... 3

2.2.2 工作原理及工作波形 ..................................... 4

2.2.3 分析结果 ............................................... 5

2.3 参数计算 ..................................................... 6

2.3.1 变压器参数计算 ......................................... 6

2.3.2 晶闸管的额定参数 ....................................... 8

2.3.3 平波电抗器的电参数 ..................................... 9

第3章 触发电路的设计 ................................................ 9

3.1 集成触发电路 ................................................ 10

3.2 KJ004的工作原理 ............................................. 10

3.3 集成触发电路图 .............................................. 11

第4章 保护电路的设计 ............................................... 13

4.1 晶闸管的保护电路 ............................................ 13

4.2 交流侧阻容保护 .............................................. 14

4.3 直流侧阻容保护 .............................................. 15

4.4 带保护电路的主电路图 ........................................ 15

4.5 总电路图 .................................................... 16

第5章 课程设计总结 ................................................. 17

参考文献 ............................................................ 18

第1章 绪论

1.1 电力电子技术的概况

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子

器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术

所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和

以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从

蓄电池和干电池得到的电力是直流。工业中大量应用各种交直流电动机。直流电

动机有良好的调速性能，为其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子

装置。

1.2本文设计内容

220V／100A三相半控桥式整流电路

直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，在工业生产中获得广泛应用，

本次设计的目的是为1台额定电压110V、功率为20kW的直流电动机提供直流可

调电源，以实现直流电动机的无级调速。

1、对设计方案进行经济技术论证。

2、完成整流主电路设计。

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、确定平波电抗器的参数。

6、触发电路设计或选择。

7、绘制相关电路图。

8、在实验室进行模拟验证或matlab仿真。

第2章 三相桥式半控整流电路设计

2.1 三相桥式半控整流电路总体设计方案

三相桥式半控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶

闸管主电路得到一个合适的输入电压，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分。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，使三相半控桥将交流整流成直流，带

动直流电动机运转，工作在电动状态。

设计框图如图2.1所示。整个设计主要分为主电路、触发电路、保护电路三个

部分。其中，由于保护电路分几个部分，在框图中没有表明。当接通电源时，三

相桥式半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，经过整流后的直流电通

给直流电动机，使之工作。

2.2 主电路设计

当整流负载容量较大（如直流电动机），或要求直流电压脉动较小时，应采用

三相整流电路，交流测由三相电源供电。这个设计中，采用三相桥式半控整流电

路。主电路采用晶闸管构成的三相半控桥，将三相桥式全控整流电路中的一组晶

闸管用三只二极管代替，就构成了三相桥式半控整流电路。只要控制三相桥中一

组晶闸管，就可控制三相桥式半控整流电路的输出电压，所以它的控制较全控桥

简单、经济，在中等容量或不要求可逆运行的电力拖动装置中经常使用。同时要

考虑晶闸管的过电压与过电流保护。

2.2.1 三相半控桥的工作原理

如图2.2所示，为三相半控桥带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢电

感与电枢电阻，故为阻感负载。其电路工作特点是共阴极组晶闸管必须触发才能

换流，而共阳极组二极管总是在自然换相点换流。所以，一周期中仍然换流六次，

三次为自然换流，其余三次为触发换流，。变压器为∆-Y型接法。变压器二次侧

接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。

图2.1 三相桥式半控整流电路

图2.2 三相半控桥式整流电路带阻感负载

2.2.2 工作原理及工作波形

三相桥式半控整流电路在感性负载情况下，当晶闸管在承受正向电压时触发

导通，整流二极管承受正向电压自然导通；当线电压过零变负时，由于电感的存

在，使晶闸管承受正向电压继续导通，与单相桥式半控整流电路相似，形成同相

晶闸管与二极管同时导通自然换流，所以输出电压Ud形中不会出现负波形。

当α=0o时，三相桥式半控整流电路的工作情况与三相桥式全控电路完全相

同。当α

时共阳极组二极管D6阴极电位最低，所以T1、D6导通，负载电压ud=uab。ωt2 时

刻共阳极组二极管自然换流，D2导通，D6关断，负载电压ud=uac 。ωt3 时刻，

虽然到了共阴极组自然换相点，但T3触发脉冲未到，所以T1继续导通，直到ωt4

时刻为止。ωt4 时刻触发T3导通，T1关断，负载电压ud=ubc ，以此类推。负

载上得到的电压波形Ud 一个周期内仍有6个波头，但6 个波头形状不同。当

α

以α=60o是整流电压波形连续与断续的临界点。

图2.4 为60

触发晶闸管T1导通时，共阳极组二极管D2阴极电位最低，所以T1、D2导通，负

载电压ud=uac 。ωt2 时刻虽然ua=0 ，但uac 仍大于零，T1管继续导通，直到

虽然T3承受正向电压但无触发不导通。ωt3 时刻uac=0时T1关断。ωt3~ωt4期间，

ωt4 时刻触发T3 ，二极管D4阴极电位最低而导通，ud=uab，直到uab=0为止。

重复以上过程

图2.3 三相半控桥式整流电路α≤60 图2.4 三相半控桥式整流60

时的波形 时的波形 oo

由图2.4 波形可见，随着触发角增大，晶闸管导通角度减小，输出整流电压ud 减小。因为三相桥式整流电路是对线电压的整流，工作电压为线电压，不是

相电压，所以判断一个晶闸管能否被触发导通是根据其线电压是否过零来判断。例如α=150︒时，T1 加触发脉冲，虽然此时a相电压ua=0，但因为uac>0，所以T1、D2仍然能够导通，输出电压ud=uac 。到α=180︒时，T1的触发脉冲发出时uac=0，则晶闸管T1不可能导通，ud=0。所以，三相桥式半控整流电路带阻感性负载时移相范围为180°。

2.2.3 分析结果

由以上分析可看出三相桥式半控整流电路的特点有如下几点：

(1) 任何时候共阴、共阳极组各有一只元件同时导通才能形成电流通路。

(2) 共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5，按相序依次触发导通，相位相差120º，共阳极组二极管VD2、VD4、VD6，相位相差120º，同一相的晶闸管或二极管相位相差180º。每个晶闸管或二极管导通角120º；

(3) 输出电压ud由六段线电压组成，每周期脉动六次，脉动频率为300HZ。

(4) 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它只与晶闸管导通情况有关，其波形由3段组成：一段为零(忽略导通时的压降)，两段为线电压。晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。

(5) 变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。

(6) 对触发脉冲宽度的要求：整流桥开始工作时以及电流中断后，要使电路正常工作，需保证应同时导通的2个晶闸管均有脉冲，常用的方法有两种：一种是宽脉冲触发，它要求触发脉冲的宽度大于60º(一般为80º～100º)，另一种是双窄脉冲触发，即触发一个晶闸管时，向小一个序号的晶闸管补发脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以多采用双窄脉冲触发。阻感性负载α≤60º时的ud波形连续，α＞60º时ud波形断续。α=120º时，输出电压为零Ud=0，因此三相半控桥式整流电路阻感性负载移相范围为0º～120º。可以看出，晶闸管元件两端承受的最大正反向电压是变压器二次线电压的峰值

UFM=URM=2=2=2.45U2 （1）

2.3 参数计算

2.3.1 变压器参数计算

(1) 变压器次级相电压U2的分析计算

整流器主电路有多种接线形式，本例中为∆-Y型接法。在理想情况下，输出直流电压Ud与变压器次级相电压U2有以下关系：

Ud=KUVKBU2 (2) 其中KUV为与主电路接线形式有关的常数；KB为以控制角α为变量的函数。 在实际运行中，整流器输出的平均电压还受其它因素的影响，主要为：

电网电压的波动。一般的电力系统，电网电压的波动允许范围在

+5%~-10%，令ε为电压波动系数，则ε的变化范围为0.9

整流元件（晶闸管）的正向压降。在前面对整流电路的分析中，没有考虑整流元件的正向压降对输出电压的影响。实际上整流元件（晶闸管）为非线性元件，导通时两端的门槛电压UT（一般为0.4～1.2V）使输出平均电压Ud下降。若整流回路中串联整流元件数为ns，产生电压降为nsUT。

直流回路的杂散电阻。滞留回路中，接线端子、引线、熔断器、电抗器等都具有电阻，统称杂散电阻。设备工作时会产生附加电压降，记为∑∆UT。在额定工作条件下，一般取额定电压的0.2%~0.25%。

交流电源系统电抗引起的换相过程电压损失。在计算中，可用整流变压器漏抗XB近似表示电源系统的电抗。对n三相桥式电路而言，

∆Ud=Kg

nuk%Uπ100考虑上述所有因素，整流电路的直流输出电压应为

Ud=εminKUVU2KB-nsUT-∑∆UT-∆Uαd (4) 将有关各量代入并整理后可得次级相电压有效值的计算公式为

Ud+nsUT+∆UT

U2= (5)

uk%

εminKUVKB-λKX

100

Ud

当不需要精确计算时，可以简化为U2=

1.17(1+cosα) 由波形图3，图4也可以得出：当电压波形连续时(α≤60︒ )有

π

π+α⎤3⎡23π

Ud=sinωtdωt+sin(ωt-)d(ωt)(

)⎢π⎥2223π

2π⎣3+α3 ⎦ （6）=1.17U2(1+cosα)

当电压波形断续时（60︒

Ud=

32π

⎰α

π

2sinωtd(ωt)=1.17U2(1+cosα) （7）

综合（8）和（9）可以得 U2=

Ud

（8）

1.17(1+cosα)

由要求得Ud=Unom，α=30︒，代入数据可得

U2=

Ud220

=≈100.76 ︒

1.17(1+cosα)1.17⨯(1+cos30)

故可取U2=100v

(2) 变压器次级相电流有效值I2的计算

变压器次级相电流有效值I2与其直流负载电流Id的关系为

I2=KI2Id (9) 式中，KI2为次级电流变换系数，这里KI2=0.816。所以

I2=KI2Id=0.816⨯136=110.9A

(3) 变压器初级相电流有效值I1的计算

整流变压器的初、次级电流都是非正弦波，两者的关系受变流器接线方式的影响。对于桥式电路初、次级相电流波形相同，其有效值之比等于变压器的匝数比k。一般取k=1，则

I1=KI1Id (10)

U

式中KI1=2为k=1时网侧电流变换系数。即

U1

UI1=2Id

U1 (11) 所以 I1=

U2110

Id=⨯136=68 U1220

(4) 变压器容量的计算

对于三相全控桥，变压器次级容量为

S2=3U2I2 (12) 初级容量为

S1=3U1I1 (13) 变压器容量为

S1+S2

2 (14)

S+S23⨯110⨯110.9+3⨯220⨯68

==40.74KVAR 即：S=1

22

S=

整流变压器参数归纳如下：

初级绕组三角形接法，次级绕组星形接法，U1=220V，I1=68A；U2=110V，

I2=110.9A；等值容量S=40.74KVAR。

2.3.2 晶闸管的额定参数

(1) 晶闸管的额定电压

由三相半控桥式整流电路的结果分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值

UFM=URM2

故桥臂的工作电压幅值为

Um=220≈538.89V 考虑裕量，则额定电压为

UN=(2~3)Um=(2~3)⨯538.89=(1077.8~1616.7)V (2) 晶闸管的额定电流 晶闸管电流的有效值为

IVT=

=

≈78.52A

考虑裕量，故晶闸管的额定电流为

I78.52

IVT(AV)=(1~1.5)VT=(1~1.5)=(50.01~75.02)A

1.571.57

2.3.3 平波电抗器的电参数

为了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器转库电路中常要串联平波电抗器。对于三相半控桥式整流电路带电动机负载系统，有

U

L=0.6932 (15)

Idmin

其中，L（单位为mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感；Idmin一般取电动机额定电流的5%~10%。

U110

本例中，取Idmin=5%IN，即L=0.6932=0.693⨯ =11.21mH。

Idmin5%⨯136

第3章 触发电路的设计

控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路

3.1 集成触发电路

本例中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，可以方便地构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。原理图如下

+15V

图3.1 KJ004的电路原理图

3.2 KJ004的工作原理

如图5 KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路类似。V1～V4等组成同步环节，同步电压uS经限流电阻R20加到V1、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，V2、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基本上处于截止状态。只有在同步电压|uS|＜0.7V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，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充

电电流和电容C1的大小。根据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，并且两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uC5（即4#端电压）、偏移电压Ub、移相控制电压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6>+0.7V时，V6导通。设uC5、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获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、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。此后C2经 （+15V－R25－V6－地）放电并反向充电，当其充电电压uc2≥+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25C2决定。

V8、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，情况刚好相反，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V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、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 V8、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

180的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，只需要三个与主电

路同相的同步电压就行了。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分别与同步变压器的uSA、uSB、uSC相接 RP1～RP3为锯齿波斜率电位器，RP4～RP6为同步相位。

3.3 集成触发电路图

三相半控桥触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，这里只需用到3个触发脉冲即可，分别连到VT1，VT3，VT5的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图3.2所示：

123456

图3.2三相半控桥整流电路的集成触发电路

通过仿真可知，此电路中当电枢电感不足够大时，输出电流波形断续，使晶闸管-电动势系统的机械性变软，为此通常在负载回路串联接平波电抗器以减小电流脉动，延长晶闸管导通时间，如果电感足够大，电流就能连续。单相全控整流电路与单相半波可控整流电路相比，整流电压脉动减小，每周期脉动两次。变压器二次侧流过正反两个方向的电流，不存在直流磁化，利用率高。

第4章 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、压敏电阻或硒堆等；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。

本例中设计的三相半控桥式整流电路为小功率装置，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

1）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。如下图所示：

图4.1串联电感及熔断器抑制回路

2）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。当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过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，如图4.2所示。

图4.2 并联RC电路阻容吸收回路

4.2 交流侧阻容保护

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9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，电容经R1、R2放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。

图4.3 反向阻断式过电压抑制RC电路

本科生课程设计（论文）

4.3 直流侧阻容保护

直流侧也可能发生过电压，在图4.4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4.4 直流侧阻容保护

4.4 带保护电路的主电路图

在上述基础上，加上电子电路过电流保护，作出主电路电路图如图4.5所示。

图4.5 三相全控桥式晶闸管－电动机系统主电路

本科生课程设计（论文）

4.5

在以上分析的基础上，可以作出总电路图如图4.6所示。

图4.6 三相桥式半控整流电路总电路图

第5章 课程设计总结

电力电子技术是一门基础性和支持很强的技术，本学期学习了这门课程，在学习过程中掌握了电力电力技术的一些基本原理。通过本次课程设计，对这门课有了更深的了解，以及对各个知识点有个更好的掌握。

本次设计，所设计的是三相桥式半控整流电路，经过仔细查阅资料，各类图书，以及同学们的讨论，对三相桥式半控整流电路中的整流元件（如晶闸管），直流侧，交流侧的保护电路以及触发电路都有了了解，成功的把各个部分的独立电路图，以及总电路图都画了出来。整流电路的参数，以及各元器件（如晶闸管）的参数都计算了出来。

这次的课程设计也遇到了很多问题，通过努力都顺利的克服了。通过本次课程设计，对电力电子的一些基础知识有了很好的理解，了解了过电压，过电流保护方面的很多知识，这对我以后的学习工作都有很好的帮助

参考文献

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