三相桥式全控整流电路

1系统概述

整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。由电力二极管等不可控器件构成的整流电路叫做不可控整流电路，由晶闸管等半控器件构成的整流电路称为半控型整流电路，由门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）以及绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型器件构成等的整流电路称为全控整流电路。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

本系统属于三相桥式全控整流电路，而三相可控整流电路一般有三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路。三相半波可控整流电路只需要三个晶闸管，若带阻感负载，则只在正半周开通。三相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次测电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的。因此，实际中一般不采用半波整流，而采用全波整流。

三相可控整流电路中应用较多的是三相桥式全控整流电路，共六个晶闸管组成三对桥臂。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在u2一个周期内，整流电压波形脉动6次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器绕组的利用率也高。

1.1总体方案设计

现要设计一三相桥式半控整流电路，带直流电动机负载，电压调节范围为0～220V。整个系统可分为主电路和触发电路两部分，总体结构框图如下图1所示：

1.2系统工作原理

在系统主电路中，首先由主变压器将电网电压变换为需要的交流电压，接着由整流桥将交流电转化为直流电供给直流电动机负载。故主电路是典型的三相桥式整流电路带阻感负载。

而除了主电路以外，系统还有控制电源电路和触发电路。控制电源电路通过7815芯片将电网交流电整理输出为+15V，提供触发电路的+Uco；通过7915芯片将电网交流电整理输出为-15V，提供触发电路的-Up.

触发电路结构机构相对比较复杂，由同步变压器，脉冲变压器，3个KJ004集成块和1个KJ041集成块组成。可以形成6路双脉冲，分别去控制主电路的6个晶闸管。触发器按一定的顺序输出脉冲，这样可以使主电路3组晶闸管依次打开。

2系统电路设计

2.1 三相桥式全控整流电路

该模块主电路图可表示为如下：

图2 三相桥式全控整流主电路图

该电路中，在每个晶闸管都并联了保护电路，由一个电容和电阻做成。同时又在变压器二次侧上串联了一个快速熔断器，起过电流保护作用。由于我们的电路可以应用于生产实践中，而实际中，电网电压是有波动的，所以一定要加上保护电路。

在电路中变压器二次侧接成星形是为了得到零线，而一次侧接成三角形是为了避免3次谐波流入电网。阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5），称为共阴极组，这种接法为共阴极接法。阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2），称为共阳极组，这种接法为共阳极接法。而我们习惯上也希望是晶闸管是按顺序导通，即导通顺序为VT1－〉VT2－〉VT3－〉 VT4－〉VT5－〉VT6。

一般三相桥式全控整流电路都是给阻感负载和反电动势阻感负载比如直流

电动机供电。直流电动机可以看做是阻感负载的一种，它的波形图和三相桥式全控整流电路带阻感负载的波形图基本上是一致的，以下就为三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0︒的波形图。

图3 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0︒的波形图

当a ≤60︒时，Ud波形连续，电路的工作情况十分相似，各个晶闸管的通断情况，输出整流电压Ud波形，晶闸管承受的电压波形等都是一样的。

而当a >60︒时，带阻感负载时的工作情况就和带电阻负载时有不同之处了。带阻感负载时，由于有电感L的作用，U d波形会出现负的部分。若电感L的值足够大的话，U d中正负面积可以认为基本相等，这样的话平均值就近似为零了。而电阻负载时，u d波形不会出现负的部分。所以我们可知带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为0°～90︒。

图4三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90 的波形图

从上图我们可以看到，如果电感值等于90°时，U d中正负面积可以认为基本相等，这样的话平均值就近似为零了。而整流输出电压是不能为负的，所以带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角最大值为90°。

其实三相桥式全控整流电路带负载不同，波形的区别不是很大，主要的区别在负载的电流波形上，因为如果是阻感负载的话，电感有平波的作用，在电感为无限大时，我们可以看做输出电流波形为一条直线。但是电感不可能无限大，而且直流电动机的电感也不是很大，所以还是会有纹波，而且如果出现电流断续的情况的话，那么电动机的机械特性将会很软，所以为了克服这个缺点，我们一般会给主电路中直流输出侧，直流电动机串联了一个平波电抗器。平波电抗器的作用是用来减少电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。只要电感为足够大时就能使电流连续了，就不会出现时电动机机械特性很软的情况了。这样也可以近似的将负载电流特性看为一条水平的直线。

2.2系统触发电路

2.2.1 KJ004芯片

KJ004芯片，又叫做晶闸管移相触发集成电路。它是双列式直插式集成电路，由于它可以输出两路相位互差180°的移相脉冲，正负半周脉冲相位比较均衡，并且输出负载能力大，移相性能好，，而且它对同步电压要求低，目前广泛应用于单相、三相全控桥式晶闸管的双脉冲触发。

它的管脚图如下，为16脚芯片。

图5 KJ004的管脚排列

2.2.2 KJ041芯片

KJ041芯片，又称为六路双脉冲形成器。将它和三个KJ004连接到一起就可以达到六路双脉冲触发电路，这样三相桥式全控整流电路的各个晶闸管就可以按