湖南工程学院
课 程 设 计 任 务 书
课程名称 电力电子技术 题 目 三相整流电路的设计
专业班级 电气工程
学生姓名 学号
指导老师 杨青 蔡斌军
审 批 谢卫才
任务书下达日期 2012 年 6 月 4 日
设 计 完成日期 2012 年 6月 17 日
目 录
目 录
一、 设计总体思路，基本原理和框图
1． 设计总体思想
依据所学知识，在比较了几种方案后，本次课程设计采用
ATMEL89S52 单片机控制的三相桥式可控整流电路触发电路的设计方法，包
括三相桥式全控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大、键盘电路、
保护电路等内容。
2. 基本原理和框图
在三相整流电路中，由电网提供的380V三相交流连接到三相变
压器一次侧，而三相变压器二次侧则接三相桥式整流主电路。通过
控制电路调节触发角α的大小来改变三相整流电路输出电压的大小。而在
控制电路与主电路之间设计了一个驱动电路，它相当于接口。与此同时为保
证电路能够正常工作还设置了保护电路。总体结构框图如下
图一 总体结构框图
二、 主电路设计
1.三相交流输入
由电网提供的380V三相交流连接到三相变压器一次侧，而三相
变压器二次侧则接三相桥式整流主电路。必须注意的是，为了避免
三次谐波电流流入，一次侧接成三角形。三相变压器二次侧为星形
连接。
图2 三相整流主电路
2.主电路工作过程分析
现在以晶闸管触发角α=0°分析主电路工作原理：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3所示。
图3 三相桥式整流电路带阻性负载α=0°时的波形
α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器
二次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。 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。将波形中的一个周期等分
为6段，每段为60°度，如图3所示，分析有每一段中导通的晶
闸管及输出整流电压的情况，如表1所示。
表1 三相桥式整流电路电阻负载α°时晶闸管工作情况
由图分析可得：6个晶闸管的脉冲按VT1－VT2－VT3－VT4－
VT5－VT6的顺序，相位依次差60°；共阴极组和阳极组依次差
120°；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。 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。
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60°，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60°，脉宽一般为20°~30°，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，故采用双脉冲触发。α
＝0°时晶闸管承受的电压波形如图所示。
图中还给出了晶闸管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120°处于通态，240°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。正是触发
角是可以改变的，这样才有通过控制触发角以达到控制三相整流输出的目的，从而使得输出的电压ud、输出电流id及id都发生相应的改变。其分析原理及方法都与触发角α=0°一样，此处略。
3.定量分析与参数设定
在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动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。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负
载α≤60°时）的平均值为
电阻负载且α>60°时，整流电压平均值
为
输出电流平均值为Id = Ud/R。
当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为
晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
晶闸管的参数：
（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电
压Utn=U2考虑安全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的2~3倍。即U额=(2~3)Utn 。
假设，380V交流电从变压器一次侧输入，二次侧输出功率为2kw，负载电阻为20欧姆，理想变压器二次侧电压U2=200∨，所以晶闸管的额定电压U=(2~3)U2=(2~3)×200∨。
（2）额定电流：通态平均电流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.5～2）倍。计算得IVT(AV)=7.36A。
（3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管GTO。它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。她既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断的优点。
（4）总上述，我们选用额定电流为50A，额定电压1500V的GTO。有关参数如下.
正向阻断电压:1000～1500Ⅴ,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.5～2.5正向触发电流：200～800MA，反向关断电流：6～10A，开通时间：500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降2～4V。
整流变压器的参数：
（5）很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。
我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。
选择电阻R=20Ω
三、 触发电路的硬件电路设计
硬件电路以Atmel89s52 单片机为控制器，其结构框图如图2 所示。它包括同步信号检测、AD转换电路、脉冲的形成与放大、键盘电路等。
图4 触发器的硬件结构框图
1. 同步信号的检测
采用北京森社公司生产的CHV - 100 /300A 型号的电压传感器，其额定电压为300V （ 有效值） ,额定输出电流25mA.检测电路中，电压传感器接入220V 的A 相交流电，输出的电流信号经100 欧姆的电阻后，转变为大小为0 ~ 2. 5V 的电压信号（ 实际输出为- 2. 5V ~ 2. 5V） ,此电压信号接入LM258 构成的加法器转换成0 ~ 5V 的直流信号，此信号输入到飞利浦半导体公司生产的8 位A/D 转换器PCF8591 的模拟信号输入通道AIN3,PCF8591 的输出信号AOUT 即可接入Atmal89s52单片机，利用I2C 总线进行数据传输，单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us 过零点信号。其硬件电路如图5所示。
图5 同步信号检测电路
2 触发脉冲的形成与放大—驱动电路
脉冲的形成与放大电路如图6所示。来自单片机P1. 0 ~P1. 5 的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04,经过光电隔离器4N25 隔离输出，最后经过脉冲变压器TB1 放大输出到相应晶闸管的门极g 和阴极k。
图6 触发脉冲形成与放大电路
如图7所示，六路触发脉冲形成过程如下。当单片机检测到A 同步电压Ua 从负到正的过零点信号（ 实际上检测到的应该是2.5V） 时，它会接收到来自于INT1 的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。这个子程序的功能是决定如何产生第一个触发脉冲的上升沿。当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16 位计数器/定时器1 同时开始计时，它工作在工作方式1; 由于Atmel89s52 单片机的晶振是12MHz,它的一个机器周期是1μm.定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角α 决定的。由于一个正弦波的周期是20ms,定时的长度由下式决定： tα = α × 20 /360°ms.定时器的初始化值可以根据tα来设定。为了简单起见，本文定义了一个长度为180 的数组，它对应于触发延时角α 从0 到180 度的变化。这个数组保存在单片机的ROM 存储区。这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1 了。定时器初始化之后，就启动定时器工作。当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1,单片机开始执行定时器1 的中断服务子程序。 这子函数将P1. 0 设置为高电平，用于触发VT1;这里定义脉冲的宽
度为27°，即1. 5ms,则定时器1 的TH1 = FAH,TL1 = 24H; 于是开始启动定时器第二次计数； 当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个函数中，P1. 0 设置为低电平，表示触发脉冲结束。由于第二个脉冲比一个脉冲滞后60°，也即是3. 33ms; 那么，第一个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1. 83ms.因此，定时器应设置为TH1 = F8H,TL1= DAH; 这样就启动定时器第三次定时。当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个子函数中，P1.1 引脚被置为高电平来触发VT2.对于其他晶闸管的触发原理相同，这里不再详述。
双窄脉冲的输出如图7所示。P1. 0 引脚输出一个主脉冲给VT1 的同时，P1. 5 引脚输出一个次脉冲（ 补发脉冲） 给VT6; 延时60°后，P1. 1 引脚输出一个主脉冲给VT2,同时，P1. 0 引脚输出一个次脉冲给VT1; 至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。
图7 六路触发脉冲的波形
3.键盘电路—控制电路
键盘电路如图8所示。其功能是设置触发角α的大小。它由四个开关和电阻，外加一个+ 5V 电源组成。开关K1、K2 、K3 和K4 分别接到单片机的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.当K1 按下一次，触发角α 增加1; K2 按下一次，α 减1; K3 用于选择位数，按下第一次，小数位被选择； 按下第二次时，个位数字被选择； 按下第三
次时，十位数被选择； 按下第四次时，百位数被选择。当K4 按下时，输入的数据被送到单片机的存储区。
四、总结与体会
五、附录
六、参考文献
七、三相整流电路原理图
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课 程 设 计 任 务 书
课程名称 电力电子技术 题 目 三相整流电路的设计
专业班级 电气工程
学生姓名 学号
指导老师 杨青 蔡斌军
审 批 谢卫才
任务书下达日期 2012 年 6 月 4 日
设 计 完成日期 2012 年 6月 17 日
目 录
目 录
一、 设计总体思路，基本原理和框图
1． 设计总体思想
依据所学知识，在比较了几种方案后，本次课程设计采用
ATMEL89S52 单片机控制的三相桥式可控整流电路触发电路的设计方法，包
括三相桥式全控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大、键盘电路、
保护电路等内容。
2. 基本原理和框图
在三相整流电路中，由电网提供的380V三相交流连接到三相变
压器一次侧，而三相变压器二次侧则接三相桥式整流主电路。通过
控制电路调节触发角α的大小来改变三相整流电路输出电压的大小。而在
控制电路与主电路之间设计了一个驱动电路，它相当于接口。与此同时为保
证电路能够正常工作还设置了保护电路。总体结构框图如下
图一 总体结构框图
二、 主电路设计
1.三相交流输入
由电网提供的380V三相交流连接到三相变压器一次侧，而三相
变压器二次侧则接三相桥式整流主电路。必须注意的是，为了避免
三次谐波电流流入，一次侧接成三角形。三相变压器二次侧为星形
连接。
图2 三相整流主电路
2.主电路工作过程分析
现在以晶闸管触发角α=0°分析主电路工作原理：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3所示。
图3 三相桥式整流电路带阻性负载α=0°时的波形
α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器
二次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。 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。将波形中的一个周期等分
为6段，每段为60°度，如图3所示，分析有每一段中导通的晶
闸管及输出整流电压的情况，如表1所示。
表1 三相桥式整流电路电阻负载α°时晶闸管工作情况
由图分析可得：6个晶闸管的脉冲按VT1－VT2－VT3－VT4－
VT5－VT6的顺序，相位依次差60°；共阴极组和阳极组依次差
120°；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。 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。
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60°，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60°，脉宽一般为20°~30°，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，故采用双脉冲触发。α
＝0°时晶闸管承受的电压波形如图所示。
图中还给出了晶闸管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120°处于通态，240°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。正是触发
角是可以改变的，这样才有通过控制触发角以达到控制三相整流输出的目的，从而使得输出的电压ud、输出电流id及id都发生相应的改变。其分析原理及方法都与触发角α=0°一样，此处略。
3.定量分析与参数设定
在以上的分析中已经说明，整流输出的波形在一周期内脉动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。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负
载α≤60°时）的平均值为
电阻负载且α>60°时，整流电压平均值
为
输出电流平均值为Id = Ud/R。
当整流变压器为图1中所示采用星形联结，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图7中所示，为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为
晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
晶闸管的参数：
（1）电压额定：晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电
压Utn=U2考虑安全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的2~3倍。即U额=(2~3)Utn 。
假设，380V交流电从变压器一次侧输入，二次侧输出功率为2kw，负载电阻为20欧姆，理想变压器二次侧电压U2=200∨，所以晶闸管的额定电压U=(2~3)U2=(2~3)×200∨。
（2）额定电流：通态平均电流IVT(AV)=0.368Id，Id=Ud/R, Ud=2.34 U2.考虑安全裕量，应选用的通态平均电流为计算的（1.5～2）倍。计算得IVT(AV)=7.36A。
（3）对于晶闸管我们选用可关断晶闸管GTO。它是具有门极正信号触发导通和门极负信号关断的全控型电力电子器件。她既具有普通晶闸管耐压高、电流大的特点，同时又具有GTR可关断的优点。
（4）总上述，我们选用额定电流为50A，额定电压1500V的GTO。有关参数如下.
正向阻断电压:1000～1500Ⅴ,受反压，阳极可关断电流：30、50A擎柱电流0.5～2.5正向触发电流：200～800MA，反向关断电流：6～10A，开通时间：500V/us,允许di/dt>100A/us,正管压降2～4V。
整流变压器的参数：
（5）很多情况下晶闸管整流装置所要求的变流供电压与电网电压往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，可配置整流变压器。
我们假设变压器是理想的。U2=Ud/2.34≈85.5V.所以变压器的匝数比为380/85.5=760/171.变压器一、二次容量为S2=3 U2I2=3*85.5*0.816Id。
选择电阻R=20Ω
三、 触发电路的硬件电路设计
硬件电路以Atmel89s52 单片机为控制器，其结构框图如图2 所示。它包括同步信号检测、AD转换电路、脉冲的形成与放大、键盘电路等。
图4 触发器的硬件结构框图
1. 同步信号的检测
采用北京森社公司生产的CHV - 100 /300A 型号的电压传感器，其额定电压为300V （ 有效值） ,额定输出电流25mA.检测电路中，电压传感器接入220V 的A 相交流电，输出的电流信号经100 欧姆的电阻后，转变为大小为0 ~ 2. 5V 的电压信号（ 实际输出为- 2. 5V ~ 2. 5V） ,此电压信号接入LM258 构成的加法器转换成0 ~ 5V 的直流信号，此信号输入到飞利浦半导体公司生产的8 位A/D 转换器PCF8591 的模拟信号输入通道AIN3,PCF8591 的输出信号AOUT 即可接入Atmal89s52单片机，利用I2C 总线进行数据传输，单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us 过零点信号。其硬件电路如图5所示。
图5 同步信号检测电路
2 触发脉冲的形成与放大—驱动电路
脉冲的形成与放大电路如图6所示。来自单片机P1. 0 ~P1. 5 的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04,经过光电隔离器4N25 隔离输出，最后经过脉冲变压器TB1 放大输出到相应晶闸管的门极g 和阴极k。
图6 触发脉冲形成与放大电路
如图7所示，六路触发脉冲形成过程如下。当单片机检测到A 同步电压Ua 从负到正的过零点信号（ 实际上检测到的应该是2.5V） 时，它会接收到来自于INT1 的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。这个子程序的功能是决定如何产生第一个触发脉冲的上升沿。当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16 位计数器/定时器1 同时开始计时，它工作在工作方式1; 由于Atmel89s52 单片机的晶振是12MHz,它的一个机器周期是1μm.定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角α 决定的。由于一个正弦波的周期是20ms,定时的长度由下式决定： tα = α × 20 /360°ms.定时器的初始化值可以根据tα来设定。为了简单起见，本文定义了一个长度为180 的数组，它对应于触发延时角α 从0 到180 度的变化。这个数组保存在单片机的ROM 存储区。这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1 了。定时器初始化之后，就启动定时器工作。当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1,单片机开始执行定时器1 的中断服务子程序。 这子函数将P1. 0 设置为高电平，用于触发VT1;这里定义脉冲的宽
度为27°，即1. 5ms,则定时器1 的TH1 = FAH,TL1 = 24H; 于是开始启动定时器第二次计数； 当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个函数中，P1. 0 设置为低电平，表示触发脉冲结束。由于第二个脉冲比一个脉冲滞后60°，也即是3. 33ms; 那么，第一个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1. 83ms.因此，定时器应设置为TH1 = F8H,TL1= DAH; 这样就启动定时器第三次定时。当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个子函数中，P1.1 引脚被置为高电平来触发VT2.对于其他晶闸管的触发原理相同，这里不再详述。
双窄脉冲的输出如图7所示。P1. 0 引脚输出一个主脉冲给VT1 的同时，P1. 5 引脚输出一个次脉冲（ 补发脉冲） 给VT6; 延时60°后，P1. 1 引脚输出一个主脉冲给VT2,同时，P1. 0 引脚输出一个次脉冲给VT1; 至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。
图7 六路触发脉冲的波形
3.键盘电路—控制电路
键盘电路如图8所示。其功能是设置触发角α的大小。它由四个开关和电阻，外加一个+ 5V 电源组成。开关K1、K2 、K3 和K4 分别接到单片机的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.当K1 按下一次，触发角α 增加1; K2 按下一次，α 减1; K3 用于选择位数，按下第一次，小数位被选择； 按下第二次时，个位数字被选择； 按下第三
次时，十位数被选择； 按下第四次时，百位数被选择。当K4 按下时，输入的数据被送到单片机的存储区。
四、总结与体会
五、附录
六、参考文献
七、三相整流电路原理图