電力電子課程設(shè)計(jì)三相全控橋式整流電路

1、西南交通大學(xué)電力電子課程設(shè)計(jì)三相全控整流電路設(shè)計(jì)院系：電氣工程系專業(yè)：電力機(jī)車及其自動(dòng)化姓名：李哲旭 班級(jí)：電車二班 學(xué)號(hào)：目錄第1章 ：緒論第2章 ：電路設(shè)計(jì)及其功能介紹第3章 ：仿真實(shí)現(xiàn)及其波形分析第4章 ：總結(jié)第一章：緒論整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它是一種將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，在工業(yè)技術(shù)上應(yīng)用十分廣泛。主要用在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)，電鍍，電解等各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。整流電路形式多種多樣，按照電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按組成器件可分為不可控、半控和全控三種。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。在此，我們著重討論三相橋式全控整流電路！三相橋式整流電路是現(xiàn)代整

2、流電路中應(yīng)用最為廣泛的，整流電路通常由主電路，濾波器，和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。把交流電變換成大小可調(diào)的單一方向直流電的過程稱為可控整流。整流器的輸入端一般接在交流電網(wǎng)上。為了適應(yīng)負(fù)載對(duì)電源電壓大小的要求，

3、或者為了提高可控整流裝置的功率因數(shù)，一般可在輸入端加接整流變壓器，把一次電壓U1，變成二次電壓U2。由晶閘管等組成的全控整流主電路，其輸出端的負(fù)載，我們研究是電阻性負(fù)載、電阻電感負(fù)載（如直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，滑差電動(dòng)機(jī)的電樞線圈等）。以上負(fù)載往往要求整流能輸出在一定范圍內(nèi)變化的直流電壓。為此，只要改變觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)脈沖送出的早晚，就能改變晶閘管在交流電壓U2一周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間，這樣負(fù)載上直流平均值就可以得到控制。第二章 電路設(shè)計(jì)及其功能介紹2.1 三相橋式全控整流電路的原理一般變壓器一次側(cè)接成三角型，二次側(cè)接成星型，晶閘管分共陰極和共陽極。一般1、3、5為共陰極，2、4、6為共陽極。（1

4、）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。2)共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。（3）Ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖，可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、

5、反向電壓的關(guān)系也相同。三相橋式全控整流電路實(shí)質(zhì)上是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)。在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，另一個(gè)晶閘管是共陽組的。 6 個(gè)晶閘管導(dǎo)通的順序是按 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6 依此循環(huán)，每隔 60 有一個(gè)晶閘管換相。為了保證在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為 60 。三相橋式全控整流電路原理圖如右圖所示。 三相橋式全控整流電路用作有源逆變時(shí)，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀

6、態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變狀態(tài)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一定要有直流電動(dòng)勢源，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；其次要求晶閘管的 a 90 ，使 U d 為負(fù)值。2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：1. 在 AC220v、工頻輸入情況下，設(shè)計(jì)三相全控整流電路，實(shí) 現(xiàn) DC15v、工頻的整流輸出結(jié)果。 2. 對(duì)全控器件，完成電角度 30 度、60 度、90 度、120 度的移 相控制，給出上述電角度情況下的輸出波形。 3. 完成上述移相控制輸出波形的諧波分析。 4針對(duì)任意一個(gè)電角度，實(shí)現(xiàn)控制輸入信號(hào)滯后的輸出波 形，比較與正常工況輸出波形的區(qū)別。2.3 電路圖設(shè)計(jì)：用vivso畫出三相全控整

7、流電路電路圖如圖所示：三相橋式全控整流電路 原理圖2.4 電路分析與參數(shù)計(jì)算1電路分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，此電路的負(fù)載是純電阻負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角60時(shí)，Ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)。 晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示 ：時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰級(jí)組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陰級(jí)組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb2 參數(shù)計(jì)算：實(shí)驗(yàn)要求 在 AC220v、工頻輸入情況下，設(shè)計(jì)三相全控整流電路，實(shí)

8、 現(xiàn) DC15v、工頻的整流輸出結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的波形可以求得負(fù)載兩端的直流平均電壓：代入數(shù)據(jù)得=88.33第三章 仿真實(shí)現(xiàn)及其波形分析3.1用MATLAB畫出三相全控整流電路負(fù)載阻抗仿真模型 如圖3.2用MATLAB依次畫出電角度為30度、60度、90度、120度的輸出波形1：30度2 60度3 90度4 120度3.3.1 整流電路的諧波及功率因數(shù)概念1諧波在電力電子電路的分析中經(jīng)常會(huì)遇到非正弦電壓、電流波形，這主要是由非線性負(fù)載引起的。當(dāng)正弦電壓加到非線性負(fù)載上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非正弦電流，而非正弦電流又會(huì)在負(fù)載上產(chǎn)生壓降，使電壓波形也成為非正弦波。非正弦的電壓u(t)和非正弦的電流i(t)可

9、分解成傅里葉級(jí)數(shù)如下 （3-43） （3-44） 上式中； ； ； n=1，2，3，在上述電壓、電流的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式中，頻率與工頻相同的分量稱為基波，而頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比（大于1）。3.3.2 整流輸出側(cè)的諧波分析整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓都是周期性的非正弦函數(shù)，可以用傅里葉級(jí)數(shù)表示整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓，可分為直流電壓平均值Ud及各次諧波電壓un。以m 脈波（圖3-31中m=3） 整流電路為例，其輸出直流電壓波形如圖3-31所示。圖3-31 m脈波相控整流電路輸出電壓波形在一個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓有m個(gè)形狀相同、相位相差2/m的電壓脈波

10、，在圖示坐標(biāo)下，輸出電壓ud的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為： （3-57）式中： （3-58） （3-59） （3-60）按圖示坐標(biāo)，ua、ub的表達(dá)式分別為 （3-61） （3-62）上面兩式中，三相半波電路時(shí)，US=U2為相電壓，三相橋式電路時(shí)，US=U2l為線電壓。當(dāng)移相控制角為時(shí)，Ud可計(jì)算如下： （3-63）上式即為6脈波整流電路輸出直流平均電壓的計(jì)算結(jié)果，此外m=2、3、6時(shí)分別對(duì)應(yīng)單相橋式、三相半波、三相橋式整流電路的輸出直流電壓平均值，=0則為不控整流電路。將式（3-61）、（362）代入（3-59）、（3-60）式，經(jīng)化簡后可得到： （3-64） （3-65）m脈波整流電路輸出電壓中的

11、諧波次數(shù)為n=Km，K=1、2、3。當(dāng)m=6，即三相整流橋式電路時(shí)，其輸出電壓中就含有6、12、18等電壓諧波。設(shè)n次諧波的電壓幅值為 （3-66）Unm與交流電壓最大值的比值為 （3-67）n次諧波的相位角為 （3-68）負(fù)載上的電壓有效值為 （3-69）諧波電壓有效值，即紋波電壓為 （3-70）紋波系數(shù)為 （3-71）由matlab軟件中的powergui FFT Anaylysis Tool畫出輸出波形的諧波分析如下圖：1 =30度 當(dāng)阻感負(fù)載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=30時(shí)，設(shè)置起始時(shí)間為 0s；快速傅立葉分析的周期數(shù)為1；基波頻率為 50Hz；最大頻率為 1000Hz；顯示

12、類型設(shè)置為“Bar (relative to fundamental)”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示?；妷悍禐?.688V，總諧波電流畸變率4578.06%。2 =60度 當(dāng)阻感負(fù)載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=60時(shí)，設(shè)置起始時(shí)間為 0s；快速傅立葉分析的周期數(shù)為1；基波頻率為 50Hz；最大頻率為 1000Hz；顯示類型設(shè)置為“Bar (relative to fundamental)”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示。基波電壓幅值為57.63V，總諧波電流畸變率354.41%。3 =90度 當(dāng)阻感負(fù)載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=90時(shí)，設(shè)置起始時(shí)間為 0s；快

13、速傅立葉分析的周期數(shù)為1；基波頻率為 50Hz；最大頻率為 1000Hz；顯示類型設(shè)置為“Bar (relative to fundamental)”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示?；妷悍禐?24V，總諧波電流畸變率175.99%。4 =120度 當(dāng)阻感負(fù)載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=90時(shí)，設(shè)置起始時(shí)間為 0s；快速傅立葉分析的周期數(shù)為1；基波頻率為 50Hz；最大頻率為 1000Hz；顯示類型設(shè)置為“Bar (relative to fundamental)”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示。基波電壓幅值為154.1V，總諧波電流畸變率125.29%。3.4 針對(duì)上述任意一個(gè)電角度，實(shí)現(xiàn)控制輸入信號(hào)滯后的輸出波 形，比較與正常工況輸出波形的區(qū)別。當(dāng)=30度時(shí)正常輸出Ud的波形為：輸入信號(hào)滯后時(shí)即三相電壓在=WT，T=W時(shí)開始輸入信號(hào)。如圖：第4章 總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)我懂得了許多的課本上所沒有的知識(shí)，通過visio畫三相全控整流電路較為簡單，但用MATLAB畫仿真圖以及波形圖、諧波分析都比較難，主要是因?yàn)檐浖ǘ际怯⑽牡?。通過一周的練習(xí)，使我受益匪淺。同時(shí)明白了思路即出路。當(dāng)初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對(duì)理論知識(shí)梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒有思路便無出路，原來思路即出