三相橋式整流電力課程設(shè)計

1、吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院電氣信息工程系課程設(shè)計第一章 緒論1.1 設(shè)計目的 1、通過對三相橋式電路的設(shè)計，掌握整流電路的工作原理，提高我們的運用科學(xué)理論知識能力、操作實踐能力； 2、通過系統(tǒng)建模和仿真，掌握和運用MATLAB/SIMULINK工具分析系統(tǒng)的基本方法1.2 設(shè)計任務(wù)制定設(shè)計方案，使用SIMULINK建立三相橋式整流電路的模型，正確選擇合理器件并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，仿真獲得的三相橋式整流電路在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載情況下不同觸發(fā)角時對應(yīng)電壓電流的波形；1.3 MATLAB簡介MATLAB是矩陣實驗室的簡稱。除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制

2、等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成的事情簡捷的多。并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以使用。MATLAB有著強(qiáng)大的功能，可以用來進(jìn)行多種工作，具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學(xué)繪圖、控

3、制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真、財務(wù)與金融工程等。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，可以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。1.4 Simulink的發(fā)展及應(yīng)用Simulink是Matlab軟件下的一個附加組件，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)

4、。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。Simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序為為:從模塊庫中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。Simulink模塊庫提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號源模塊庫(Source) ,接收模塊庫（Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫（Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（Signal Routing），信號屬性模塊庫（Signal Attr

5、ibutes），數(shù)學(xué)運算模塊庫（Math Operations），邏輯和位操作庫（Logic and Bit Operations）等等，此外還有一些特定學(xué)科仿真的工具箱。Simulink為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（GUI）。對于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。不但實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴(kuò)展了它的功能。第二章 主電路設(shè)計與元件選擇2.1 主電路原

6、理主電路原理圖如圖2-1所示，將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的控制電壓改變晶閘管的控制角，從而改變輸出電壓和輸出電流對負(fù)載進(jìn)行控制。圖2-1 主電路原理圖2.2 三相橋式整流電路的工作特點三相橋式全控整流電路的一些特點如下：（1）每個時刻均需兩個晶閘

7、管同時導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，一個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。（2）對觸發(fā)脈沖要求：6個晶閘管的脈沖按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120o，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120o；同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180o。（3）整流輸出電壓一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時導(dǎo)通的兩個晶閘管均有脈動，可采取兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，一種是雙脈沖觸發(fā)。（5）晶閘管承受的電壓波形與

8、三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也與三相半波時一樣。2.3 三相橋式整流電路定量分析（1） 當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負(fù)載時，或帶電阻負(fù)載時）的平均值為： （1） （2） 帶電阻負(fù)載且時，整流電壓平均值為 （2）輸出電流平均值為 （3）2.4 晶閘管的選擇合理選擇整流晶閘管的主要參數(shù)是晶閘管的額定電壓和額定電流。選用時，額定電壓要留有一定的安全裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍，即 （4）其中，為電路中晶閘管可能承受的電壓峰值，對于三相全控整流電路： （5） 可得： （6） 第三章 保護(hù)電路設(shè)計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電

9、路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)也是很重要的。3.1 過電壓保護(hù)電路設(shè)計電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊哈系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括換項過電壓和關(guān)斷過電壓。交流側(cè)過電壓一般都是外因過電壓，一般用RC過電壓抑制電路抑制外因過電壓。通常是在變壓器次級(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場能而儲存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時，RC電路也

10、可以接在變壓器的電源側(cè)。其電路圖如圖4-1所示。圖4-1 阻容過電壓保護(hù)電路3.2 過電流保護(hù)電路設(shè)計電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，過電流繼電器整定在過載是動作。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效應(yīng)、應(yīng)用最廣泛的一種過電流保護(hù)措施。本設(shè)計采用快速熔斷器來實現(xiàn)晶閘管過電流保護(hù)。電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過流保護(hù)。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效，應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)

11、措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮： （1） 電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。 （2） 電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式來確定。快熔一般與電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可以串接與閥側(cè)交流母線或直流母線中。 （3） 快熔的I²t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I²t 第四章 仿真設(shè)計與參數(shù)整定4.1 仿真元件的選擇需要啟動電力系統(tǒng)元件庫，單擊開始按鈕（start),依次選擇simulink、SimPowerSystem。彈出電力系統(tǒng) 元件庫對話框如圖4-1。圖3-1 元件庫4.2 常

12、數(shù)發(fā)生器設(shè)置找出，觸發(fā)角使用一個常數(shù)發(fā)生器設(shè)置，數(shù)值設(shè)置分別為0°、30°、60°、90°，如圖3-2； 圖4-2 常數(shù)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置4.3 交流電壓源設(shè)置 從找到元件，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對相位角進(jìn)行參數(shù)修改，如圖4-3；圖4-3 交流電壓源參數(shù) 4.4 晶閘管元件設(shè)置從找到，并進(jìn)行參數(shù)修改，如圖4-4；圖4-4 晶閘管參數(shù)4.5 同步6脈沖發(fā)生器元件設(shè)置從找到，并進(jìn)行參數(shù)修改，如圖4-5；圖4-5 同步6脈沖發(fā)生器參數(shù)4.6 仿真參數(shù)設(shè)置設(shè)置時間為0.0到0.1之間，在電路圖菜單中選擇仿真菜單，彈出仿真參數(shù)對話框，進(jìn)行如圖4-6的參數(shù)修改；圖4-6 仿真

13、參數(shù)第五章 仿真結(jié)果分析5.1 三相橋式整流電路模型5-1 三相橋式整流電路模型5.2 仿真結(jié)果 1.電阻性負(fù)載時，觸發(fā)角分別為0°、30°、60°、90°時不同仿真圖形； （1）=0°時，如圖5-2；圖5-2 觸發(fā)角=0°輸出電壓波形 （2）=30°時，如圖5-3；圖5-3 觸發(fā)角=30°輸出電壓波形 （3）=60°，如圖5-4；圖5-4 觸發(fā)角=60°輸出電壓波形 （4）=90°，如圖5-5圖5-5 觸發(fā)角=90°輸出電壓電流波形 以上仿真波形圖可知改變不同的觸發(fā)角，輸出

14、電壓波形也隨之改變，當(dāng)=0°時，輸出電壓波形與三相半波時電壓波形一致；當(dāng)=30°時，晶閘管起始導(dǎo)通時刻推遲了30°；當(dāng)=60°時，電壓波形向后移，出現(xiàn)為零的點；當(dāng)=90°時，輸出電壓波形每60°中30°為零，若角繼續(xù)增大至120°，輸出電壓全為零，所以電阻負(fù)載是的角的移相范圍是0°120°。2.阻感性負(fù)載時，觸發(fā)角分別為0°30°、60°、90°時，輸出電壓及電流的波形的仿真結(jié)果如下圖所示。 （1）=0°時，如圖5-6；圖5-6 觸發(fā)角=0

15、76;輸出電壓電流波形 （2）=30°時，如圖5-7；圖5-7 觸發(fā)角=30°輸出電壓電流波形 （3）=60°，如圖5-8； 圖5-8 觸發(fā)角=60°輸出電壓電流波形 （4）=90°，如圖5-9；圖5-9 觸發(fā)角=90°輸出電壓電流波形以上仿真波形圖可知改變不同的觸發(fā)角，輸出電壓波形也隨之改變，當(dāng)時，波形連續(xù)，電路的工作的情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，阻感負(fù)載時，由于電感的使用，使得負(fù)載電流波形變得平直；當(dāng)時，由于電感作用，輸出電壓波形會出現(xiàn)負(fù)的部分，所以角的移相范圍為0°90°。結(jié) 論通過仿真和分析，可知三相橋式全

16、控整流電路的輸出電壓受控制角和負(fù)載特性的影響，本設(shè)計中應(yīng)用MATLAB的可視化仿真工具SIMULINK對三相橋式全控整流電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與相關(guān)文獻(xiàn)中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。采用MATLABSIMULINK對三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，避免了常規(guī)分析方法中繁瑣的繪圖和計算過程，得到了一種直觀、快捷分析整流電路的新方法。應(yīng)用MATLABSIMULINK進(jìn)行仿真，在仿真過程中可以靈活改變仿真參數(shù)，并且能直觀地觀察到仿真結(jié)果隨參數(shù)的變化情況。本學(xué)期對電力電子基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)以及此次為期兩周的課程設(shè)計，讓我對這門學(xué)科有了更好的的掌

17、握，在實際的過程中，培養(yǎng)我的綜合運用知識和實踐的能力，也使我對仿真的操作有了一定的認(rèn)識和掌握致 謝對于這次設(shè)計，我們要做很多的準(zhǔn)備工作。首先，是對知識的了解，感謝老師給我們講解了上機(jī)過程，讓我們直接的對最基本的知識點有了了解。然后就是自己進(jìn)行設(shè)計，在這一階段，老師用大量的時間進(jìn)行指導(dǎo)，指出我們在設(shè)計中存在的問題，并細(xì)心指導(dǎo)我們?nèi)绾稳バ薷腻e誤,將實訓(xùn)完善,做到精益求精。在這段時間的實訓(xùn)中，老師不辭辛苦的為我們講解和指導(dǎo)實訓(xùn)的有關(guān)知識，讓我對實訓(xùn)內(nèi)容有了更深刻的了解，她認(rèn)真工作的態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我，我還要感謝在一起愉快的度過此次實訓(xùn)的同學(xué)們，在與同學(xué)們的

18、討論中，我才能不斷發(fā)現(xiàn)自己的錯誤。同時，正是由于我們之間很好的合作才能使我們成功解決設(shè)計中存在的問題。在這里我還要感謝我的同學(xué)們，在我需要幫助的時候是他們給予了我?guī)椭?，能夠讓我很好的完成的這次實訓(xùn)，在與同學(xué)們的討論中，我不斷發(fā)現(xiàn)自己的錯誤，并且努力改正，爭取做到完美。參考文獻(xiàn)1潘湘高.基于MATLAB的電力電子電路建模仿真方法的研究. 計算機(jī)仿真，第20卷 第5期.2薛定宇、陳陽泉.基于MATLABSimulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2002.3洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. 4賀益康、潘再平.電力電子技術(shù)基礎(chǔ).浙江：浙江大學(xué)出版社，2003.5李維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用.北京：中國電力出版社，2007. 6鄭亞民、蔣保臣.基于Mat