三相橋式整流電力課程設(shè)計(jì)

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(jì)第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)目的 1、通過(guò)對(duì)三相橋式電路的設(shè)計(jì)，掌握整流電路的工作原理，提高我們的運(yùn)用科學(xué)理論知識(shí)能力、操作實(shí)踐能力； 2、通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真，掌握和運(yùn)用MATLAB/SIMULINK工具分析系統(tǒng)的基本方法1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)制定設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)應(yīng)電壓電流的波形；1.3 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)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(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成的事情簡(jiǎn)捷的多。并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)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(lái)進(jìn)行多種工作，具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控

3、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程等。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)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(wèn)題。1.4 Simulink的發(fā)展及應(yīng)用Simulink是Matlab軟件下的一個(gè)附加組件，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來(lái)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?yàn)闉?從模塊庫(kù)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(dòng)態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。Simulink模塊庫(kù)提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號(hào)源模塊庫(kù)(Source) ,接收模塊庫(kù)（Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫(kù)（Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（Signal Routing），信號(hào)屬性模塊庫(kù)（Signal Attr

5、ibutes），數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)（Math Operations），邏輯和位操作庫(kù)（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(gè)圖形化的用戶界面（GUI）。對(duì)于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過(guò)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(jiǎn)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(diǎn)。不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語(yǔ)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(jì)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(gè)晶閘管（VT1、VT3、 VT5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽(yáng)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(hào)，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。通過(guò)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(duì)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(diǎn)三相橋式全控整流電路的一些特點(diǎn)如下：（1）每個(gè)時(shí)刻均需兩個(gè)晶閘

7、管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，一個(gè)是共陽(yáng)極組的，且不能為同一相的晶閘管。（2）對(duì)觸發(fā)脈沖要求：6個(gè)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(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120o；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180o。（3）整流輸出電壓一周期脈動(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)通的兩個(gè)晶閘管均有脈動(dòng)，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(shí)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(shí)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(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載時(shí)）的平均值為： （1） （2） 帶電阻負(fù)載且時(shí)，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(shí)，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(shí)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(duì)于三相全控整流電路： （5） 可得： （6） 第三章 保護(hù)電路設(shè)計(jì)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(dòng)電

9、路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)也是很重要的。3.1 過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊哈系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括操作過(guò)電壓、雷擊過(guò)電壓；內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過(guò)程，包括換項(xiàng)過(guò)電壓和關(guān)斷過(guò)電壓。交流側(cè)過(guò)電壓一般都是外因過(guò)電壓，一般用RC過(guò)電壓抑制電路抑制外因過(guò)電壓。通常是在變壓器次級(jí)(元件側(cè))并聯(lián)RC電路，吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來(lái)。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)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(shí)，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(guò)電壓保護(hù)電路3.2 過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分為過(guò)載和短路兩種情況。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)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(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載是動(dòng)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(guò)電流保護(hù)措施。本設(shè)計(jì)采用快速熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管過(guò)電流保護(hù)。電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)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(guò)電流保護(hù)

11、措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮： （1） 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)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(lái)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(jì)與參數(shù)整定4.1 仿真元件的選擇需要啟動(dòng)電力系統(tǒng)元件庫(kù)，單擊開始按鈕（start),依次選擇simulink、SimPowerSystem。彈出電力系統(tǒng) 元件庫(kù)對(duì)話框如圖4-1。圖3-1 元件庫(kù)4.2 常

12、數(shù)發(fā)生器設(shè)置找出，觸發(fā)角使用一個(gè)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)，觸發(fā)角分別為0°、30°、60°、90°時(shí)不同仿真圖形； （1）=0°時(shí)，如圖5-2；圖5-2 觸發(fā)角=0°輸出電壓波形 （2）=30°時(shí)，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(shí)，輸出電壓波形與三相半波時(shí)電壓波形一致；當(dāng)=30°時(shí)，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30°；當(dāng)=60°時(shí)，電壓波形向后移，出現(xiàn)為零的點(diǎn)；當(dāng)=90°時(shí)，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(shí)，觸發(fā)角分別為0°30°、60°、90°時(shí)，輸出電壓及電流的波形的仿真結(jié)果如下圖所示。 （1）=0°時(shí)，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(shí)，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(shí)，波形連續(xù)，電路的工作的情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的使用，使得負(fù)載電流波形變得平直；當(dāng)時(shí)，由于電感作用，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，所以角的移相范圍為0°90°。結(jié) 論通過(guò)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(jì)中應(yīng)用MATLAB的可視化仿真工具SIMULINK對(duì)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(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。采用MATLABSIMULINK對(duì)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(jì)算過(guò)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(guò)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(duì)電力電子基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)以及此次為期兩周的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)這門學(xué)科有了更好的的掌

17、握，在實(shí)際的過(guò)程中，培養(yǎng)我的綜合運(yùn)用知識(shí)和實(shí)踐的能力，也使我對(duì)仿真的操作有了一定的認(rèn)識(shí)和掌握致 謝對(duì)于這次設(shè)計(jì)，我們要做很多的準(zhǔn)備工作。首先，是對(duì)知識(shí)的了解，感謝老師給我們講解了上機(jī)過(guò)程，讓我們直接的對(duì)最基本的知識(shí)點(diǎn)有了了解。然后就是自己進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這一階段，老師用大量的時(shí)間進(jìn)行指導(dǎo)，指出我們?cè)谠O(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并細(xì)心指導(dǎo)我們?nèi)绾稳バ薷腻e(cuò)誤,將實(shí)訓(xùn)完善,做到精益求精。在這段時(shí)間的實(shí)訓(xùn)中，老師不辭辛苦的為我們講解和指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)的有關(guān)知識(shí)，讓我對(duì)實(shí)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(lì)著我，我還要感謝在一起愉快的度過(guò)此次實(shí)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(cuò)誤。同時(shí)，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(jì)中存在的問(wèn)題。在這里我還要感謝我的同學(xué)們，在我需要幫助的時(shí)候是他們給予了我?guī)椭軌蜃屛液芎玫耐瓿傻倪@次實(shí)訓(xùn)，在與同學(xué)們的討論中，我不斷發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤，并且努力改正，爭(zhēng)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(jì)算機(jī)仿真，第20卷 第5期.2薛定宇、陳陽(yáng)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(dòng)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(guó)電力出版社，2007. 6鄭亞民、蔣保臣.基于Mat