三相橋式整流電力課程設計

1、吉林建筑大學城建學院電氣信息工程系課程設計第一章 緒論1.1 設計目的 1、通過對三相橋式電路的設計，掌握整流電路的工作原理，提高我們的運用科學理論知識能力、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 設計任務制定設計方案，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行參數(shù)設置，仿真獲得的三相橋式整流電路在電阻負載和阻感負載情況下不同觸發(fā)角時對應電壓電流的波形；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，它的指令表達式數(shù)學、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成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對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，用戶可以直接進行下載就可以使用。MATLAB有著強大的功能，可以用來進行多種工作，具體如下： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學繪圖、控

3、制系統(tǒng)的設計與仿真、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)設計與仿真、財務與金融工程等。 MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，可以解決這些應用領域內(nèi)特定類型的問題。1.4 Simulink的發(fā)展及應用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，可以預先對系統(tǒng)進行仿真分析，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，設置仿真參數(shù)，進行動態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對輸出結(jié)果進行分析和比較。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，大大擴展了它的功能。第二章 主電路設計與元件選擇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。習慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl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載進行控制。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、管同時導通，形成向負載供電的回路，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） 當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載時）的平均值為： （1） （2） 帶電阻負載且時，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 保護電路設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、路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護也是很重要的。3.1 過電壓保護電路設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 阻容過電壓保護電路3.2 過電流保護電路設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措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，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、應用最廣泛的一種過電流保護措施。本設計采用快速熔斷器來實現(xiàn)晶閘管過電流保護。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。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效，應用最廣的一種過電流保護

11、措施。在選擇快熔時應考慮： （1） 電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。 （2） 電流容量應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?？烊垡话闩c電力半導體器件串聯(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值應小于被保護器件的允許I²t 第四章 仿真設計與參數(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)生器設置找出，觸發(fā)角使用一個常數(shù)發(fā)生器設置，數(shù)值設置分別為0°、30°、60°、90°，如圖3-2； 圖4-2 常數(shù)發(fā)生器參數(shù)設置4.3 交流電壓源設置 從找到元件，并進行參數(shù)設置，對相位角進行參數(shù)修改，如圖4-3；圖4-3 交流電壓源參數(shù) 4.4 晶閘管元件設置從找到，并進行參數(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)生器元件設置從找到，并進行參數(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)設置設置時間為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=0°時，輸出電壓波形與三相半波時電壓波形一致；當=30°時，晶閘管起始導通時刻推遲了30°；當=60°時，電壓波形向后移，出現(xiàn)為零的點；當=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，所以電阻負載是的角的移相范圍是0°120°。2.阻感性負載時，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，當時，波形連續(xù)，電路的工作的情況與帶電阻負載時十分相似，阻感負載時，由于電感的使用，使得負載電流波形變得平直；當時，由于電感作用，輸出電壓波形會出現(xiàn)負的部分，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載特性的影響，本設計中應用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)果進行了詳細分析，并與相關(guān)文獻中采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結(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。應用MATLABSIMULINK進行仿真，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。本學期對電力電子基礎知識學習以及此次為期兩周的課程設計，讓我對這門學科有了更好的的掌

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識和掌握致 謝對于這次設計，我們要做很多的準備工作。首先，是對知識的了解，感謝老師給我們講解了上機過程，讓我們直接的對最基本的知識點有了了解。然后就是自己進行設計，在這一階段，老師用大量的時間進行指導，指出我們在設計中存在的問題，并細心指導我們?nèi)绾稳バ薷腻e誤,將實訓完善,做到精益求精。在這段時間的實訓中，老師不辭辛苦的為我們講解和指導實訓的有關(guān)知識，讓我對實訓內(nèi)容有了更深刻的了解，她認真工作的態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，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的同學們，在與同學們的

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計中存在的問題。在這里我還要感謝我的同學們，在我需要幫助的時候是他們給予了我?guī)椭軌蜃屛液芎玫耐瓿傻倪@次實訓，在與同學們的討論中，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)與應用.北京：清華大學出版社，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：機械工業(yè)出版社，2007. 4賀益康、潘再平.電力電子技術(shù)基礎.浙江：浙江大學出版社，2003.5李維波.MATLAB在電氣工程中的應用.北京：中國電力出版社，2007. 6鄭亞民、蔣保臣.基于Mat