電力電子課程設計三相全控橋式整流電路

1、西南交通大學電力電子課程設計三相全控整流電路設計院系：電氣工程系專業(yè)：電力機車及其自動化姓名：李哲旭 班級：電車二班 學號：2014121034目錄第1章 ：緒論第2章 ：電路設計及其功能介紹第3章 ：仿真實現(xiàn)及其波形分析第4章 ：總結第一章：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)技術上應用十分廣泛。主要用在直流電動機調速，發(fā)電機勵磁調節(jié)，電鍍，電解等各種工業(yè)生產領域。整流電路形式多種多樣，按照電路結構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

2、橋式整流電路是現(xiàn)代整流電路中應用最為廣泛的，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載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離（可減小電網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上。為了適應負載對

3、電源電壓大小的要求，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，其輸出端的負載，我們研究是電阻性負載、電阻電感負載（如直流電動機的勵磁繞組，滑差電動機的電樞線圈等）。以上負載往往要求整流能輸出在一定范圍內變化的直流電壓。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U2一周期內導通的時間，這樣負載上直流平均值就可以得到控制。第二章 電路設計及其功能介紹2.1 三相橋式全控整流電路的原理一般變壓器一次側接成三角型，二次側接成星型，晶閘管分共陰極和共陽極。一般1、3、5為共陰極，2、

4、4、6為共陽極。（1）2管同時通形成供電回路，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)同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。（3）Ud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2個晶閘管均有脈沖，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相同

5、，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。三相橋式全控整流電路實質上是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)。在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通才能形成導電回路，其中一個晶閘管是共陰極組的，另一個晶閘管是共陽組的。 6 個晶閘管導通的順序是按 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT5 VT6 依此循環(huán)，每隔 60 °有一個晶閘管換相。為了保證在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個周期內對每個晶閘管連續(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

6、有源逆變時，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀態(tài)轉換到逆變狀態(tài)必須同時具備兩個條件：一定要有直流電動勢源，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值應稍大于變流器直流側的平均電壓；其次要求晶閘管的 a 90 °，使 U d 為負值。2.2 設計內容和要求：1. 在 AC220v、工頻輸入情況下，設計三相全控整流電路，實 現(xiàn) DC15v、工頻的整流輸出結果。 2. 對全控器件，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針對任意一個電角度，實現(xiàn)控制輸入信號滯后的輸出波 形，比較與正常工況輸出波

7、形的區(qū)別。2.3 電路圖設計：用vivso畫出三相全控整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)計算1電路分析 根據設計要求可知，此電路的負載是純電阻負載，當觸發(fā)角<60°時，Ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，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 ：時段IIIIIIIVVVI共陰級組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陰級組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb2 參

8、數(shù)計算：實驗要求 在 AC220v、工頻輸入情況下，設計三相全控整流電路，實 現(xiàn) DC15v、工頻的整流輸出結果。根據實驗測得的波形可以求得負載兩端的直流平均電壓：代入數(shù)據得=88.33  第三章 仿真實現(xiàn)及其波形分析3.1用MATLAB畫出三相全控整流電路負載阻抗仿真模型 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常會遇到非正弦電壓、電流波形，這主要是由非線性負載引起的。當正弦電壓加到非線性負載上時，會產生非正弦電流，而非

9、正弦電流又會在負載上產生壓降，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)可分解成傅里葉級數(shù)如下 （3-43） （3-44） 上式中； ； ； n=1，2，3，在上述電壓、電流的傅里葉級數(shù)表達式中，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 整流輸出側的諧波分析整流電路輸出的脈動直流電壓都是周期性的非正弦函數(shù)，可以用傅里葉級數(shù)表示整流電路輸出的脈動直流電壓，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

10、-31 m脈波相控整流電路輸出電壓波形在一個周期內，輸出電壓有m個形狀相同、相位相差2/ m的電壓脈波，在圖示坐標下，輸出電壓ud的傅里葉級數(shù)表達式為： （3-57）式中： （3-58） （3-59）  （3-60） 按圖示坐標，ua、ub的表達式分別為 （3-61） （3-62）上面兩式中，三相半波電路時，US=U2為相電壓，三相橋式電路時，US=U2l為線電壓。當移相控制角為時，Ud可計算如下： （3-63）上式即為6脈波整流電路輸出直流平均電壓的計算結果，此外m=2、3、6時分別對應單相橋式、三相半波、三相橋式整流電路的輸出直流電壓平均值，=0º則

11、為不控整流電路。將式（3-61）、（362）代入（3-59）、（3-60）式，經化簡后可得到： （3-64） （3-65）m脈波整流電路輸出電壓中的諧波次數(shù)為n=Km，K=1、2、3。當m=6，即三相整流橋式電路時，其輸出電壓中就含有6、12、18等電壓諧波。設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 當阻感負

12、載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=30°時，設置起始時間為 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 當阻感負載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=60°時，設置起始時間為 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；顯示類型設置為“Bar (relative to fundamental)”。最終得到的FF

13、T分析窗口下圖所示?；妷悍禐?7.63V，總諧波電流畸變率354.41%。3 =90度 當阻感負載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=90°時，設置起始時間為 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 當阻感負載R=10，L10e-3H,觸發(fā)角a=90°時，設置起始時間為 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 1000

14、Hz；顯示類型設置為“Bar (relative to fundamental)”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示?；妷悍禐?54.1V，總諧波電流畸變率125.29%。3.4 針對上述任意一個電角度，實現(xiàn)控制輸入信號滯后的輸出波 形，比較與正常工況輸出波形的區(qū)別。當=30度時正常輸出Ud的波形為：輸入信號滯后時即三相電壓在=WT，T=W÷時開始輸入信號。如圖：第4章 總結通過這次課程設計我懂得了許多的課本上所沒有的知識，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，主要是因為軟件全波都是英文的。通過一周的練習，使我受益匪淺。同時明白了 思路即出路。當初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，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，原來思路即出路。  實踐出