三相半波整流電路論文

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目：三相半波整流電路的設(shè)計(jì) 作 者：李偉龍 學(xué) 號(hào)：04991302022 指導(dǎo)教師：張寧 專業(yè)班級(jí)：13級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化本科2班黑龍江工業(yè)學(xué)院2015年12月21日目錄1、 目錄 12、 引言 1.1 什么是電力電子技術(shù) 21.2 整流電路的應(yīng)用領(lǐng)域及分類 2三、設(shè)計(jì)目的及意義 3四、設(shè)計(jì)的要求和內(nèi)容4.1 三相半波整流電路電阻負(fù)載原理組成 34.2 三相半波整流電路電阻負(fù)載原理圖 44.3 三相半波整流電路原理波形分析 44.4 三相半波整流電路的保護(hù)電路 65、 三相半波整流電路數(shù)量計(jì)算5.1 輸出值的計(jì)算 75.2 晶閘管電流有效值 85.3 晶閘管額定電

2、流 8六、Matlab軟件電腦仿真原理圖 6.1 電阻負(fù)載Matlab原理圖仿真 86.2 阻感負(fù)載Matlab原理圖仿真 96.3 電阻負(fù)載Matlab波形圖仿真 97、 心得體會(huì) 118、 參考文獻(xiàn) 129、 致謝 12二、引言2.1 什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應(yīng)用強(qiáng)電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)；它的工藝技術(shù)為半導(dǎo)體器件工藝。近代新

3、型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開(kāi)發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護(hù)、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負(fù)載、配套設(shè)備等組成一個(gè)系統(tǒng)。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號(hào)檢測(cè)處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。2.2 整流電路的應(yīng)用領(lǐng)域及分類工業(yè)中廣泛使用的整流電路的目的是把國(guó)家電網(wǎng)中的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)

4、節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、易濾波時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路。由于電力電子技術(shù)是將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能和變換和控制，而構(gòu)成的一門(mén)完整的學(xué)科。故其學(xué)習(xí)方法與電子技術(shù)和控制技術(shù)有很多相似之處，因此要學(xué)好這門(mén)課就必須做好實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，又因?yàn)檎麟娐窇?yīng)用非常廣泛，在三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，雙反星形可控整流電路以及十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波可控整流電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，因此本次我們要做的實(shí)踐是三相半波可控整流電

5、路。整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。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、三相半可控整流電路、三相橋式全

6、控整流電路等。三、設(shè)計(jì)目的及意義1、了解并掌握三相半波可控整流電路組成和應(yīng)用；2、進(jìn)一步掌握晶閘管工作原理及其在三相半波可控整流電路中的作用；3、結(jié)合課本和課外知識(shí)，了解電力電子技術(shù)整流電路在實(shí)際中的應(yīng)用；4、深入探索三相半波可整流電路可以為之后的三相電路研究夯實(shí)基礎(chǔ)。四、設(shè)計(jì)的要求和內(nèi)容1、根據(jù)三相半波整流電路課題正確選擇電路形式；2、繪制完整的三相半波整流電路電氣原理圖；3、利用Matlab進(jìn)行三相半波整流電路的仿真實(shí)驗(yàn)；4、詳細(xì)介紹整體電路和各功能部件工作原理并計(jì)算各元器件的值。設(shè)計(jì)一個(gè)三相半波可控整流電路，電路分為電阻負(fù)載和阻感負(fù)載兩種，利用Matlab軟件分別做出兩種電路的仿真圖。本

7、次設(shè)計(jì)我們只對(duì)電阻負(fù)載進(jìn)行主要設(shè)計(jì)，并做出分析。4.1 三相半波整流電路電阻負(fù)載原理組成三相半波可控整流電路用三只晶閘管，與單相電路比較，輸出電壓脈動(dòng)小，輸出功率大，三相負(fù)載平衡。不足之處是晶閘管電流即變壓器的二次電流在一個(gè)周期內(nèi)只有1/3時(shí)間有電流流過(guò)，變壓器利用率低。三相半波可控整流電路純電阻性負(fù)載，三相半波可控整流電路如圖1-1所示。圖中Tr為整流變壓器，為了得到中性線，整流變壓器的二次接成星形，一次繞組接成三角形，使三次諧波都能夠通過(guò)，減少了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。為了得到零線，整流變壓器的二次繞組必須接成星形，而一次繞組多接成三角形，使其3次諧波能夠通過(guò)，減少高次諧波的影響。三個(gè)晶閘管

8、分別接入a、b、c三相電源，它們的陰極連接在一起，稱為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路有公共端，連接方便。4.2 三相半波整流電路電阻負(fù)載原理圖 圖1-14.3 電路原理波形分析圖1-2穩(wěn)定工作時(shí)，三個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖互差120º，規(guī)定t=2/3為控制角的起點(diǎn)，稱為自然換相點(diǎn)。三相半波共陰極可控整流電路自然換相點(diǎn)是三相電源相電壓正半周波形的交叉點(diǎn)，在各相相電壓的t=2/3處。在t1時(shí)刻觸發(fā)VT1，在t1t2區(qū)間有uuuv、uuuw，u相電壓最高，VT1承受正向電壓而導(dǎo)通，輸出電壓uduu。其他晶閘管承受反向電壓而不能導(dǎo)通。VT1通過(guò)的電流iT1與變壓器二次側(cè)u相電流波形相同，大小相等。在

9、t2時(shí)刻觸發(fā)VT2，在t2t3區(qū)間 v相電壓最高，由于uuuv，VT2承受正向電壓而導(dǎo)通， uduv。VT1兩端電壓uT1<0，晶閘管VT1承受反向電壓關(guān)斷。在VT2導(dǎo)通期間，VT1兩端電壓uT1= uu-uv= uuv。在t2時(shí)刻發(fā)生的一相晶閘管導(dǎo)通變換為另一相晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程稱為換相。在t3時(shí)刻觸發(fā)VT3，在t3t4區(qū)間w相電壓最高，由于uvuw，VT3承受正向電壓而導(dǎo)通，uduw。VT2兩端電壓 uT2= uv-uw=uvw<0，晶閘管VT2承受反向電壓關(guān)斷。在VT3導(dǎo)通期間VT1兩端電壓uT1= uu-uw= uuw。這樣在一周期內(nèi)，VT1只導(dǎo)通2/3，在其余/3時(shí)間承受反

10、向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)。只有承受高電壓的晶閘管元件才能被觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓ud波形是相電壓的一部分，每周期脈動(dòng)三次，是三相電源相電壓正半波完整包絡(luò)線，輸出電流id與輸出電壓ud波形相同 (id=ud/R)。電阻性負(fù)載=0º 時(shí)，VT1在VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)僅承受反壓，隨著的增加，晶閘管承受正向電壓增加；其他兩個(gè)晶閘管承受的電壓波形相同，僅相位依次相差120º。增大，則整流電壓相應(yīng)減小。=30º是輸出電壓、電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界點(diǎn)。當(dāng)30º時(shí)，后一相的晶閘管導(dǎo)通使前一相的晶閘管關(guān)斷。當(dāng)30º時(shí)，導(dǎo)通的晶閘管由于交流電壓過(guò)零變負(fù)而關(guān)斷后，后一相的晶閘管

11、未到觸發(fā)時(shí)刻，此時(shí)三個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通，直到后一相的晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通。從上述波形圖可以看出晶閘管承受最大正向電壓是變壓器二次相電壓的峰值，UFM =U2，晶閘管承受最大反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值，URM=× U2 =U2。=150º時(shí)輸出電壓為零，所以三相半波整流電路電阻性負(fù)載移相范圍是0º150º。如果將電路中的晶閘管換成整流管，那么整流元件就在Wt1.Wt2.Wt3，處自然換相，并總是換到電壓最高的一相上去，相應(yīng)的輸出a相，b相，c相電壓。因此相電壓的交點(diǎn)就是三相半坡電路的自然換相點(diǎn)，即該出的a=0°。在Wt1-Wt2期間內(nèi)，a相電壓U

12、最高，在Wt2-Wt3期間內(nèi)，b相電壓最高，在Wt2時(shí)刻觸發(fā)晶閘管T2,可使T2導(dǎo)通，此時(shí)T1因承受反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載上得到b相電壓Ub等如此，各晶閘管都按同樣的規(guī)律依次觸發(fā)導(dǎo)通并關(guān)斷前面一個(gè)已導(dǎo)通的晶閘管。圖（a）所示，是三相電壓觸發(fā)脈沖。圖（b）所示，各晶閘管上的觸發(fā)導(dǎo)通脈沖相序應(yīng)與電源的相序相同。各相觸發(fā)脈沖依次間隔120°，每相晶閘管各導(dǎo)電120°，負(fù)載電流波形與整流電壓波形相同，是連續(xù)的。圖（c）所示，輸出的整流電壓時(shí)三相交流相電壓正半周期線。圖（d）所示，是變壓器a相繞組，即流經(jīng)晶閘管T1的電流波形，可見(jiàn)變壓器繞組中通過(guò)的是直流脈沖電流。圖（e）是晶閘管T1兩

13、端的電壓Ut1的波形。4.4 三相半波整流電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)相對(duì)于電機(jī)和繼電器，接觸器等控制器而言，電力電子器件承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力較差，短時(shí)間的過(guò)電流和過(guò)電壓就會(huì)把器件損壞。但又不能完全根據(jù)裝置運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的暫時(shí)過(guò)電流和過(guò)電壓的數(shù)值來(lái)確定器件參數(shù)，必須充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過(guò)載能力。因此，保護(hù)電路就成為提高電力電子裝置運(yùn)行可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。電力電子電路中保護(hù)電路包括過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)。過(guò)電壓保護(hù)一般采用RC過(guò)電壓抑制電路，RC過(guò)電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩端或電力電子電路的直流側(cè)。過(guò)電流保護(hù)分為過(guò)載和短路兩種情況，一般過(guò)電流保護(hù)措施常采用快速熔斷器、直流快速熔斷器和電流繼電

14、器。在本設(shè)計(jì)的保護(hù)電路中對(duì)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)分別加上熔斷器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，對(duì)電機(jī)加上一個(gè)過(guò)載保護(hù)熔斷器，如圖1-3所示：五、三相半波整流電路數(shù)量計(jì)算5.1 輸出值的計(jì)算三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓ud的波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)3次，且每次脈動(dòng)的波形相同，因此在計(jì)算其平均值時(shí)，只需對(duì)一個(gè)脈波（即1/3周期）進(jìn)行計(jì)算即可。電阻負(fù)載時(shí)要求的移相范圍為0150度。下面分兩種情況來(lái)計(jì)算整流電壓的平均值：（1） 30度時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：公式5-1當(dāng)時(shí)，為最大，。（2）a>30度時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：公式5-2當(dāng)時(shí)， 負(fù)載電流的平均值為 由于晶閘管是交替工作的，流過(guò)晶閘管

15、的平均電流為 5.2 晶閘管的電流有效值Ivt=0.577Id5.3 晶閘管額定電流Ivt(AV)=Ivt/1.57六、Matlab軟件電腦仿真原理圖本次設(shè)計(jì)我們使用Matlab中的Simtlink直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且可以立即得到任意的仿真結(jié)果，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本次對(duì)三相半波整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同控制角、故障情況下進(jìn)行了仿真分析，既進(jìn)一步加深了三相半波整流電路的理論，同時(shí)也為現(xiàn)代電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。6.1 電阻負(fù)載Matlab原理圖仿真6.2 阻感負(fù)載Matlab原理圖仿真 6.3 電阻負(fù)載Matlab波形圖仿真下列波形分別是觸發(fā)角為

16、0°、30°、60°時(shí)的波形變化。（1）觸發(fā)角為0°時(shí)的波形：（2）觸發(fā)角為30°時(shí)的波形：（3）觸發(fā)角為60°時(shí)的波形：七、心得體會(huì)通過(guò)本次三相半波整流電路的課程設(shè)計(jì)，我有了很多的感受和體會(huì)，深刻的感受到了電力電子技術(shù)在日常生活中的廣泛應(yīng)用，也更加理解了理論與實(shí)際聯(lián)系的意義。在本次課程設(shè)計(jì)中，我主要通過(guò)查閱課本和在網(wǎng)上查找相關(guān)資料完成設(shè)計(jì)，同時(shí)學(xué)會(huì)了對(duì)相關(guān)科技文獻(xiàn)的搜索，一切科學(xué)研究都是建立在前人研究的基礎(chǔ)之上的。因此，對(duì)于相關(guān)文獻(xiàn)資料的搜索顯得尤為重要。其次，在本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，又對(duì)本學(xué)期學(xué)過(guò)的有關(guān)三相半波可控整流電路的知識(shí)做

17、了一次回顧，并且和同學(xué)認(rèn)真討論了三相半波可控整流電路的相關(guān)知識(shí)、各種元件的作用和導(dǎo)通方式，同時(shí)也更深層次的對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行掌握，理解了以前不理解的內(nèi)容。通過(guò)閱讀有關(guān)書(shū)籍和網(wǎng)上的資料，和之前在實(shí)驗(yàn)課上掌握的Matlab操作方法，我自己動(dòng)手操作MATLAB軟件，繪制出來(lái)三相半波可控整流電路的仿真電路，進(jìn)一步加深了對(duì)仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)，并能初步設(shè)計(jì)和處理一些常見(jiàn)的三相整流電路故障。使自己的知識(shí)面更加的豐富。設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要參考書(shū)本上知識(shí)，還要有些自己的東西加進(jìn)去，設(shè)計(jì)出電路以后可以考慮從另一個(gè)方面著手再設(shè)計(jì)一個(gè)方案，看可行性如何，盡可能的將各種方案的優(yōu)點(diǎn)集中到一個(gè)方案上來(lái)。在仿真過(guò)程中，我們也遇到了波形

18、圖仿真不出來(lái)的情況，后來(lái)經(jīng)過(guò)一步一步的排查，發(fā)現(xiàn)是晶閘管觸發(fā)角的角度沒(méi)有設(shè)置正確，后來(lái)經(jīng)過(guò)修正，仿真出了波形圖，并分別做出了觸發(fā)角為0度、30度、60度的仿真波形圖。 本次課程設(shè)計(jì)，我所選擇的三相半波可控整流電路的主要缺點(diǎn)，在于其變壓器二次電流中含有直流分量，因此在實(shí)際應(yīng)用較少。但是，使用最為廣泛的三相橋式全控整流電路，雙反星形可控整流電路以及十二脈波可控整流電路，均是在三相半波可控整流電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和完成，所以我認(rèn)為三相半波可控整流電路在整流電路中有著尤為重要的地位，因此選擇了這個(gè)課題作為本次設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)還使我了解了科技論文的寫(xiě)作規(guī)范，熟悉了文字處理與排版等方面的要求。總之，這次課程設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的完成了一個(gè)課題，而是使我初步的掌握了科學(xué)研究的步驟與方法，是一種豐富自身經(jīng)歷。通過(guò)這次畢業(yè)課題設(shè)計(jì)鞏固了我的專業(yè)知識(shí)，練習(xí)了我的實(shí)際操作能力，鍛煉了我分析解決問(wèn)題的能力，為今后的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。八、參考文獻(xiàn)（1） 王兆安 劉進(jìn)軍 電力電子技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社（2） 洪乃剛 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真機(jī)械工業(yè)出版社（3） 陳治明 電力電子器件基礎(chǔ)航天工業(yè)出版社 (