三相半波整流電路設(shè)計(jì)

1、晶閘管三相半波整流電路的設(shè)計(jì)與仿真說(shuō)明書(shū) 學(xué)院：電信工程學(xué)院 班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化（2）班 姓名：陳建龍 學(xué)號(hào)：09230220 指導(dǎo)老師 ：楊巧玲摘要三相整流電路有三相半波整流電路、三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路，由于整流電路涉及到交流信號(hào)、直流信號(hào)以及觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)包含晶閘管、電容、電感、電阻等多種元件，采用常規(guī)電路分析方法顯得相當(dāng)繁瑣，高壓情況下實(shí)驗(yàn)也難順利進(jìn)行。Matlab提供的可視化仿真工具Simtlink可直接建立電路仿真模型，隨意改變仿真參數(shù)，并且立即可得到任意的仿真結(jié)果，直觀(guān)性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用Simulink對(duì)三相半波整流電路進(jìn)行建模，對(duì)不同

2、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)。關(guān)鍵詞: 三相半波整流電路、晶閘管、MATLAB仿真 目錄第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求.4 1、設(shè)計(jì)任務(wù).4 2、設(shè)計(jì)要求.5第2章 方案設(shè)計(jì).6第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì).7 1、主電路設(shè)計(jì).7 2、控制電路設(shè)計(jì).9 3、保護(hù)電路設(shè)計(jì).12第4章 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算.16 1、主電路參數(shù)計(jì)算.16 2、保護(hù)電路參數(shù)計(jì)算.17第5章 系統(tǒng)仿真.19 1、仿真電路.19 2、仿真參數(shù).19 3、仿真波形.20設(shè)計(jì)體會(huì).29參考文獻(xiàn).30 第一章、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求一、設(shè)計(jì)題目三相半波整流電路的負(fù)載分

3、析。二、設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)要求掌握三相半波整流電路的工作原理和分析方法，設(shè)計(jì)三相半波可控整流電路；利用MATLAB中的Simulink對(duì)三相半波整流電路進(jìn)行建模，調(diào)整負(fù)載、觸發(fā)角等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，輸出相關(guān)波形并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三、給定仿真或?qū)嶒?yàn)條件晶閘管三相半波整流電路，參數(shù)要求：電網(wǎng)頻率 f=50Hz電網(wǎng)額定電壓 U=380v負(fù)載性質(zhì)：電阻（10）電阻（10）、電感（10mH）。四、具體設(shè)計(jì)過(guò)程要求（1）了解整流和觸發(fā)電路的基本原理。（2）掌握三相半波可控整流電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法，制定三相半波可控整流電路的設(shè)計(jì)方案。（3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇合適的器件，組建整流主回路、控制回路。（4）設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)

4、電路、保護(hù)回路，并計(jì)算各器件參數(shù)。（5）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真，改變負(fù)載性質(zhì)和負(fù)載大小，觀(guān)察、繪制輸出波形，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析要求等（1）熟悉matlab/simulink/power system中的仿真模塊用法及功能；（2）根據(jù)設(shè)計(jì)電路搭建仿真模型；（3）設(shè)置不同負(fù)載參數(shù)并進(jìn)行仿真；（4）繪制不同觸發(fā)角時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓電流波形。六、設(shè)計(jì)的心得體會(huì)要求等附主要參考書(shū)目1、三相半波可控整流電路的負(fù)載分析第二章、設(shè)計(jì)方案單相可控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)觸發(fā)電路要求較低，但其輸出直流脈動(dòng)大，對(duì)電網(wǎng)屬于非對(duì)稱(chēng)負(fù)載，因此，一般只用于中小容量的場(chǎng)合。如果負(fù)載容量較大，或要求輸出之脈動(dòng)較小時(shí)，應(yīng)

5、采用三相可控整流電路或多路整流電路，即變壓器的一次側(cè)是三相的，而二次側(cè)是三相或多項(xiàng)的。這樣一方面對(duì)電網(wǎng)來(lái)講屬于對(duì)稱(chēng)負(fù)載，另一方面可以在直流輸出端得到多脈波電路，可以顯著改善裝置或系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)按要求用三相半波整流電路。按控制要求，要實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓連續(xù)可調(diào)，可利用相控整流電路原理，把控制信號(hào)的大小轉(zhuǎn)化為整流電流中各晶閘管的門(mén)極觸發(fā)角，用以控制晶閘管在一個(gè)周期中導(dǎo)通的起始時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路輸出電壓平均值的控制。整體設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示。 電源 三相半波整流電路 負(fù)載 觸觸 同步電路 發(fā)發(fā) 信模 集成觸發(fā) 號(hào)塊 圖2-1 總體框架第三章、系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、主電路 三相半波可控整流電路如圖3-1所

6、示。為得到零線(xiàn)，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波電流流人電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，它們的陰極連接在一起，稱(chēng)為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線(xiàn)方便。 圖3-1 三相半波可控整流電路阻感性負(fù)載 如圖3-2，在wt1、wt3、wt5出對(duì)應(yīng)著自然換相點(diǎn)，對(duì)該三相半波可控整流電路而言，這三個(gè)自然換相點(diǎn)是其對(duì)應(yīng)的晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，即自然換向點(diǎn)就是個(gè)晶閘管觸發(fā)角a 的起點(diǎn)（a=0的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)wt1=/6、wt3=5/6、wt5=3/2）。 U2 Ua Ub Uc Wt1 wt3 wt5 wt 圖3-2 二次側(cè)電壓波形 如圖3-1為三相半波整流電路帶

7、阻感性負(fù)載時(shí)的電路及波形，假設(shè)電感足夠大，負(fù)載保持連續(xù)且基本平直（近似為一條直線(xiàn)），電路已處于穩(wěn)態(tài)。當(dāng)a /6時(shí)，電路工作波形與電阻負(fù)載一樣，負(fù)載電流均連續(xù)；當(dāng)a > /6時(shí)，如果負(fù)載電感足夠大，電感儲(chǔ)能足夠大，電感儲(chǔ)能足以使晶閘管在U2過(guò)零變負(fù)以后仍然維持導(dǎo)通，直到下一相的晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，才發(fā)生換流，也就是說(shuō)，在a > /6時(shí)，由于電感的作用，仍然能使各相的晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通2/3，從而保證電流的連續(xù)，在這種情況下，Ud的波形中會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，隨著a 的增大，Ud的波形中負(fù)的部分增多，至a=/2時(shí)，Ud波形中正負(fù)部分的面積相等，相當(dāng)于Ud的平均值為零。可見(jiàn)，阻感負(fù)載時(shí)觸發(fā)角a的移向范

8、圍為0-/2。基本數(shù)量關(guān)系：1） 整流輸出電壓平均值Ud為 當(dāng)a=0時(shí)，Ud=1.17U2，當(dāng)a=/2時(shí)，Ud=0，可見(jiàn)觸發(fā)角a的移向范圍為0-/2。2） 整流輸出電壓有效值U為 3） 整流輸出電路平均值Id=Ud/R,流過(guò)每個(gè)晶閘管電流的平均值Idvt=Id/3。4） 流過(guò)變壓器二次繞組的電流也就是流過(guò)晶閘管的電流，其有效值為： 二、控制電路設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓在0-510V之間連續(xù)可調(diào)，可利用相控整流電路的基本原理，把控制信號(hào)的大小轉(zhuǎn)化為整流電流中個(gè)晶閘管的門(mén)極觸發(fā)角，用以控制晶閘管在一個(gè)周期中導(dǎo)通的起始時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路輸出電壓平均值的控制。移向控制電路就是用來(lái)產(chǎn)生前沿相位受控于控制

9、設(shè)定信號(hào)幅值的脈沖信號(hào)，并按主電路結(jié)構(gòu)形式為各晶閘管分配合適的脈沖，這些脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)后作為晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣只要改變?cè)O(shè)定信號(hào)幅值就能控制門(mén)極觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí)刻的相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路輸出電壓平均值的調(diào)控。圖3-2 相控整流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 門(mén) 極 控 移相 驅(qū) 制 控制 動(dòng) 整流器主 負(fù) 設(shè) 電路 與 電路 載 定 隔 離 電 路 圖3-2 相控整流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-3為典型移相控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 移 相 控制設(shè)定 脈 脈沖 門(mén) 沖 整形 極 形 與分 驅(qū) 同步信號(hào) 成 配環(huán) 動(dòng) 環(huán) 節(jié) 節(jié) 圖3-3 典型移相控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-3所示為一典型的脈沖形成原理圖 0 Usy 0 Up a 0

10、 Ug 圖3-3 典型的脈沖形成原理圖 對(duì)三相半波可控整流電路,每個(gè)周期需要3個(gè)觸發(fā)脈沖, 以便在每個(gè)周期相同的時(shí)間間隔中,VTH1 ,VTH2 ,VTH3 輪流導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)采用集成觸發(fā)芯片KJ004，設(shè)計(jì)電路如圖3-4所示。對(duì)于三相半控整流電路，需要三組這樣的觸發(fā)脈沖即可。同步信號(hào) KJ004 8 16 +15v 7 12-15v 5 11+15v 3 4 1-15v 9 圖3-4 KJ004觸發(fā)電路如圖3-5為直流供電電路：圖3-5 直流供電電路三、保護(hù)電路（1）過(guò)電流保護(hù)：可控硅允許的過(guò)電流能力較差，既是在短時(shí)間流過(guò)的短路電流或過(guò)載的電流很小時(shí)，如不及時(shí)的切除，就會(huì)損壞可控硅元件，因此，

11、除了在選擇是留有充分裕量外，還需采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。保護(hù)措施有：自動(dòng)開(kāi)關(guān)保護(hù)；快速熔斷器保護(hù)。圖3-4為可控硅快速熔斷器保護(hù) 圖3-4 可控硅快速熔斷器保護(hù)（2）過(guò)電壓保護(hù)：過(guò)電壓有操作過(guò)電壓和浪涌過(guò)電壓兩種。操作過(guò)電壓是由于變壓器合閘、拉閘以及可控硅本身關(guān)斷所引起的，浪涌過(guò)電壓是由于雷擊等原因，從電網(wǎng)侵入的偶然性過(guò)電壓，可控硅元件承受過(guò)電壓能力也是較差的，發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，也會(huì)是元件損傷，因此必須采取有效措施。a 、交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)阻容吸收裝置變壓器拉閘時(shí)，由于磁通突然的減少，在副極繞組中產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬變電壓，嚴(yán)重時(shí)其峰值電壓可達(dá)正常值的8-10倍，采用阻容吸收裝置可將過(guò)電壓降低到正常的1.2

12、5倍。 圖3-5 過(guò)電壓保護(hù)b 、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)直流側(cè)過(guò)電壓是由于快速熔斷器熔斷時(shí)整流變壓器儲(chǔ)能的釋放和平波電抗器的儲(chǔ)能的釋放引起的。1） 、操作過(guò)電壓保護(hù) 當(dāng)快速熔斷器切斷過(guò)載電流時(shí)，由整流變壓器儲(chǔ)能釋放所產(chǎn)生的過(guò)電壓，雖然交流側(cè)吸收裝置可以吸收一部分，但變壓器過(guò)載比空載的儲(chǔ)能大，因此還會(huì)有一部分能量通過(guò)導(dǎo)通的可控硅反映到直流側(cè)來(lái)，一般大、中容量的可控硅整流裝置均采用阻容吸收裝置保護(hù)。2）、浪涌過(guò)電壓保護(hù)由于電網(wǎng)受到雷擊或高于電源電壓的浪涌電壓侵入直流側(cè)，而阻容吸收裝置不一定能完全吸收，因而設(shè)置壓敏電阻作浪涌過(guò)電壓的保護(hù)。 圖3-6 直流側(cè)阻容吸收裝置c 、可控硅關(guān)斷過(guò)電壓保護(hù)可控硅正向?qū)?/p>

13、通關(guān)斷時(shí)，由于空穴積蓄效應(yīng)，使可控硅反向阻斷能力的恢復(fù)需要一段時(shí)間，在這段時(shí)間里可控硅元件流過(guò)反向電流，此反向電流接近終止時(shí)很大，與線(xiàn)路電感共同作用產(chǎn)生過(guò)電壓可是元件擊穿，所以必須采用保護(hù)措施，一般可在可控硅元件兩端并聯(lián)阻容吸收裝置。 圖3-7 可控硅關(guān)斷過(guò)電壓保護(hù)第三章、電路參數(shù)計(jì)算一、主電路參數(shù)計(jì)算1、整流變壓器參數(shù)計(jì)算按要求U2=380 Ud=1.17U2cosa當(dāng)a=0時(shí)，Ud取得最大值 Ud= 取負(fù)載電阻R=100，則負(fù)載電流 Id=Ud/R=510/100=0.51A二次側(cè)電流，有效值 I2=0.577Id=0.577*0.51=0.29A整流變壓器容量為 P=3U2I2=3*43

14、5.9*0.29=379.2VA 取P=380VA整流變壓器參數(shù)如下： 相數(shù) 三相 接法 /Y-11 容量 380VA 原級(jí)電壓 380V 副級(jí)電壓 435.9V2、 晶閘管參數(shù)計(jì)算 晶閘管額定正向平均電流計(jì)算 It=(0.5-0.8)Id=(0.5-0.8)*2*0.51=(0.51-0.816)A 晶閘管正反向峰值電壓計(jì)算Vf=Vr=(5-8)U2=(2179.5-3487.2)V二、保護(hù)電路計(jì)算 （1）、快速熔斷器參數(shù)計(jì)算 Ikr5/6*1.57It=5/6*1.57*0.816=1A 則應(yīng)選額定電壓為500V，額定電流為2A的熔斷器。 （2）、交流側(cè)變壓器原級(jí)阻容吸收裝置參數(shù)計(jì)算 變壓

15、器每相VA數(shù)為： VA=380/3 =126.67VA 阻容保護(hù)采用三角形接線(xiàn)，則電容C1為 C16I%*VA/U2*U2=0.034F 取C1=0.35F 電阻R1為 （3）、交流側(cè)變壓器副級(jí)阻容吸收裝置參數(shù)計(jì)算 阻容吸收裝置采用三角形接法 電容C2為 電阻R2為 取R2=1400 （4）、直流側(cè)阻容吸收裝置參數(shù)計(jì)算 電容C3為 電阻R3為 （5）、浪涌過(guò)電壓保護(hù)裝置參數(shù)計(jì)算 壓敏電阻計(jì)算 (6)、晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓保護(hù) 電容C4=（2-4）It*0.001=1-2F 電阻R4取10 第五章、電路Matlab/Simulink仿真一 、仿真電路三相半波整流電路Matlab/Simulink電路

16、如圖5-1所示： 圖5-1 三相半波整流電路Matlab/Simulink電路二、仿真參數(shù)1、 電源參數(shù)設(shè)置三相電源a、b、c電壓設(shè)為220V，頻率設(shè)為50Hz，相角依次設(shè)為0、240、120。2、 觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置 三相觸發(fā)脈沖G1、G2、G3的觸發(fā)角設(shè)置通過(guò)公式M=(/6+)/2*0.02，計(jì)算設(shè)定，其中a的范圍為0-/2，G1、G2、G3觸發(fā)角互差120度。觸發(fā)脈沖的幅值設(shè)置為5，脈沖寬度設(shè)置為5，脈沖周期設(shè)置為0.02s。3、 負(fù)載參數(shù)設(shè)置通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)負(fù)載電阻和電感的值決定著負(fù)載電流和電壓的大小和波形，電感太大二次側(cè)電流波形毛刺多，負(fù)載流電流幾乎平直，但電流上升速度慢，電感太小負(fù)載電流

17、波形不平滑，甚至不連續(xù)，但上升速度快，相反電阻太大輸出電流波形不平滑但上升速度快，電阻太小輸出電流波形平滑，但上升速度慢。實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示：（1）、電阻R=100 不變，電感L=1或0.001變化時(shí)的波形比較： 1）、負(fù)載R=100 圖5-2 負(fù)載為R=100 L=1e-3 a = 時(shí)的波形 圖5-3 負(fù)載為R=100 L=1 a = 時(shí)的波形 圖5-4 負(fù)載為R=100 L=1e-3 a =30時(shí)的波形 圖5-5負(fù)載為R=100 L=1 a =30時(shí)的波形 圖5-6 負(fù)載為R=100 L=1e-3 a =60時(shí)的波形 圖5-7負(fù)載為R=100 L=1 a =60時(shí)的波形 圖5-8 負(fù)載為R

18、=100 L=1e-3 a =90時(shí)的波形 圖5-9 負(fù)載為R=100 L=1 a =90時(shí)的波形 （2）電感為L(zhǎng)=10 R=100或1000變化時(shí)的波形比較 圖5-10負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=100 a =0時(shí)的波形 圖5-11負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=1000 a =0時(shí)的波形 圖5-12 負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=100 a =30時(shí)的波形 圖5-13 負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=1000 a =30時(shí)的波形 圖5-14 負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=100 a =60時(shí)的波形 圖5-15 負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=1000 a =60時(shí)的波形 圖5-16 負(fù)載為L(zhǎng)=10 R=100 a =90時(shí)的波形 圖5-17 負(fù)載為L(zhǎng)=

19、10 R=1000 a =90時(shí)的波形 由以上波形可以看出：a 30°時(shí)，整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。因?yàn)閮煞N負(fù)載情況下，負(fù)載電流均連續(xù)。a >30°時(shí)，當(dāng)U2過(guò)零時(shí)，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VT1繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管VT2的觸發(fā)脈沖到來(lái)，才發(fā)生換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT1施加反壓使其關(guān)斷。這種情況下Ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分0 。若a繼續(xù)增大，Ud波形中負(fù)的部分將增多，至a=90°。負(fù)載電流波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將負(fù)載電流波形近似為一條水平線(xiàn)。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90° 。 設(shè)計(jì)體會(huì)這次電力電子

20、技術(shù)課程設(shè)計(jì)，讓我們有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中。并通過(guò)對(duì)知識(shí)的綜合利用，進(jìn)行必要的分析，比較。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所學(xué)的理論知識(shí)。指導(dǎo)我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)，多動(dòng)腦的同時(shí)，要善于自己去發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。這次的課程設(shè)計(jì)，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在你拿到題目時(shí)會(huì)覺(jué)得困難，但是只要充滿(mǎn)信心，就肯定會(huì)完成的。通過(guò)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)課本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，平常都是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計(jì)中，真正做到了自己查閱資料、完成一個(gè)基本的設(shè)計(jì)任務(wù)。在此次的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我更進(jìn)一步地熟悉了三相半波整流電路的原理及MATLAB仿真電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中我也遇到了困難，通過(guò)查閱資料，相互討論，我準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了，這也是我最大的收獲，使自己的實(shí)踐能力有了進(jìn)一步的提高，讓我對(duì)以后的工作學(xué)習(xí)有了更大的信心。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從