三相半波整流電路的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題 目 院 、 部： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 專 業(yè)： 班 級(jí)： 完成時(shí)間： 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

2、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Abstract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)不同控制角、故障情況下進(jìn)

3、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)。Three-phase rectifier circuit with half controlled three-phase half wave rectifier circuit, three-phase bridge rectifier circuit and three-phase full bridge controlled rectifier circuit, the rectifier circuit to AC signals, DC signal and a trigger si

4、gnal, also contains the thyristor, capacitance, inductance, resistance and other components, using conventional circuit analysis method is onerous, pressure situation under the experiment also difficult to smoothly. Matlab provides visual simulation tool Simtlink can directly establish circuit simul

5、ation model, changing the simulation parameters, and immediately get the simulation results of arbitrary, intuitive, further saves the programming steps. In this paper, Simulink is used to model the three phase half wave rectifier circuit, control angle, for different fault conditions are simulated

6、and analyzed, which deepens the three-phase half wave rectifier circuit theory, and provides a good experimental foundation for the modern power electronic experimental teaching.關(guān)鍵詞:三相半波整流電路；晶閘管；MATLAB仿真Keywords: three phase half wave rectifier circuit; thyristor; MATLAB simulation目錄1 引言（意義及要求）2 設(shè)計(jì)分

7、析3 主電路原理分析及主要元器件選擇3.1 主電路原理分析 3.2 主要元器件選擇 4 觸發(fā)電路與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)4.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5 通過(guò)MATLAB 心得體會(huì)參考文獻(xiàn)致謝14 / 191設(shè)計(jì)意義及要求1.1設(shè)計(jì)意義整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姡娐沸问蕉喾N多樣。當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)，應(yīng)采用三相整流電路。其交流側(cè)由三相電源供電。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、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)條件：1.電源電壓：三相

8、交流U2：100V/50Hz 2.輸出功率：500W 3.觸發(fā)角 4.阻感負(fù)載根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)條件，說(shuō)明主電路的工作原理、計(jì)算選擇元器件參數(shù)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1.整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算 2.晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇 3.觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)2方案設(shè)計(jì)分析本文主要完成三相半波整流電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)MATLAB軟件的SIMULINK模塊建模并仿真，進(jìn)而得到仿真電壓電流波形。分析采用三相半波整流電路反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載電路，如圖1所示。為了得到零線，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次諧波流入電網(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，稱為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電

9、路有公共端，連線方便。圖1 三相半波整流電路共陰極接法反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載原理圖直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有電阻、電感外，還有一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)E。如果暫不考慮電動(dòng)機(jī)的電樞電感時(shí)，則只有當(dāng)晶閘管導(dǎo)通相的變壓器二次電壓瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢(shì)時(shí)才有電流輸出。此時(shí)負(fù)載電流時(shí)斷續(xù)的，這對(duì)整流電路和電動(dòng)機(jī)負(fù)載的工作都是不利的，實(shí)際應(yīng)用中要盡量避免出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的工作情況。3主電路原理分析及主要元器件選擇3.1主電路原理分析主電路理論圖如圖1所示。假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，并用VD表示，該電路就成為三相半波可控整流電路。此時(shí)，三個(gè)二極管對(duì)應(yīng)的相電壓中哪一個(gè)的值最大，則該相對(duì)應(yīng)的二極管導(dǎo)通，并使另兩相的二極管承受反壓關(guān)斷，

10、輸出整流電壓即為該相的相電壓。在相電壓的交點(diǎn)處，均出現(xiàn)了二極管換相，即電流由一個(gè)二極管向另一個(gè)二極管轉(zhuǎn)移，稱這些交點(diǎn)為自然換相點(diǎn)。自然換相點(diǎn)是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角的起點(diǎn)，即=0。，要改變觸發(fā)角只能是在此基礎(chǔ)上增大它，即沿時(shí)間坐標(biāo)軸向右移。當(dāng)三個(gè)晶閘管的觸發(fā)角為0°時(shí)，相當(dāng)于三相半波可控整流電路的情況。增大值，將脈沖后移，整流電路的工作情況相應(yīng)的發(fā)生變化。設(shè)變壓器二次側(cè)電壓有效值為220V，則相電壓交點(diǎn)處的電壓為。若反電動(dòng)勢(shì)小于155.54V時(shí)，整流電路相當(dāng)于工作在阻感負(fù)載情況下nnom=1000r/min（因?yàn)樵谧匀粨Q相點(diǎn)處晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載電壓等

11、于相電壓）。根據(jù)任務(wù)書所給電機(jī)參數(shù)，當(dāng)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速為，且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為。晶閘管的觸發(fā)角為0°時(shí)，波形圖如圖2所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負(fù)載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖2 觸發(fā)角為0°時(shí)的波形觸發(fā)角較小時(shí)，在觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí)交流電壓還沒(méi)有達(dá)到196V，晶閘管不導(dǎo)通，到196V以后在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導(dǎo)通；換相后VT1關(guān)斷，在VT2導(dǎo)通期間，uvt1= ua- ub= uab；VT3導(dǎo)通期間，uvt1= ua- uc= uac。 觸發(fā)角變大后，可以實(shí)現(xiàn)在觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí)電壓達(dá)到196V，晶閘管直接導(dǎo)通，如圖3所示，觸發(fā)角為45°，

12、從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負(fù)載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖3 觸發(fā)角為45°時(shí)的波形觸發(fā)角為當(dāng)45°時(shí)，當(dāng)過(guò)零時(shí)，由于電感的存在，阻止了電流的下降，因而繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管的觸發(fā)脈沖到來(lái)，才發(fā)生換流，由導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向施加反相電壓使其關(guān)斷。這種情況下波形中出現(xiàn)負(fù)的部分，若增大，波形中負(fù)的部分將增多，至?xí)r，波形中正負(fù)面積相等，的平均值為零。由此可見阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90°。由于負(fù)載電流連續(xù)，可由式（3-1）求出，即 （3-1）/與成余弦關(guān)系，如圖4中曲線2所示。如果負(fù)載中的電感量不是很大，則當(dāng)>30°后，與電感

13、量足夠大的情況相比較，ud中負(fù)的部分可能減少，整流電壓平均值ud略為增加，/與的關(guān)系將介于圖4中的曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個(gè)例子。變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值I2可由式（3-2）求出，即 （3-2）由此晶閘管的額定電流IVT(AV)可由式（3-3）求出，即 （3-3）晶閘管兩端電壓波形如圖3所示，由于負(fù)載電流連續(xù)，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即 （3-4） 圖4 三相半波可控整流電路/與的關(guān)系id波形有一定的脈動(dòng)，這是電路工作的實(shí)際情況，因?yàn)樨?fù)載中電感量不可能也不必非常大，往往只要能保證負(fù)載電流連續(xù)即可，這樣id是有波動(dòng)的，不是完全平直的水平線。通常

14、，為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可以將id近似為一條水平線，這與的近似對(duì)分析和計(jì)算的準(zhǔn)確性并不產(chǎn)生很大影響。三相半波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，因此其應(yīng)用較少。3.2主要元器件選擇 設(shè)變壓器原邊電壓U1=380V，副邊電壓U2=220V，根據(jù)要求電機(jī)的額定電壓為Unom=220V，由三相半波整流電路的工作原理知，故可得=31.3°。即當(dāng)觸發(fā)角為31.3°時(shí)，三相半波整流電路輸出的電壓即為電機(jī)的額定電壓。1）變壓器參數(shù)選擇：如圖1所示，為了得到零線，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次諧波流入電網(wǎng)。變壓器采用三角形星形連接，一次側(cè)二次側(cè)變比

15、1.73：1。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電流 故可知，故得變壓器原邊電壓為380V，副邊電壓為220V，容量46.043KW。2）晶閘管參數(shù)選擇：電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，Unom=220V，Inom=308A。由式（3-4）知晶閘管峰值電壓UFM=2.45220=539V，晶閘管電壓安全裕量需是峰值電壓的23倍，故U=（23）539V=10781617V。由式（3-2）知晶閘管電流有效值晶閘管電流安全裕量需是額定值的1.52倍，故I=（1.52）IVT/1.57=170226.7A。故晶閘管的電壓范圍10781617V，電流范圍170226.7A。3）平波電抗器參數(shù)選擇：電抗值可由得到，Idmin為最小電流，即

16、電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的電流，此時(shí)可得進(jìn)而得到L=1.46220V/133.3A=2.4mH。4觸發(fā)電路與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 如圖5所示為觸發(fā)電路。由三片集成觸發(fā)電路芯片KJ004和一片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KJ041形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的。觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)用接插線與主電路各晶閘管相連接。該電路可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。圖5 三相半波整流電路觸發(fā)電路4.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)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

17、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6所示。圖6 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5通過(guò)MATLAB仿真MATLAB仿真電路圖如圖7所示。圖7 三相半波整流電路MATLAB仿真圖設(shè)置三相交流電壓為100V，觸發(fā)角為45°，電抗值為2.4mH，反電動(dòng)勢(shì)為196V。得到仿真波形如圖8所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負(fù)載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖8 MATLAB仿真波形圖所得波形基本與理論分析相符，觸發(fā)脈沖發(fā)出時(shí)，電壓已經(jīng)達(dá)到196V，在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導(dǎo)通；換相后VT1關(guān)斷，在VT2導(dǎo)通期間，uvt1= ua- ub= uab；VT3導(dǎo)通期間，uvt1= ua- uc= uac。心得體會(huì)1.多學(xué)多問(wèn)，學(xué)會(huì)他人技能。學(xué)問(wèn)學(xué)問(wèn)，無(wú)問(wèn)不成學(xué)。知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的收獲可以說(shuō)與勤學(xué)好問(wèn)是成正比的，要記住知識(shí)總是垂青那些善于提問(wèn)的人。2.善于思考，真正消化知識(shí)。有知到識(shí)，永遠(yuǎn)不是那么簡(jiǎn)單的事，當(dāng)你真正學(xué)會(huì)去思考時(shí)，他人的知識(shí)才能變成你自己的東西。3.前人鋪路，后人修路。墨守陳規(guī)永遠(yuǎn)不會(huì)有新的建樹，前人的道路固然重要，但是學(xué)會(huì)另辟蹊徑更