三相半波可控整流電路課程設(shè)計(中北大學(xué))

1、課程設(shè)計說明書電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書三相半波可控整流電路設(shè)計 學(xué)生姓名： 李明雨 學(xué)號：1307044353學(xué)生姓名： 李秋月 學(xué)號：1307044357學(xué) 院：計算機與控制工程學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 李曉 秦鵬 2016年 1月中北大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 2015/2016 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院：計算機與控制工程學(xué)院專 業(yè)： 電氣工程及其自動化學(xué) 生 姓 名：李明雨學(xué) 號：1307044353學(xué) 生 姓 名：李秋月學(xué) 號：1307044357課程設(shè)計題目：三相半波可控整流電路設(shè)計起 迄 日 期:2015年12月27日 2016年 1月 8日課程設(shè)計地點:德懷樓八層虛擬

2、仿真實驗室指 導(dǎo) 教 師:李曉 秦鵬學(xué)科部副主任：劉天野  下達任務(wù)書日期: 2015 年 12月 26日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目的：1) 了解并掌握電路的一般設(shè)計方法，具備初步的獨立設(shè)計能力2) 學(xué)習(xí)Visio繪圖軟件和Matlab仿真軟件2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：1) 設(shè)計的電路為三相半波可控整流電路，負載為電阻負載。 2) 已知參數(shù)：直流負載電阻，三相交流電壓 (V)， (V)， (V)3) 繪制電路原理圖。首先，分別分析并計算電阻兩端平均電壓和時，功率管相對應(yīng)的觸發(fā)角。其次，按照原理圖，在仿真軟件中建立仿真模型，驗證計算

3、結(jié)果，結(jié)果應(yīng)包含電阻兩端平均電壓和時的電路工作的波形圖。并對仿真結(jié)果進行必要的文字分析。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等： 1) 根據(jù)設(shè)計題目要求的指標(biāo)，通過查閱有關(guān)資料分析其工作原理，確定器件類型，可供選擇的變流器件為晶閘管、Mosfet和IGBT，設(shè)計電路原理圖； 2) 畫出電路方框圖，完成電路各部分的指標(biāo)分配，計算各單元電路的參數(shù)和確定各元件的參數(shù)值，敘述主要元器件的功能及他們之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)傳輸。 3) 用Visio繪圖軟件繪制電路原理圖 4) 利用Matlab仿真軟件對電路圖進行仿真分析。 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書4主要參考文獻： 1

4、 王兆安.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社.2008 2 劉志剛.電力電子學(xué).清華大學(xué)出版社.2009 3 石 玉.電力電子技術(shù)例題與電路設(shè)計指導(dǎo).機械工業(yè)出版社.2003 4 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制M.北京：機械工業(yè)出版社，20125設(shè)計成果形式及要求：1) 電路原理圖2) Matlab仿真電路結(jié)果圖3) 課程設(shè)計說明書。6工作計劃及進度： 2015年12月27日 12 月29日 設(shè)計電路 2015年12月29日 01 月 01日 繪制電路原理圖 2016年01月02 日 01 月06 日 對設(shè)計的電路進行Matlab仿真，撰寫課程設(shè)計 說明書 2015年01 月 07 日 答辯學(xué)科

5、部副主任審查意見：  簽字： 年 月 日目錄1 引言22 設(shè)計方案論證22. 1 電路原理圖222  設(shè)計指標(biāo)223  工作原理23 參數(shù)的計算24 觸發(fā)角參數(shù)計算25 觸發(fā)電路的設(shè)計26 硬件電路設(shè)計及描述261  建立仿真模型26. 2 仿真結(jié)果與分析27 總結(jié)28 附錄2參 考 文 獻21 引言整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?，電路形式多種多樣。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。當(dāng)整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，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

6、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)上進行分析。    隨著時代的進步和科技的發(fā)展，拖動控制的電機調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機調(diào)速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位，這主要是因為直流電機不僅調(diào)速方便，而且在磁場一定的條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩容易被控制；同時具有良好的起動性能，能較平滑和經(jīng)濟地調(diào)節(jié)速度。因此采用直流電機調(diào)速

7、可以得到良好的動態(tài)特性。由于直流電動機具有優(yōu)良的起、制動性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼機、礦井卷機、挖掘機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控硅電力拖動的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)，長期以來，由于直流調(diào)速拖動系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占重要位置。 熟悉單相整流電路線路簡單，價格便宜，制造、調(diào)整、維修都比較容易，但其輸出的直流電壓脈動大，脈動頻率低。又因為它接在三相電網(wǎng)的一相上，當(dāng)容量較大時易造

8、成三相電網(wǎng)不平衡，因而只用在容量較小的地方。一般負載功率超過4kw要求直流電壓脈動較小時，可以采用三相可控整流電路。悉三相半波可控整流電路帶電阻負載工作原理，研究可控整流電路在電阻負載工作狀態(tài)。通過設(shè)計培養(yǎng)我們對電子線路的分析與應(yīng)用能力、電子器件的應(yīng)用能力。2 設(shè)計方案論證 設(shè)計題目：三相半波可控整流電路設(shè)計21 電路原理圖圖1 三相半波可控整流電路原理圖為了得到零線，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)電路有公共端，連線方便。22  設(shè)計指標(biāo) 

9、     1）電源電壓：三相交流U2：100V/50Hz  2）輸出功率：500W   3）觸發(fā)角=120°   4）純電阻負載23  工作原理 圖 1.1 三相半波可控整流電路電阻負載時的波形圖 1.2三相半波可控整流電路電阻負載時的波形圖 1.3三相半波可控整流電路電阻負載時的波形穩(wěn)定工作時，三個晶閘管的觸發(fā)脈沖互差120º，規(guī)定t=/6為控制角的起點，稱為自然換相點。三相半波共陰極可控整流電路自然換相點是三相電源相電壓正半周波形的

10、交叉點，在各相相電壓的/6處，即t1、t2、t3 ，自然換相點之間互差2/3，三相脈沖也互差120º。在t1時刻觸發(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t2時刻觸發(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=uu-uv= uuv<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時刻發(fā)生的一相晶

11、閘管導(dǎo)通變換為另一相晶閘管導(dǎo)通的過程稱為換相。在t3時刻觸發(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4/3時間承受反向電壓而處于關(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)。電阻性負載=0º 時，VT1在VT

12、2、VT3導(dǎo)通時僅承受反壓，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。當(dāng)30º時，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，導(dǎo)通的晶閘管由于交流電壓過零變負而關(guān)斷后，后一相的晶閘管未到觸發(fā)時刻，此時三個晶閘管都不導(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。=150&#

13、186;時輸出電壓為零，所以三相半波整流電路電阻性負載移相范圍是0º150º。3 參數(shù)的計算 三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓的波形在一個周期內(nèi)脈動3次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/3周期）進行計算即可。對于電阻性負載而言，當(dāng)<時，例如=，上圖1.1所示，各晶閘管上的觸發(fā)脈沖，其相序與電源的相序相同，各相觸發(fā)脈沖依次間隔，在一個周期內(nèi)，三相電源輪流向負載供電，每相晶閘管各導(dǎo)電，負載電流是連續(xù)的。增大值，即觸發(fā)脈沖后移，則整流電壓相應(yīng)減小。當(dāng)=時，如上圖1.2所示，從輸出電壓、電流的波形可看出，這時負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀

14、態(tài)，各項仍導(dǎo)電。如果>，例如=，如上圖1.3所示，當(dāng)導(dǎo)通的一相的相電壓過零變負時，該相晶閘管關(guān)斷，此時下一相晶閘管雖然承受正向電壓，但它的觸發(fā)脈沖還未到，不會導(dǎo)通，姑輸出電壓和電流都為零，直到下一相觸發(fā)脈沖出現(xiàn)為止，顯然電流斷續(xù)，各晶閘管導(dǎo)電時間都小于。如果角繼續(xù)增大，那么整流電壓將越來越小。當(dāng)=時，整流輸出電壓為零。故電阻負載時要求的移相范圍為。 下面分兩種情況來計算整流電壓的平均值： （1）30°時，負載電流連續(xù)，有：（公式3-1） 當(dāng)時，為最大，。（2） a>30°時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時有： （公式3-2）當(dāng)時， 4 觸發(fā)角參數(shù)計算1）

15、當(dāng)電阻兩端的平均電壓為72V時：根據(jù)公式3-1可得，2） 當(dāng)電阻兩端的平均電壓為82V時：根據(jù)公式3-2可得，5 觸發(fā)電路的設(shè)計觸發(fā)器輸入端與變壓器二次側(cè)電壓對應(yīng)連接，分別連接晶閘管的三個門極端。每個觸發(fā)脈沖相差120°，依次觸發(fā)晶閘管。為避免觸發(fā)信號過小，在觸發(fā)器輸出端連接一放大器，放大脈沖信號10倍。如圖所示：圖5-1 三相半波整流電路觸發(fā)電路6 硬件電路設(shè)計及描述 61  建立仿真模型      示波器六個通道信號依次是：三相電源電壓；三相電源電流；同步脈沖信號；晶閘管1VT的電

16、流，晶閘管1VT的電壓；電阻性負載電流di；電阻性負載電壓dU。圖 6-1 三相半波可控整流電路(電阻性負載)的MATLAB仿真模型 6.2 仿真結(jié)果與分析 觸發(fā)角=0°，MATLAB仿真波形如下：Ud=72V時,MATLAB仿真波形如下: Ud=82V時，MATLAB仿真波形如下: 7 總結(jié)兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！扒Ю镏惺加谧?/p>

17、下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。我今天認真的進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。 通過這次設(shè)計，本人在多方面都有所提高,綜合運用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和實際知識進行一次設(shè)計工作的訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工作能力，鞏固與擴充了整流電路設(shè)計等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握整流電路設(shè)計的方法和步驟，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨立思考的能力也有了提高。 在設(shè)計過程中對三相半波可控整流電路的工作原理有了更深入的了解。三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。在前面分

18、析整流電路時，均未考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，認為換相是瞬時完成的。但實際上變壓器繞組總有漏感，該漏感可用一個集中的電感LB表示，并將其折算到變壓器二次側(cè)。由于電感對電流的變化起阻礙作用，電感電流不能突變，因此換相過程不能瞬間完成，而是會持續(xù)一段時間。同時也對matlab這一款龐大的仿真軟件有了初步的認識。對matlab中的simulink仿真模塊有了深入了解。 在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計能力以及綜合運用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。由于本人的設(shè)計能力有限，在設(shè)計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受老師們的批評與指正。8 附錄在本次課程設(shè)計中：李明雨所負責(zé)工作主要為：電路原理圖的繪制，MATLAB仿真圖的模擬全過程。李秋月