電力電子課程設(shè)計三相全控橋式整流電路

.西南交通大學(xué)電力電子課程設(shè)計三相全控整流電路設(shè)計院系：電氣工程系專業(yè)：電力機車及其自動化姓名：哲旭班級：電車二班學(xué)號：2014121034..頁腳..目錄第一章：緒論第二章：電路設(shè)計及其功能介紹第三章：仿真實現(xiàn)及其波形分析第四章：總結(jié)..頁腳..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(shù)上應(yīng)用十分廣泛。 主要用在直流電動機調(diào)速，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)，電鍍，電解等各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。整流電路形式多種多樣，按照電路結(jié)構(gòu)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！三相橋式整流電路是現(xiàn)代整流電路中應(yīng)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(shè)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(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(diào)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(wǎng)上。 為了適應(yīng)負載對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圍變化的直流電壓。 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..頁腳..U2一周期導(dǎo)通的時間，這樣負載上直流平均值就可以得到控制。..頁腳..第二章 電路設(shè)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(cè)接成三角型，二次側(cè)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、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：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60###。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###。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(dǎo)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，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。三相橋式全控整流電路實質(zhì)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(dǎo)通才能形成導(dǎo)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(dǎo)通的順序是按VT6–..頁腳..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(dǎo)通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個周期對每個晶閘管連續(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有源逆變時，就成為三相橋式逆變電路。由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)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(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓； 其次要求晶閘管的 a＞90°，使Ud為負值。2.2設(shè)計容和要求：在AC220v、工頻輸入情況下，設(shè)計三相全控整流電路，實現(xiàn)DC15v、工頻的整流輸出結(jié)果。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。完成上述移相控制輸出波形的諧波分析。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形的區(qū)別。..頁腳..2.3電路圖設(shè)計：用vivso畫出三相全控整流電路電路圖如圖所示：VT1VT3VT5Uaubuc

LdRdVT4VT6VT2三相橋式全控整流電路 原理圖2.4 電路分析與參數(shù)計算電路分析根據(jù)設(shè)計要求可知，此電路的負載是純電阻負載，當(dāng)觸發(fā)角α <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 I II III IV V VI..頁腳..共陰級 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5組中導(dǎo)通的晶閘管共陰級 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6組中導(dǎo)通的晶閘管整流輸 ua-ub=u ua-uc=u ub-uc=u ub-ua=u uc-ua=u uc-ub=u出電壓 ab ac bc ba ca cb參數(shù)計算：實驗要求 在AC220v、工頻輸入情況下，設(shè)計三相全控整流電路，實 現(xiàn)DC15v、工頻的整流輸出結(jié)果。根據(jù)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(jù)得α=88.33..頁腳..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..頁腳..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..頁腳..390度..頁腳..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(jīng)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(dāng)正弦電壓加到非線性負載上時， 會產(chǎn)生非正弦電流，而非正弦電流又會在負載上產(chǎn)生壓降，使電壓波形也成為非正弦波。非正弦的電壓u(ωt)和非正弦的電流i(ωt)可分解成傅里葉級數(shù)如下..頁腳..（3-43）（3-44）上式中..頁腳..；..頁腳..；..頁腳..；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(cè)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..頁腳..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3-31m脈波相控整流電路輸出電壓波形在一個周期，輸出電壓有m個形狀相同、相位相差2π/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：..頁腳..（3-58）（3-59）..頁腳..（3-60）按圖示坐標，ua、ub的表達式分別為（3-61）..頁腳..α（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(dāng)移相控制角為 α?xí)r，Ud可計算如下：..頁腳..（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(jié)果，此外 m=2、3、6時分別對應(yīng)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，α =0o則為不控整流電路。將式（3-61）、（3—62）代入（3-59）、（3-60）式，經(jīng)化簡后可得到：（3-64）..頁腳..（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(dāng)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(shè)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..頁腳..（3-67）次諧波的相位角為（3-68）負載上的電壓有效值為..頁腳..（3-69）諧波電壓有效值，即紋波電壓為（3-70）紋波系數(shù)為..頁腳..（3-71）..頁腳..由matlab 軟件中的powerguiFFTAnaylysisTool 畫出輸出波形的諧波分析如下圖：1 α=30度當(dāng)阻感負載R=10Ω，L＝10e-3H,觸發(fā)角a=30°時，設(shè)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(shè)置為“Bar(relativetofundamental) ”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示。基波電壓幅值為 2.688V，總諧波電流畸變率 4578.06%。2 α=60度..頁腳..當(dāng)阻感負載R=10Ω，L＝10e-3H,觸發(fā)角a=60°時，設(shè)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(shè)置為“Bar(relativetofundamental) ”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示?；妷悍禐?57.63V，總諧波電流畸變率 354.41%。3α=90度..頁腳..當(dāng)阻感負載R=10Ω，L＝10e-3H,觸發(fā)角a=90°時，設(shè)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(shè)置為“Bar(relativetofundamental) ”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示。基波電壓幅值為 124V，總諧波電流畸變率 175.99%。α=120度..頁腳..當(dāng)阻感負載R=10Ω，L＝10e-3H,觸發(fā)角a=90°時，設(shè)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(shè)置為“Bar(relativetofundamental) ”。最終得到的FFT分析窗口下圖所示?；妷悍禐?154.1V，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(dāng)α=30度時正常輸出Ud的波形為：..頁腳..輸入信號滯后時即三相電壓在 θ=WT，T=W÷θ時開始輸入信號。如圖：..頁腳..第四章總結(jié)通過這次課程設(shè)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(xí)，使我受益匪淺。同時明白了思路即出路。當(dāng)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