三相半波整流電路設(shè)計(jì)..

1、1晶閘管三相半波整流電路的設(shè)計(jì)與仿真說明書學(xué)院：電信工程學(xué)院班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化（2 2）班姓名：陳建龍學(xué)號(hào)：09230220092302202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，直觀性強(qiáng)，進(jìn)一步省去了編程的步驟。本文利用 Simulink

2、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)。關(guān)鍵詞：三相半波整流電路、晶閘管、MATLA 仿真3目錄第一章設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求.41、設(shè)計(jì)任務(wù).42、設(shè)計(jì)要求.5第二章方案設(shè)計(jì).6第三章系統(tǒng)設(shè)計(jì).71、主電路設(shè)計(jì).72、控制電路設(shè)計(jì).93、保護(hù)電路設(shè)計(jì) .12第四章系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算.161、主電路參數(shù)計(jì)算 .162、保護(hù)電路參數(shù)計(jì)算 .17第五章系統(tǒng)仿真.191、仿真電路.192、仿真參數(shù).193、仿真波形.20設(shè)計(jì)體會(huì).29參考文獻(xiàn).304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

3、流電路的負(fù)載分析。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(10Q)電阻(10Q)、電感(10mH。四、具體設(shè)計(jì)過程要求(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

4、流主回路、控制回路。(4) 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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/powersystem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目1、三相半波可控整流電路的負(fù)載分析5 & 第二章、設(shè)計(jì)方案單相可控整流電路結(jié)構(gòu)簡單，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)稱負(fù)載，因此，一般只

5、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)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)來講屬于對(duì)稱 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極觸發(fā)角a，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。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 所示。為得

6、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，稱為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路 有公共端，連線方便。圖 2-1 總體框架bg6圖 3-1 三相半波可控整流電路阻感性負(fù)載如圖 3-2，在 wtl、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) wt 仁n/6、wt3=5n/6、wt5=3n12）。如圖 3-1 為三相半波整流電路帶阻感性負(fù)載時(shí)的電路及波形，假設(shè)

7、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），電路已處于穩(wěn)態(tài)。當(dāng)a n/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, 在a n/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 2n/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=n/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?？梢?，阻感負(fù)載時(shí)觸發(fā)角a 的移向范圍為 0-n/2基本數(shù)量關(guān)系:1）整流輸出電壓平均值 Ud 為UA=s

8、inaxdax= 1.17t72cosad2龍卜22o當(dāng) a=0 時(shí)，Ud=1.17U2 當(dāng) a=n/2 時(shí)，Ud=O,可見觸發(fā)角 a 的移向范圍為0-n/22）整流輸出電壓有效值 U 為35二6(V2u2si2t)2dt) = u23）整流輸出電路平均值 Id二Ud/R,流過每個(gè)晶閘管電流的平均值 Idvt=Id/3 。4）流過變壓器二次繞組的電流也就是流過晶閘管的電流， 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)晶閘管的門極觸發(fā)角a,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

9、路輸出電壓平均值的控制。移向控制電路就是用來產(chǎn)生前沿相位受控于控制設(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)控移相驅(qū)3(23cos2 )232VT0.557 I電路定隔離電路圖 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)移相脈脈沖門控制設(shè)疋電路圖 3-3 所示為一典型的脈沖形成原理圖沖UP整形%極I形-與分驅(qū)冋步信號(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

10、o10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)* wiKJ00418Wv16+15-15v+1-15v7- 125 Wf11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)過電流保護(hù)：可控硅允許的過電流能力較差，既是在短時(shí)間流過的短路電流或過載的電流 很小時(shí)，如不及時(shí)的切除，就會(huì)損壞可控硅元件，

11、因此，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)過電壓保護(hù)：過電壓有操作過電壓和浪涌過電壓兩種。操作過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 電壓是由于雷擊等原因，從電網(wǎng)侵入的偶然性過電壓，可控硅元件承受過電壓能 力也是較差的，發(fā)生過電壓時(shí)，也會(huì)是元件損傷，因此必須采取有效措施。a、交流側(cè)過電壓保護(hù)GD112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

12、裝置可將過電壓降 低到正常的 1.25 倍。圖 3-5 過電壓保護(hù)b、直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)過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）、操作過電壓保護(hù)當(dāng)快速熔斷器切斷過載電流時(shí)，由整流變壓器儲(chǔ)能釋放所產(chǎn)生的過電壓， 雖然交流側(cè)吸收裝置可以吸收一部分， 但變壓器過載比空載的儲(chǔ)能大，因此還會(huì) 有一部分能量通過導(dǎo)通的可控硅反映到直流側(cè)來，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電壓的保護(hù)。-H 1-1Ti1-TlT

13、713圖 3-6 直流側(cè)阻容吸收裝置C、可控硅關(guān)斷過電壓保護(hù)可控硅正向?qū)P(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反向電流， 此反向電流接近終止時(shí)dtdi很大，與線路電感共同作用產(chǎn)生過電壓可是元件擊穿，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)斷過電壓保護(hù)第三章、電路參數(shù)計(jì)算、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=380Ud=1.17U2cosa當(dāng) a=0 時(shí)，Ud 取得最大值Ud=取負(fù)載電阻 R=100Q，貝 U 負(fù)載電流ld=Ud/R=510/100=0.51A二次側(cè)電流，有效值l2=

14、0.577ld=0.577*0.51=0.29A整流變壓器容量為P=3U2I2=3*435.9*0.29=379.2VA取 P=380VA14整流變壓器參數(shù)如下：15相數(shù)接法/Y-11 心容量 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 lt=(0.5-0.8)ld=(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Ikr 6I%*VA/U2*U2=0.034F取 C1=0.35F電阻 R1 為(3) 、交流側(cè)

15、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、1VA1126 .7C2-61%=6 6.5廠5F3U；3435 .92電阻 R2 為三相R1 _ 2 .3VT2 .3380126.72280門R2-3 2.3取 R2=1400Q16(4)、直流側(cè)阻容吸收裝置參數(shù)計(jì)算電容 C3 為171。|10020.0065 0.29C3= KC100一-7000 . 34050漢J3X435.9C -F U2電阻 R3 為KU2K RI0%,一0I21000.1.3 L3435-90 .0065 x 0 .291320門(5)、浪涌過電壓保護(hù)裝置參數(shù)計(jì)算壓敏電阻計(jì)算UIMA：- -

16、2U21.12 345.9 =423 -451V0.80.90.80.9(6)、晶閘管關(guān)斷過電壓保護(hù)電容 C4= (2-4) It*0.001=1-2 卩 F 電阻 R4 取 10Q第五章、電路Matlab/Simulink仿真、仿真電路三相半波整流電路 Matlab/Simulink 電路如圖 5-1 所示：18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)置通過公式 M=(n/6+a)

17、/2n*0.02 , 計(jì)算設(shè)定，其中 a 的范圍為 0-n/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=100C

18、ontinuouspowerguiJssrl JfeGS2VTnilJm廠 FlA令B令匚 I1【1920nrL. r-1 11rii i iiiiii圖5-3負(fù)載為R=100 L=1 a =門時(shí)的波形圖5-4負(fù)載為R=100 L=1e-3 a =30時(shí)的波形1(|血IWM1D2鳩訕Offi0106Iff?D.06Q曲11伽|瞄D21jrri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222324圖5-9負(fù)載為R=100 L=1 a =90時(shí)的波形(2)電感為L=10 R=100或1000變化時(shí)的波形比較圖5-10負(fù)載為L=10

19、 R=100 a =0時(shí)的波形25nrwaHEtD圖5-12負(fù)載為L=10 R=100 a =30時(shí)的波形26圖5-13負(fù)載為L=10 R=1000 a =30時(shí)的波形圖5-14負(fù)載為L=10 R=100 a =60時(shí)的波形fisfc09He000L=a0v_I天籍岐9LLO畫coCM28圖5-17負(fù)載為L=10 R=1000 a =90由以上波形可以看出：a 30 時(shí)，當(dāng) U2 過零時(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，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

20、分 0。若 a 繼續(xù)增大，Ud 波形中負(fù)的部分將增多，至 a=90o負(fù)載電流波形有一定的脈動(dòng)，但為簡化分析及定量計(jì)算，可將負(fù)載電流波形 近似為一條水平線。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EL01WQH曬陌an?啞amai2W曲D1 m時(shí)的波形29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) 覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會(huì)完成的。通過電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)課本專業(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)過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了三相半波整流電路的原理 及 MATLA 仿真電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在這個(gè)過程中我也遇到了困難，通過查閱資 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 過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了