三相橋式全控整流電路的MATLAB仿真

PAGEPAGE1-中北大學朔州校區(qū)電力電子技術課程設計說明書專業(yè):電氣工程及其自動化題目:三相橋式全控整流電路的設計與仿真（阻感負載）指導教師:?；鄯冀M長姓名：李昂學號1227034136組員姓名學號組員姓名：范錚學號1227034138組員姓名：崔少東學號1227034139組員姓名：王新嘉學號1227034129組員姓名：張藝學號1227034144組員姓名：于亮學號1227034153

2015年1月14日165121.概述 155811.1設計目的 1233031.2設計目標及設計要求 1227541.3設計進度 1245511.4分工 1198452.系統(tǒng)方案及主電路設計 2121172.1方案的選擇 2127622.2系統(tǒng)流程框圖 2127622.3主電路設計 3313923．控制、驅動電路設計 658283.1觸發(fā)電路簡介 6267863.2觸發(fā)電力設計要求 7150473.3過電壓保護 8227813.4過電流保護 1089814．系統(tǒng)MATLAB仿真 12150474.1MATLAB軟件介紹 12227814.2系統(tǒng)建模與參數(shù)設置 12227814.3系統(tǒng)仿真結果及分析 1989815．設計體會 1289816．參考文獻 120電源三相橋式全控整流電路直流電動機電源三相橋式全控整流電路直流電動機同步電路集成觸發(fā)器觸發(fā)信號觸發(fā)模塊2.3主電路設計圖2-1主電路原理圖2.3.1主電路原理分析晶閘管按從1至6的順序導通，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。編號如圖示，晶閘管的導通順序為VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。2.3.2三相全橋工作特點其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路，因此為保證電路啟動或電流斷續(xù)后能正常導通，必須對不同組別應到導通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，所以觸發(fā)脈沖的寬度應大于π／3的寬脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以可以采用脈沖列代替雙窄脈沖；每隔π／3換相一次，換相過程在共陰極組和共陽極組輪流進行，但只在同一組別中換相。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內6個管子的組合導通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共陰極組T1，T3，T5的脈沖依次相差2π／3；同一相的上下兩個橋臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脈沖相差π，給分析帶來了方便；當α=O時，輸出電壓一周期內的波形是6個線電壓的包絡線。所以輸出脈動直流電壓頻率是電源頻率的6倍，比三相半波電路高l倍，脈動減小，而且每次脈動的波形都一樣，故該電路又可稱為6脈動整流電路。同理，三相半波整流電路稱為3脈動整流電路。α>0時，的波形出現(xiàn)缺口，隨著α角的增大，缺口增大，輸出電壓平均值降低。當α=2π／3時，輸出電壓為零，所以電阻性負載時，α的移相范圍是O～2π／3；當O≤α≤π／3時，電流連續(xù)，每個晶閘管導通2π／3；當π／3≤α≤2π／3時，電流斷續(xù)，各晶閘管導通小于2π／3。當α=π／3是電阻性負載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點。2．3.3阻感負載時的波形分析三相橋式全控整流電路大多用于向阻感負載和反電動勢阻感負載供電（即用于直流電機傳動），下面主要分析阻感負載時的情況，因為帶反電動勢阻感負載的情況，與帶阻感負載的情況基本相同。當α≤60度時，波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于負載不同時，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同，電阻負載時波形與id的波形形狀一樣。而阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。圖2-2和圖2-3分別給出了三相橋式全控整流電路帶阻感負載α=0度和α=30度的波形。圖2-2中除給出波形和id波形外，還給出了晶閘管VT1電流iVT1的波形，可與帶電阻負載時的情況進行比較。由波形圖可見，在晶閘管VT1導通段，iVT1波形由負載電流id波形決定，和波形不同。圖2-3中除給出波形和id波形外，還給出了變壓器二次側a相電流的波形，在此不做具體分析。圖2-2觸發(fā)角為0度時的波形圖圖2-3觸發(fā)角為30時的波形圖當α＞60度時，阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，波形會出現(xiàn)負的部分。圖2-4給出了α=90度時的波形。若電感L值足夠大，中正負面積將基本相等，平均值近似為零。這說明，帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的α角移相范圍為90度。圖2-4觸發(fā)角為90時的波形圖2.3.4定量分析在以上的分析中已經(jīng)說明，整流輸出的波形在一周期內脈動6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1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載α≤60o時）的平均值為：電阻負載且α>60o時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為:當整流變壓器為圖2-1中所示采用星形聯(lián)結，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形如圖中所示，為正負半周各寬120o、前沿相差180o的矩形波，其有效值為：晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。3．控制、驅動電路設計3.1觸發(fā)電路簡介電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用良好的性能的驅動電路?？梢允闺娏﹄娮悠骷ぷ髟诒容^理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，對裝置的運行效率，可靠性和安全性都有很大的意義。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從截止轉變?yōu)閷ǎ晳T上稱為觸發(fā)控制。提供這個觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。它決定每一個晶閘管的觸發(fā)導通時刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個重要組成部分。晶閘管相控整流電路，通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。3.2觸發(fā)電路設計要求晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性：當晶閘管承受反向電壓時，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。根據(jù)晶閘管的這種特性，通過控制晶閘管的導通和關斷時刻，就能控制整流電路的觸發(fā)角的大小。在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為確保電路的正常工作，需保證同時導通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60o，脈寬一般為20o~30o，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖電路較復雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。觸發(fā)電路如圖3-1所示。圖3-1雙脈沖觸發(fā)電路雙脈沖信號的形成與控制用KJ041六路雙脈沖形成器完成，KJ041是三相全控橋式觸發(fā)線路中必備的電路，具有雙脈沖形成和電子開關控制封鎖功能。實用塊有電子開關控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。如圖3-1所示，KJ041的1-6腳管為單脈沖信號輸入。把單脈沖信號由10-15腳管兩兩同時輸出形成雙脈沖信號，10-15腳管兩兩同時輸出對應輸送給VT6-VT1晶閘管。（1）假設在t1時刻15腳管開始給VT1晶閘管輸送脈沖信號，則經(jīng)過60度后14腳管開始給VT2晶閘管雙脈沖信號，即只有15腳管和14腳管有信號輸出，其他腳管沒信號輸出，則此時VT1和VT2同時導通；（2）再過60度后，15腳管停止輸出信號，而13腳管開始給VT3輸出信號，即只有14腳管和13腳管有信號輸出，其他腳管沒信號輸出，此時VT2和VT3同時導通；（3）再過60度后，14腳管停止輸出信號，而12腳管開始給VT4輸出信號，即只有13腳管和12腳管有信號輸出，其他腳管沒有輸出信號，此時VT3和VT4同時導通；（4）再過60度后，13腳管停止輸出信號，而11腳管開始給VT5輸出信號，即只有12腳管和11腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT4和VT5同時導通；（5）再過60度后，12腳管停止輸出信號，而10腳管開始給VT6輸出信號，即只有11腳管和10腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT5和VT6同時導通；（6）再過60度后，11腳管停止輸出信號，而15腳管開始給VT1輸出信號，即只有10腳管和15腳管有信號輸出，其他腳管沒有信號輸出，此時VT6和VT1同時導通；重復以上步驟即得到三相橋式全控整流電路要求的觸發(fā)信號。3.3過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部因素。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程。對于過電壓保護部分，有交流側，直流側，以及器件兩端過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護。交流側過電壓保護有三種方法：采用避雷器、RC過電壓抑制電路和非線性元件。而RC過電壓抑制電路也就是阻容保護是比較常用的方法之一。阻容保護即在變壓器二次側并聯(lián)電阻R和電容C進行保護。圖3-3阻容過電壓保護電路的接法晶閘管設備在運行過程中會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲，同時設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)，所以要進行過電壓保護，可采用如圖3-3所示的反向阻斷式過電壓抑制RC保護電路。整流電路正常工作時，保護三相橋式整流器輸出端電壓為變壓器次級電壓的峰值，輸出電流很小，從而減小了保護元件的發(fā)熱。過電壓出現(xiàn)時，該整流橋用于提供吸收過電壓能量的通路，電容將吸取過電壓能量轉換為電場能量；過電壓消失后，電容經(jīng)、放電，將儲存的電場能量釋放，逐漸將電壓恢復到正常值。（2）直流側過電壓保護直流側也可能發(fā)生過電壓，在圖3-4，當快速熔斷器熔斷或直流快速開關切斷時，因直流側電抗器釋放儲能，會在整流器直流輸出端造成過電壓。另外，由于直流側快速開關（或熔斷器）切斷負載電流時，變壓器釋放的儲能也產(chǎn)生過電壓，盡管交流側保護裝置能適當?shù)乇Ｗo這種過電壓，仍會通過導通的晶閘管反饋到直流側來，為此，直流側也應該設置過電壓保護，用于抑制過電壓。直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護圖3-4直流側快速開關斷開或快速熔斷引起的過電壓（3）晶閘管過電壓保護由于晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正常電壓超過管子的正向轉折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅是電路工作失常，且多次硬開關也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護，我們使用阻容保護，電路如圖3-5。圖3-5阻容保護可查下面的經(jīng)驗值表確定阻容參數(shù)值。晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/μF0.250.512電阻/Ω1008040201052表阻容保護的數(shù)值(一般根據(jù)經(jīng)驗選定)3.4過電流保護電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。圖中給出了各種過電流保護措施及其配置位置，其中快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施。一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。圖3-6過電流保護措施及配置位置而采用快速熔斷器（簡稱快熔）是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施，其斷流時間一般小于10ms。。因此最佳方案是用快速熔斷器保護。當然，在選擇快熔時應考慮：圖3-6過電流保護措施及配置位置（1）快熔額定電壓不小于線路正常工作電壓的方均根值；快熔的額定電流應按它所保護的元件實際流過的電流（方均根值）來選擇，一般可按下式計算：(A)式中：——電流裕度系數(shù)，??；——環(huán)境溫度系數(shù)，??；——實際流過快速熔斷器的電流有效值。（2）快熔的安裝接入方式與特點如表所示，熔斷器接入方式特點熔斷器額定電流I備注熔斷器與每一個元件相串聯(lián)；可靠地保護每一個元件；熔斷器用量多，價格較高。為元件通態(tài)平均電流能在交流、直流和元件短路時起保護作用，對保護元件的可靠性稍有降低；熔斷器用量省、為整流輸出電流；為交流側線電流與之比。直流負載側故障時動作，元件短路時（內部短路）不能起保護作用。受電路L/R值影響很大表3-1熔斷器接入方式與特點其中取值為0.818。（3）快熔有一定的允許通過的能量值，元件也具有承受一定產(chǎn)值的能力。為了使快熔能可靠地保護元件，要求快熔的值在任何情況下都小于元件的值。其關系為式中：——快熔的允許能量值，可由產(chǎn)品說明書中查得；——元件的浪涌峰值電流的有效值，可由元件手冊中查得；——元件承受浪涌電流的半周時間，在50Hz情況下4．系統(tǒng)MATLAB仿真4.1MATLAB軟件介紹MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。4.2系統(tǒng)建模與參數(shù)設置（1）系統(tǒng)仿真。打開仿真參數(shù)窗口，選ode23tb算法，相對誤差設為1e-3，仿真開始時間為0，停止時間為0.08s；點擊“Start”命令，系統(tǒng)開始仿真。（2）輸出仿真結果。采用“示波器”模塊輸出方式，不同控制角α時的仿真參數(shù)設置和實驗波形，如圖：圖a0°觸控角參數(shù)設置0°阻感性負載參數(shù)設置0°波形圖圖b30°觸控角參數(shù)設置30°阻感性負載參數(shù)設置30°波形圖圖c