三相橋式可控整流電路設計

第1章緒論1.1設計目的1、熟悉掌握MATLAB軟件及其可視化仿真軟件Simulink工具分析的操作方法。2、根據(jù)三項橋式全控整流電路的仿真方案，確定其帶阻感性負載時的輸出電壓與電流的特點。1.2設計任務制定設計方案，使用SIMULINK建立三相橋式整流電路的模型，正確選擇合理器件并進行參數(shù)設置，仿真獲得的三相橋式整流電路在電阻負載和阻感負載情況下不同觸發(fā)角時對應電壓電流的波形；1.3MATLAB應用簡介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。1.4Simulink的應用Simulink是基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學來描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船舶及汽車動力學系統(tǒng)等等，其中包括連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等等。Simulink提供了利用鼠標拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且Simulink還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。第2章三相橋式全控整流電路的設計2.1主電路設計及原理其原理圖如圖1所示。圖2-1主電路原理圖2.2主電路原理及其說明整流電路的負載為帶反電動勢的阻感負載。假設將電路中的晶閘管換作二極管，這種情況也就相當于晶閘管觸發(fā)角α=0o時的情況。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖2-2所示。圖2-2反電動勢波形α=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud=ud1－ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的是最小（負得最多）的相電壓，輸出整流電壓ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡線。由于負載端接得有電感且電感的阻值趨于無窮大，電感對電流變化有抗拒作用。流過電感器件的電流變化時，在其兩端產(chǎn)生感應電動勢Li，它的極性事阻止電流變化的。當電流增加時，它的極性阻止電流增加，當電流減小時，它的極性反過來阻止電流減小。電感的這種作用使得電流波形變得平直，電感無窮大時趨于一條平直的直線。圖2-3

給出了α=30o時的波形。從ωt1角開始把一個周期等分為6段，每段為60o與α＝0o時的情況相比，一周期中ud波形仍由6段線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律。區(qū)別在于，晶閘管起始導通時刻推遲了30o,組成

ud

的每一段線電壓因此推遲30o，ud平均值降低。晶閘管電壓波形也相應發(fā)生變化如圖所示。圖中同時給出了變壓器二次側(cè)a相電流

ia

的波形，該波形的特點是，在VT1處于通態(tài)的120o期間，ia為正，由于大電感的作用，ia波形的形狀近似為一條直線，在VT4處于通態(tài)的120o期間，ia波形的形狀也近似為一條直線，但為負值。圖2-3α=30o時的波形由以上分析可見，當α≤60o時，ud波形均連續(xù)，對于帶大電感的反電動勢，id波形由于電感的作用為一條平滑的直線并且也連續(xù)。當α＞60o時，如α＝90o時電阻負載情況下的工作波形如圖4所示，ud平均值繼續(xù)降低，由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使得ud的值出現(xiàn)負值，當電感足夠大時，ud中正負面積基本相等，ud平均值近似為零。這說明帶阻感的反電動勢的三相橋式全控整流電路的α角的移相范圍為90度。圖2-4α＝90o時的波形2.3三相橋式整流電路特點三相橋式全控整流電路特點:1.共陰極組電路和共陽極組電路串聯(lián)，并接到變壓器次級繞組上。2.三相橋是電路中變壓器繞組中，一周汽機油正向電流，又有反向電流，提高了變壓器的利用率，避免直流磁化。3.三相橋式整流電路時兩組三相半波整流電路的串聯(lián)，因此輸出電壓是三相半波的兩倍。4.三相橋式全控整流電路的共陰極組和共陽極組必須各有一個晶閘管同時導通才能形成通路，且不可同相。5.對共陰極組正半周觸發(fā)，依次互差1200，對共陽極組負半周觸發(fā)，依次互差1200。6.接在同一相的兩個晶閘管觸發(fā)脈沖相位差1800。7.為保證電源合閘或電流斷續(xù)情況正常工作，觸發(fā)脈沖應采用雙脈沖或?qū)挾却笥?0度的寬脈沖。第3章觸發(fā)電路的設計3.1電路圖的選擇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(diào)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。設計圖如下圖3-1雙脈沖觸發(fā)電路

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。3.2觸發(fā)電路原理說明如圖3-1所示，觸發(fā)電壓的形成用KJ004芯片完成。KJ004電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電原理見下圖：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1,流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY,只有改變權電阻R1、R2的比例,調(diào)節(jié)相應的偏移電壓VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器RW1,可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型,即移相電壓增加,導通角增大，R7和C2形成微分電路,改變R7和C2的值可以獲得不同的脈沖輸出。KJ004芯片內(nèi)部結(jié)構如圖3-2所示。圖3-2KJ004芯片內(nèi)部解構第4章仿真設計與參數(shù)整定4.1仿真元件的選擇打開MATLAB軟件中simulink元件庫，單擊開始按鈕,選擇simulink、SimPowerSystem。彈出電力系統(tǒng)元件庫對話框如圖4-1。圖4-1元件庫4.2常數(shù)發(fā)生器設置從commonlyusedblocks找出constank，觸發(fā)角使用一個常數(shù)發(fā)生器設置，數(shù)值設置分別為0、30、60、90、120，如圖4-2；圖4-2常數(shù)發(fā)生器參數(shù)設置4.3交流電壓源設置從SimpowerSystems中找到ACVoltageSource元件，更改參數(shù)設置，如圖4-3；圖4-3交流電壓源參數(shù)

4.4晶閘管元件設置從SimPowerSytems找到UniversalBridge，并進行參數(shù)修改，如圖4-4；圖4-4晶閘管參數(shù)

4.5同步6脈沖發(fā)生器元件設置從SimPowerSytems找到Synchronized6-PulseGenerator，并進行參數(shù)修改，如圖4-5；圖4-5同步6脈沖發(fā)生器參數(shù)4.6仿真參數(shù)設置設置時間為0.0到0.1之間，在電路圖菜單中選擇仿真菜單，彈出仿真參數(shù)對話框，進行如圖4-6的參數(shù)修改；圖4-6仿真參數(shù)第5章仿真結(jié)果分析5.1仿真結(jié)果當三相橋式全控整流電路為電阻性負載時，設定觸發(fā)角分別為0°、30°、60°、90°，應用軟件得到不同的仿真圖形；（1）當觸發(fā)角=0°時，波形如圖5-1圖5-1觸發(fā)角=0°輸出電壓電流波形（2）當觸發(fā)角=30°時，波形如圖5-2；圖5-2觸發(fā)角=30°輸出電壓電流波形當觸發(fā)角=60°，波形如圖5-3；圖5-3觸發(fā)角=60°輸出電壓電流波形當觸發(fā)角=90°，波形如圖5-4圖5-4觸發(fā)角發(fā)角=90°輸出電壓電流波形

2.當三相橋式全控整流電路為阻感性負載時，觸發(fā)角分別設定為0°30°、60°、90°，應用軟件得到以下輸出電壓及電流的仿真波形。（1）當觸發(fā)角=0°時，輸出電壓及電流的仿真波形如圖5-5；圖5-5觸發(fā)角=0°輸出電壓電流波形當觸發(fā)角=30°時，輸出電壓及電流的仿真波形如圖5-6；圖5-6觸發(fā)角=30°輸出電壓電流波形

（3）當觸發(fā)角=60°，輸出電壓及電流的仿真波形如圖5-7；圖5-7觸發(fā)角=60°輸出電壓電流波形當觸發(fā)角=90°，輸出電壓及電流的仿真波形如圖5-8圖5-8觸發(fā)角=90°輸出電壓電流波形從圖中可知當觸發(fā)角=00～30°時，電壓的波形與帶電阻性負載的波形基本相同，電流波形不再與電壓波形一直，當觸發(fā)角=60°時電壓波形中出現(xiàn)負值但由于正值的部分大于負值，所以平均電壓還是為正，但輸出電壓平均值比之前在減小，當增大到90o時，電壓波形正負峰值對等，說明電壓平均值為0，電流波形也趨近于零。所以在阻感性負載時三相橋式全控整流電路的觸發(fā)角移相范圍為0～900?？偨Y(jié)對于此次設計讓我通過驗證得知，對于三相橋式全控整流電路輸出的電壓與電流受控與負載的性質(zhì)和觸發(fā)角的偏移大小。在純電阻性負載時，輸出的電壓與電流波形基本為一致，隨著角逐漸的增加輸出的電壓與電流波形出現(xiàn)了劇變的現(xiàn)象，且當角增大到120度時輸出的電壓與電流波形全部為零，所以帶電阻性負載的觸發(fā)角偏移范圍是0～1200。對于帶組感性負載時其中的電感作用是使負載電流趨于平穩(wěn)保持連續(xù)。除了觸發(fā)角=00～30°時，電壓的波形與帶電阻性負載的波形基本相同以外，阻感性負載的電流波形都不再與電壓波形一直，當觸發(fā)角=60°時電壓波形中出現(xiàn)負值但由于正值的部分大于負值，所以平均電壓還是為正，但輸出電壓平均值比之前在減小，當增大到90o時，電壓波形正負峰值對等，說明電壓平均值為0，電流波形也趨近于零。所以在阻感性負載時三相橋式全控整流電路的觸發(fā)角移相范圍為0～900。致謝設計，給人以創(chuàng)作的沖動。在畫家眼里，設計是一幅清明上河圖或是一幅向日葵；在建筑師眼中，設計是昔日鎏金般的圓明園或是今日一塑自由女神像；在電子工程師心中，設計是貝爾實驗室的電話機或是華為的程控交換機。凡此種種，但凡涉及設計都是一件良好的事情，因為她能給人以美的幻想，因為她能給人以金般財富，因為她能給人以成就之感，更為現(xiàn)實的是她能給人以成長以及成長所需的營養(yǎng)，而這種營養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。我就是以此心態(tài)對待此次《電子技術》課程設計的，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，在這次的課程設計中我不光學到了知識，還深切體會到了團結(jié)互助的重要性，由于這次三相橋式全控整流電路設計的復雜，在做的過程中我遇到了這樣那樣的困難，但是因為老師不厭其煩的講解，讓我體會到了對于科學的嚴謹，一絲不茍的態(tài)度，同學們互相友愛的幫忙，讓我體會到了團結(jié)才是力量之源，這些困難在你們的幫助下都仿佛不再是困難，有了你們我不再是孤軍奮戰(zhàn)，對此我要對曲娜主任和幫助過我的同學們真誠的說句謝謝你們。參考文獻[1]潘湘高.基于MATLAB的電力電子電路建模仿真方法的研究.計算機仿真，第20卷第5期[2]薛定宇、陳陽泉.基于MATLAB／Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用.北京：清華大學出版社，2002[3]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真