三相半波整流電路設計..

1、1晶閘管三相半波整流電路的設計與仿真說明書學院：電信工程學院班級：電氣工程及其自動化（2 2）班姓名：陳建龍學號：09230220092302202指導老師：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、 直流信號以及 觸發(fā)信號，同時包含晶閘管、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繁瑣，高壓情況下實驗也難順利進行。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果，直觀性強，進一步省去了編程的步驟。本文利用 Simulink

2、對三相半波整流電路進 行建模，對不同控制角、故障情況下進行了仿真分析，既進一步加深 了三相半波整流電路的理論，同時也為現(xiàn)代電力電子實驗教學奠定良 好的實驗基礎。關鍵詞：三相半波整流電路、晶閘管、MATLA 仿真3目錄第一章設計任務與設計要求.41、設計任務.42、設計要求.5第二章方案設計.6第三章系統(tǒng)設計.71、主電路設計.72、控制電路設計.93、保護電路設計 .12第四章系統(tǒng)參數(shù)計算.161、主電路參數(shù)計算 .162、保護電路參數(shù)計算 .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設計體會.29參考文獻.304第一章、設計任務及要求一、設計題目三相半波整

3、流電路的負載分析。二、設計目標及技術要求掌握三相半波整流電路的工作原理和分析方法，設計三相半波可控整流電 路；利用 MATLAB的 Simulink 對三相半波整流電路進行建模， 調(diào)整負載、觸發(fā) 角等參數(shù)進行系統(tǒng)仿真，輸出相關波形并分析實驗結果。三、給定仿真或實驗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負載性質(zhì)：電阻(10Q)電阻(10Q)、電感(10mH。四、具體設計過程要求(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計方法，制定三相半波可 控整流電路的設計方案。(3) 根據(jù)設計要求，選擇合適的器件，組建整

4、流主回路、控制回路。(4) 設計驅動電路、保護回路，并計算各器件參數(shù)。(5) 對系統(tǒng)進行建模、仿真，改變負載性質(zhì)和負載大小，觀察、繪制輸出 波形，并分析實驗結果。五、仿真、實驗結果分析要求等(1)熟悉 matlab/simulink/powersystem中的仿真模塊用法及功能；(2) 根據(jù)設計電路搭建仿真模型；(3) 設置不同負載參數(shù)并進行仿真；(4) 繪制不同觸發(fā)角時對應的電壓電流波形。六、設計的心得體會要求等附主要參考書目1、三相半波可控整流電路的負載分析5 & 第二章、設計方案單相可控整流電路結構簡單，對觸發(fā)電路要求較低，但其輸出直流脈動大， 對電網(wǎng)屬于非對稱負載，因此，一般只

5、用于中小容量的場合。如果負載容量較大， 或要求輸出之脈動較小時，應采用三相可控整流電路或多路整流電路，即變壓器 的一次側是三相的，而二次側是三相或多項的。這樣一方面對電網(wǎng)來講屬于對稱 負載，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。本設計按要求用三相半波整流電路。按控制要求，要實現(xiàn)負載電壓連續(xù)可調(diào)，可利用相控整流電路原理，把控制 信號的大小轉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 周期中導通的起始時刻，從而實現(xiàn)對整流電路輸出電壓平均值的控制。整體設計方案如圖 2-1 所示。第三章、系統(tǒng)設計一、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，變壓器二次側必須接成星 形，而一次側接成三角形，避免 3 次諧波電流流人電網(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。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載如圖 3-2，在 wtl、wt3、wt5 出對應著自然換相點，對該三相半波可控整 流電路而言，這三個自然換相點是其對應的晶閘管觸發(fā)導通的最早時刻，即自然換向點就是個晶閘管觸發(fā)角 a 的起點（a=0 的點，對應 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載時的電路及波形，假設

7、電感足夠大，負載保持連續(xù)且基本平直（近似為一條直線），電路已處于穩(wěn)態(tài)。當a n/6時，如果負載電感足夠大，電感儲能足夠大，電感儲能足以使晶閘管在U2 過零變負以后仍然維持導通，直到下一相的晶閘管觸發(fā)導通，才發(fā)生換流，也就是說, 在a n/6 時，由于電感的作用，仍然能使各相的晶閘管觸發(fā)導通 2n/3，從 而保證電流的連續(xù)，在這種情況下，Ud 的波形中會出現(xiàn)負的部分，隨著 a 的增 大，Ud 的波形中負的部分增多，至 a=n/2 時，Ud 波形中正負部分的面積相等，相當于 Ud 的平均值為零?？梢?，阻感負載時觸發(fā)角a 的移向范圍為 0-n/2基本數(shù)量關系:1）整流輸出電壓平均值 Ud 為UA=s

8、inaxdax= 1.17t72cosad2龍卜22o當 a=0 時，Ud=1.17U2 當 a=n/2 時，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、控制電路設計要實現(xiàn)負載電壓在 0-510V 之間連續(xù)可調(diào)，可利用相控整流電路的基本原理， 把控制信號的大小轉化為整流電流中個晶閘管的門極觸發(fā)角a,用以控制晶閘管在一個周期中導通的起始時刻，從而實現(xiàn)對整流電

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定信號幅值的脈沖信號，并按主電路結構形式為各晶閘管分配合適的脈沖， 這些脈沖經(jīng)驅動后作為晶閘管的門極 驅動信號，這樣只要改變設定信號幅值就能控制門極觸發(fā)脈沖發(fā)出時刻的相位， 從而實現(xiàn)對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)結構控移相驅3(23cos2 )232VT0.557 I電路定隔離電路圖 3-2 相控整流裝置系統(tǒng)結構圖 3-3 為典型移相控制電路系統(tǒng)結構移相脈脈沖門控制設疋電路圖 3-3 所示為一典型的脈沖形成原理圖沖UP整形%極I形-與分驅冋步信號成配環(huán)動環(huán)節(jié)節(jié)圖 3-3 典型移相控制電路系統(tǒng)結構圖

10、o10圖 3-3 典型的脈沖形成原理圖對三相半波可控整流電路，每個周期需要 3 個觸發(fā)脈沖，以便在每個周期相 同的時間間隔中，VTH1 ,VTH2 ,VTH3 輪流導通。本設計采用集成觸發(fā)芯片 KJ004, 設計電路如圖 3-4 所示。對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* 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、保護電路(1)過電流保護：可控硅允許的過電流能力較差，既是在短時間流過的短路電流或過載的電流 很小時，如不及時的切除，就會損壞可控硅元件，

11、因此，除了在選擇是留有充分 裕量外，還需采取恰當?shù)谋Ｗo措施。保護措施有：自動開關保護；快速熔斷器保護。圖 3-4 為可控硅快速熔斷器保護圖 3-4 可控硅快速熔斷器保護(2)過電壓保護：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，也會是元件損傷，因此必須采取有效措施。a、交流側過電壓保護GD112阻容吸收裝置變壓器拉閘時，由于磁通突然的減少，在副極繞組中產(chǎn)生一個很高的瞬變電 壓，嚴重時其峰值電壓可達正常值的 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b、直流側過電壓保護直流側過電壓是由于快速熔斷器熔斷時整流變壓器儲能的釋放和平波電抗 器的儲能的釋放引起的。1）、操作過電壓保護當快速熔斷器切斷過載電流時，由整流變壓器儲能釋放所產(chǎn)生的過電壓， 雖然交流側吸收裝置可以吸收一部分， 但變壓器過載比空載的儲能大，因此還會 有一部分能量通過導通的可控硅反映到直流側來，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。2）、浪涌過電壓保護由于電網(wǎng)受到雷擊或高于電源電壓的浪涌電壓侵入直流側，而阻容吸收裝置不一定能完全吸收，因而設置壓敏電阻作浪涌過電壓的保護。-H 1-1Ti1-TlT

13、713圖 3-6 直流側阻容吸收裝置C、可控硅關斷過電壓保護可控硅正向導通關斷時，由于空穴積蓄效應，使可控硅反向阻斷能力的恢復 需要一段時間，在這段時間里可控硅元件流過反向電流， 此反向電流接近終止時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 可控硅關斷過電壓保護第三章、電路參數(shù)計算、主電路參數(shù)計算1、整流變壓器參數(shù)計算按要求 U2=380Ud=1.17U2cosa當 a=0 時，Ud 取得最大值Ud=取負載電阻 R=100Q，貝 U 負載電流ld=Ud/R=510/100=0.51A二次側電流，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 原級電壓380V副級電壓435.9V2、晶閘管參數(shù)計算晶閘管額定正向平均電流計算 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算Vf=Vr=(5-8)U2=(2179.5-3487.2)V二、保護電路計算(1)、快速熔斷器參數(shù)計算Ikr 6I%*VA/U2*U2=0.034F取 C1=0.35F電阻 R1 為(3) 、交流側

15、變壓器副級阻容吸收裝置參數(shù)計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)、直流側阻容吸收裝置參數(shù)計算電容 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)、浪涌過電壓保護裝置參數(shù)計算壓敏電阻計算UIMA：- -

16、2U21.12 345.9 =423 -451V0.80.90.80.9(6)、晶閘管關斷過電壓保護電容 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)設置三相電源 a、b、c 電壓設為 220V,頻率設為 50Hz,相角依次設為 0、240、 120。2、觸發(fā)脈沖參數(shù)設置三相觸發(fā)脈沖 G1、G2 G3 的觸發(fā)角設置通過公式 M=(n/6+a)

17、/2n*0.02 , 計算設定，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 的幅值設置為 5,脈沖寬度設置為 5,脈沖周期設置為 0.02s。3、負載參數(shù)設置通過仿真發(fā)現(xiàn)負載電阻和電感的值決定著負載電流和電壓的大小和波形，電感太大二次側電流波形毛刺多，負載流電流幾乎平直，但電流上升速度慢，電感 太小負載電流波形不平滑，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。實驗波形如下圖所示：(1)、電阻 R=100 不變，電感 L=1 或 0.001 變化時的波形比較：1)、負載 R=100C

18、ontinuouspowerguiJssrl JfeGS2VTnilJm廠 FlA令B令匚 I1【1920nrL. r-1 11rii i iiiiii圖5-3負載為R=100 L=1 a =門時的波形圖5-4負載為R=100 L=1e-3 a =30時的波形1(|血IWM1D2鳩訕Offi0106Iff?D.06Q曲11伽|瞄D21jrri圖5-5負載為R=100 L=1 a =30時的波形圖5-6負載為R=100 L=1e-3 a =60時的波形222324圖5-9負載為R=100 L=1 a =90時的波形(2)電感為L=10 R=100或1000變化時的波形比較圖5-10負載為L=10

19、 R=100 a =0時的波形25nrwaHEtD圖5-12負載為L=10 R=100 a =30時的波形26圖5-13負載為L=10 R=1000 a =30時的波形圖5-14負載為L=10 R=100 a =60時的波形fisfc09He000L=a0v_I天籍岐9LLO畫coCM28圖5-17負載為L=10 R=1000 a =90由以上波形可以看出：a 30 時，當 U2 過零時，由于電感的存在，阻止電流下降，因而 VT1 繼續(xù) 導通，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 導通向負載 供電，同時向 VT1 施加反壓使其關斷。這種情況下 Ud 波形中出現(xiàn)負的部

20、分 0。若 a 繼續(xù)增大，Ud 波形中負的部分將增多，至 a=90o負載電流波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將負載電流波形 近似為一條水平線。阻感負載時的移相范圍為 90。設計體會這次電力電子技術課程設計， 讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到 實際中。并通過對知識的綜合利用，進行必要的分析，比較。從而進一步驗證了 所學的理EL01WQH曬陌an?啞amai2W曲D1 m時的波形29論知識。指導我們在以后的學習，多動腦的同時，要善于自己去發(fā)現(xiàn)并 解決問題。這次的課程設計，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在你拿到題目時會 覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理 論知識的學習，在此次課程設計中，真正做到了自己查閱資料、完成一個基本的 設計任務。在此次的設計過程中，我更進一步地熟悉了三相半波整流電路的原理 及 MATLA 仿真電路的設計。當然，在這個過程中我也遇到了困難，通過查閱資 料，相互討論，我準確地找出錯誤所在并及時糾正了，這也是我最大的收獲，使 自己的實踐能力有了進一步的提高， 讓我對以后的工作學習有了更大的信心。 通 過這次課程設計使我懂得了