三相半波整流電路設計及計算機仿真

1、晶閘管三相橋式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）班姓名：陳建龍學號：09230220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，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對三相半波整流電路進 行建模，對不同

2、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)參數計算161 、主電路參數計算 162 、保護電路參數計算 17第五章系統(tǒng)仿真191 、仿真電路192 、仿真參數193 、仿真波形20設計體會29參考文獻30第一章、設計任務及要求一、設計內容計算機仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點，已經廣泛應用

3、于電力電子電路（或系統(tǒng)）的分析和設計中。計算機仿 真不僅可以取代系統(tǒng)繁瑣的人工分析， 減輕勞動強度，提高分析和設 計能力，避免因為解析法在近似處理中帶來的較大誤差，還可以與實物試制和調試相互補充，最大限度的降低設計成本，縮短系統(tǒng)調制周 期。通過本次仿真，學生可以初步認識電力電子計算機仿真的優(yōu)勢， 并掌握電力電子計算機仿真的基本方法。1 、晶閘管三相半波可控整流電路，參數要求：電網頻率f=50Hz ；電網額定電壓U1=380V電網電壓波動正負10%阻感負載電壓波動0 510V連續(xù)可調。2 、設計內容（1）制定設計方案；（2）主電路的設計及主電路元件的選擇（3）驅動電路和保護電路設計及參數計算（4

4、）繪制電路原理圖 （5）總體電路原理圖及說明二、設計要求1、仿真任務要求（1）熟悉 matlab/simulink/powersystem中的仿真模塊用法和功能（2）根據設計電路搭建仿真模型（3）設置參數并進行仿真（4）給出不同觸發(fā)角時對應ud、id、i2和iVT1的波形。2、設計的總體要求（1）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運用所學的理論知識分析設計任務；（2）掌握基本電路的數據分析、處理，描繪波形并加以判斷；（3）能正確設計電路，畫出線路圖，分析電路原理；（4）廣泛收集相關技術資料；（5）按時完成課程設計任務，認真、正確的書寫課程設計報告第二章、設計方案單相可控整流電路結構簡單，對觸發(fā)

5、電路要求較低，但其輸出直 流脈動大，對電網屬于非對稱負載，因此，一般只用于中小容量的場 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，要實現負載電壓連續(xù)可調，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， 從而實現對整流電路 輸出電壓平均值的控制。整體設計方案如圖2-

6、1所示。圖2-1總體框架第三章、系統(tǒng)設計1、主電路三相半波可控整流電路如圖3-1所示。為得到零線，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。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。b八<WWT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圖3-2二次側電壓波形如圖3-1為三相半波整流電路帶阻感性負載時的電路

7、及波 形，假設電感足夠大，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，電路工作波形與電阻負載一樣， 負載電流均連續(xù)；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的波形中會出現負的部分，隨 著a的增大，Ud的波形中負的部分增多，至a=n 12時，Ud波形中 正負部分的面積相等，相當于 Ud的平均值為零。可見

8、，阻感負載時 觸發(fā)角a的移向范圍為0- n 12。基本數量關系：1）整流輸出電壓平均值Ud為Ud = p a4iu2 sintatdot = 1.17t/2 cos a當a=0時，Ud=1.17U2,當a=n 12時，Ud=0,可見觸發(fā)角a的移向范圍為0- n 12。2）整流輸出電壓有效值U為3）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 ldvt=ld/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：IVT二 0.557 Id2、控制電路設計要實現負載電壓在0-510V之間連續(xù)可調，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

9、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，從而實現對整流電路輸出電壓平均值的控制。移向控制電路就是用來產生前沿相 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，從而實現對整流電路輸出電壓平均值的調控。圖3-2相控整流裝置系統(tǒng)結構圖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沖UP整形%極血1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)結構圖圖3-3所示為一典型的脈沖形成原理圖。IU

10、p0L> wfUgwt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。如圖3-5為直流供電電路:圖3-5直流供電電路3、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，因此， 除了在選擇是留有充分裕量外，還需采取恰當的保護措施。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

11、快速熔斷器保護GD1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 吸收裝置可將過電壓降低到正常的 1.25倍。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

12、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。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 1

13、很大，與線路電感共同作用產生過電壓可di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 阻容吸收裝置。*.C1R圖3-7可控硅關斷過電壓保護第三章電路參數計算一、主電路參數計算1、整流變壓器參數計算按要求負載電壓在0-510V之間連續(xù)可調，負載電壓Ud=1.17U2cosa當a=0時，Ud取得最大值510V,則變壓器二次側電壓U2=435.9V取負載電阻R=1O0Q，貝S負載電流Id二Ud/R=510/100=0.51A二次側電流，有效值1=0.29A整流變壓器容量為取 P=380VA整流變壓器參數如下：相數三相接法/Y-11容量380VA原級電壓380V副級電壓435.9V2、

14、晶閘管參數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二Vr=(5-8)U2=(2179.5-3487.2)V二、保護電路計算(1) 、快速熔斷器參數計算則應選額定電壓為500V，額定電流為2A的熔斷器(2) 、交流側變壓器原級阻容吸收裝置參數計算變壓器每相VA數為：VA=380/3 =126.67VA阻容保護采用三角形接線，則電容C1為C1 為l%*VA/U2*U2=0.034F取 C1=0.35F電阻R1為R1 _ 2 .3VT2 .3126.7=2280門3802(3) 、交流側變壓器

15、副級阻容吸收裝置參數計算阻容吸收裝置采用三角形接法電容C2為C2 - 161 0 % VA2 = 1 6 6.5 126 .72 = 5F3U 23435 .9電阻R2為R2-3 2.3 U2 Uk%=142o Q 取 R2=1400QVT . I0%(4) 、直流側阻容吸收裝置參數計算Io%I1 2C _ K 100F U2電容C3為700030.0065 0.29 =40呻50漢 J3 匯 435.9電阻R3為U 2K R io%.2 i一0I 2100、 3435. 9"0 . 1、30 . 00650 . 291320 門(5) 、浪涌過電壓保護裝置參數計算壓敏電阻計算mm&

16、#174; 2“0；02 34®423 一451V(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:powerguiContinudu圖5-1三相半波整流電路Matlab/Simulink 電路二、仿真參數1、電源參數設置三相電源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、2 n *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、負載參數設置通過仿真發(fā)現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=100圖5-2負載為R=10

18、0 L=1e-3 a = H時的波形nrlr-1 11r i i i ii i i i i1(|血IWM1D2鳩訕Offi0106Iff?D.06Q 曲11伽|瞄D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jrri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 R=100 a =0 時的波形nr<waHE«t

19、D圖5-12負載為L=10 R=100 a =30 時的波形圖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fisfc 09He000L=a0v_I天籍岐 9LLO畫EL01WQH曬陌an?啞amai2W曲 D1 m圖5-17負載為L=10 R=1000 a =90 時的波形由以上波形可以看出：a <30時，整流電壓波形與電阻負載時相同。因為兩種負載情 況下，負載電流均連續(xù)。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

20、通向負載供電，同時向VT1施加反壓使其關斷。這種情 況下Ud波形中出現負的部分0。若a繼續(xù)增大，Ud波形中負的部分將增多，至 a=90°。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 MATLAB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