三相半波整流電路課程設計

1、三相半波整流電路一、 引言 隨著時代的進步和科技的發(fā)展，拖動控制的電機調速系統(tǒng)在工農業(yè)生產、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機調速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機被廣泛應用于調速系統(tǒng)中，而且一直在調速領域占居主導地位，這主要是因為直流電機不僅調速方便，而且在磁場一定的條件下，轉速和電樞電壓成正比，轉矩容易被控制；同時具有良好的起動性能，能較平滑和經濟地調節(jié)速度。因此采用直流電機調速可以得到良好的動態(tài)特性。整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?，電路形式多種多樣。當整流負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，應采用三相整流電路。其交流側由三相電源供電。

2、三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波的基礎上進行分析。 由于直流電動機具有優(yōu)良的起、制動性能，宜與在廣泛范圍內平滑調速。在軋鋼機、礦井卷機、挖掘機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控硅電力拖動的領域中得到廣泛應用。近年來交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動系統(tǒng)的基礎，長期以來，由于直流調速拖動系統(tǒng)的性能指標優(yōu)于交流調速系統(tǒng)。因此，直流調速系統(tǒng)一直在調速系統(tǒng)領域內占重要位置。國內三相半

3、波可控整流電路技術不夠熟練，設備不夠先進。國外的三相半波可控整流電路設備完善技術比較熟練。二、 設計任務設計一三相半波整流電路，直流電動機負載，電機技術數(shù)據(jù)如下：Unom=220V，Inom=308A，nnom=1000r/min，Ce=0.196V min/r，Ra=0.18。（1）方案設計。（2）完成主電路的原理分析，過主要元件的選擇。（3）觸發(fā)電路保護電路的設計。（4）利用MATLAB仿真軟件建模并仿真，獲取電壓電流波形，對結果進行分析。（5）撰寫設計說明書。三、設計方案選擇及論證本文主要完成三相半波整流電路的設計，通過MATLAB軟件的SIMULINK模塊建模并仿真，進而得到仿真電壓電

4、流波形。分析采用三相半波整流電路反電動勢負載電路，如圖1所示。為了得到零線，變壓器二次側必須接成星形，而一次側接成三角形，避免3次諧波流入電網。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。 圖1 三相半波整流電路共陰極接法反電動勢負載原理圖直流電動機負載除本身有電阻、電感外，還有一個反電動勢E。如果暫不考慮電動機的電樞電感時，則只有當晶閘管導通相的變壓器二次電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流輸出。此時負載電流時斷續(xù)的，這對整流電路和電動機負載的工作都是不利的，實際應用中要盡量避免出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的工作情況。四、總體電路設計2.1

5、主電路組成三相半波整流電路主要由變壓器、半波整整流流晶閘管及各級保護電路組成。由于電網電壓通常與直流電機工作的正常電壓，存在差別所以通常在整流變換是需要對電網電壓進行變壓，此外為了減少整流電路的多次諧波，通常變壓器需要三角形Y接法，此外由于晶閘管在整流工作過程中存在過電壓、過電流快速關斷、快速導通的過程，所以需要在主電路中設置過電壓、過電流以及緩沖電路，具體框圖如下：電網變壓器整流電路負載過電壓抑制電路緩沖電路過電流保護五、各功能模塊電路設計5.1觸發(fā)電路的設計 如圖5所示為觸發(fā)電路。由三片集成觸發(fā)電路芯片KJ004和一片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KJ041形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大

6、，即構成完整的。觸發(fā)電路產生的觸發(fā)信號用接插線與主電路各晶閘管相連接。該電路可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。圖5 三相半波整流電路觸發(fā)電路5.2保護電路的設計電力電子電路中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。過電壓保護一般采用RC過電壓抑制電路，RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩端或電力電子電路的直流側。過電流保護分為過載和短路兩種情況，一般過電流保護措施常采用快速熔斷器、直流快速熔斷器和電流繼電器。在本設計的保護電路中對變壓器一次側和二次側分別加上熔斷器對其進行保護，對電機加上一個過載保護熔斷器，如圖6所示。圖6 保護電路的設計由于三相半波整流電路中晶

7、閘管需要在不同的時候導通，而且要保持與三相交流電頻率保持一致，所以需要具體設計觸發(fā)晶閘管的導通脈沖。本設計中采用Kj004脈沖觸發(fā)集成芯片實現(xiàn)，集成芯片具有可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便等特點而受到廣泛應用。其脈沖形成原理與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似, 分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)其內部原理圖見圖3-3：圖3-3 KJ004觸發(fā)芯片內部原理圖觸發(fā)電路的定相問題，觸發(fā)電路應保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系其具體措施如下：(1) 同步變壓器原邊接入為主電路供電的電網，保證頻率一致(2) 觸發(fā)電路定相的關

8、鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關系(3) 同步信號負半周的起點對應于鋸齒波的起點，通常使鋸齒波的上升段為240°，上升段起始的30°和終了的30°線性度不好，舍去不用，使用中間的180°。(4) 使Ud=0的觸發(fā)角a 為90°。當a <90°時為整流工作， a >90°時為逆變工作(5) 將a =90°確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前向后各有90°的移相范圍。于是a =90°與同步電壓的300°對應，也就是a =0°與同步電壓的210°對應。由圖2-5

9、8及2.2節(jié)關于三相橋的介紹可知， a =0°對應于ua的30°的位置，則同步信號的180°與ua的0°對應。(6) 變壓器接法：主電路整流變壓器為D,y-11聯(lián)結，同步變壓器為D,y-11,5聯(lián)結具體外部電路實現(xiàn)見電路原理圖部分。3.3保護電路的設計3.3.1過電壓保護電路設計電力電子裝置在實際工作中，由于工作環(huán)境的影響，可能存在過電壓過電流運行的情況，所以我們在設計電路中要先考慮到這些因素并采取一定防御措施，一般情況下可能的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓。Ø 外因過電壓(1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起(2) 雷擊過電壓

10、16; 內因過電壓(1) 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓(2) 關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓，對于晶閘管來說由于晶閘管的關斷是考電網電壓變化關斷的所以不存在關斷過電壓。外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結方式見下圖3-4，RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側（供電網一側稱網側，電力電子電路一側稱閥側），或電力電子電路的直流側。對于大容量電力電子裝置可采用圖4-5所示的反向

11、阻斷式RC電路，本設計電路中考慮到直流電機工作電壓較高，電流較大所以采用反向阻斷式RC過電壓保護電路。其工作原理為保護電路中，RC電路對于電網電壓有一定的鉗位作用，使得電網中電壓不至于發(fā)生劇烈變化，當電網電壓發(fā)生大的變化是，電容的滿充電效應會阻止電網電壓變化，從而起到一直電網電壓沖擊的作用，但是電網電壓長期較高時，電容充放電不足以抵消電網電壓變化作用，從而失去保護效能。圖3-4 過電壓抑制RC電路 圖3-5過電壓抑制電路3.3.2過電流保護電路設計當電力電子裝置所在電路發(fā)生短路或電機等負載出現(xiàn)過載時，就會出現(xiàn)過流現(xiàn)象。常用措施是采用快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器，通常情況下同時采用幾

12、種過電流保護措施，提高可靠性和合理性，電力電子裝置相對于其他電路裝置更為脆弱，所以電子電路通常作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施，選擇快熔時應考慮如下因素：(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定(3)快熔的I 2t值應小于被保護器件的允許I 2t值(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間-電流特性電機工作中通常只會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，本設計中采用熔斷器保護，分別在電網側和直流側設置

13、過流保護熔斷器，實現(xiàn)過流保護。具體電路見附錄中總電路圖部分。3.3.3緩沖電路的設計電力電子裝置，由于頻繁開通或關斷，因而會產生開通或關斷的瞬間電壓電流變化，這一過程通常會導致電力電子器件的老化或損壞，所以要設置緩沖電路，緩沖電路（吸收電路）：是用來抑制器件的內因過電壓、du/dt、過電流和，減小器件的開關損耗。緩沖電路分為關斷緩沖和開通緩沖，其中：關斷緩沖電路（抑制電路）吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗通常緩沖電路專指關斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。對于

14、三相半波整流電路，只需考慮開通緩沖電路即可。具體設計為在晶閘管兩端并聯(lián)一個RC支路，抑制晶閘管開通瞬間的du/dt作用。在整流電路中加入LRD并聯(lián)支路來抑制開通過程中的di/dt。電路如圖圖3-6 du/dt抑制電路 圖3-7 di/dt抑制電路圖3-6 du/dt抑制電路 圖3-7 di/dt抑制電路4.仿真實現(xiàn)本設計電路中幾乎所有元件都可以在MATLAB找到原型，但那是由于直流電機所需參數(shù)很多，而設計要求中所給條件，無法具體確定直流電機的所有參數(shù)，所以無法用直流電機直接仿真。但是在各種電路書中我們了解到，電機實際上可由帶有電壓源的電感和電阻代替，所以仿真部分我們把直流電機負載等效為電壓源、

15、電阻和電感的串聯(lián)。另外由于沒有三相晶閘管的觸發(fā)電路仿真模型，所以需要用脈沖發(fā)生器代替晶閘管的脈沖觸發(fā)電路仿真電路圖見圖4-1圖4-1仿真原理圖4.1脈沖波形仿真分析由于變壓器所輸送的電壓，高于實際電機正常工作的電壓，所以整流輸出電壓要適圖4-2對應各相輸入電壓波形與觸發(fā)脈沖位置比較（正弦波分別為a、b、c三相）當?shù)慕祲禾幚?，利用晶閘管的單向導電性，適當調整觸發(fā)角，使晶閘管延遲導通，從而當調整整流輸出電壓。如圖 4-2為觸發(fā)角為30°時脈沖輸出波形與輸入電壓波形比較圖。在觸發(fā)電路設計中我們知道，觸發(fā)脈沖與輸入電壓是同頻率的，設置觸發(fā)脈沖到來時間，就可以設置晶閘管的導通時刻，但是觸發(fā)脈沖

16、時間上又有所限制，至少要在三相電壓的自然換向點之后觸發(fā)才能實現(xiàn)整流輸出。即當觸發(fā)角為0°時，脈沖觸發(fā)初始時刻應該為30°。當=30°事觸發(fā)脈沖的初始角為60°。具體第一個晶閘管脈沖發(fā)生時間計算方法為：（其中為脈沖發(fā)生初始角=+30°） (4-1)其后個晶閘管的脈沖發(fā)生時間依次延后120°角度。由三相半波整流電路輸出電壓與輸入電壓關系公式我們可以知道，觸發(fā)角愈大則輸出電壓愈小。當實際輸出電壓但與電機正常過坐的額定電壓時，我們可以適當調整觸發(fā)角，降低整流輸出電壓，反之則適當減小觸發(fā)角，這樣就可以通過調整觸發(fā)角實現(xiàn)電機控制電壓的調節(jié)。此外由

17、于三個晶閘管的陰極和陽極接在不同的輸出電壓相位上，所以一個周期內每個晶閘管的導通時刻是不同的，所以觸發(fā)脈沖產生的時刻也不同，其中VT1最先導通VT2、VT3依次滯后120°，具體的波形我們可以從圖4-2中看到。4.2整流輸出波形仿真分析經過晶閘管三相半波整流輸出后，輸出電壓電流變?yōu)橹绷鳌＞чl管要求在三相自然換向點以后進行觸發(fā)，當負載為純電阻性負載時輸出電壓與電流波形完全一致，由于本電路中所帶負載為電動機負載，所以輸出電壓波形與輸出電流波形不一致，具體輸出波形與三相交流輸出波形關系如圖4-3所示。從圖中我們可以看到當觸發(fā)角為30°時輸出電壓并沒有負值但是最低電壓降到了零（紅色

18、線為輸出電壓波形曲線），此時輸出電壓處于全部為正和出現(xiàn)負值的臨界狀態(tài)，當繼續(xù)增大觸發(fā)角時，我們就可以發(fā)現(xiàn)整流輸出電壓出現(xiàn)負值的結果如圖4-4為觸發(fā)角為60°時的輸出波形。圖中黃色線為輸出電流變化曲線，我們可以看到電流在初始刻為緩慢上升的，最終趨于水平，當整流電路接電動機負載時由于電機的阻抗作用，輸出電流變化不大，并最終趨于水平，另外由于本電路設計時考慮到電流的連續(xù)性問題，即加入了續(xù)流電感，它同樣可以對輸出電流起到平波的作用。圖4-3整流輸出波形與三相交流輸出波形關系圖4-4.3晶閘管工作參數(shù)仿真分析有晶閘管的工作特點我們可以知道，當晶閘管導通時，其兩端電壓為零，而此時流過晶閘管的電流

19、即為負載電流值。當晶閘管截止時流過晶閘管的電流值為零，但是有與晶閘管接在兩相電壓之間所以要承受的最大電壓是線電壓峰值，圖4-5為仿真波形圖，可以看到晶閘管工作過程中的，電壓、電流情形。圖4-5晶閘管的工作時電壓電流波形圖（正弦波為ab間線電壓）2.2電路參數(shù)的確定根據(jù)所給的設計要求,首先計算出滿足設計要求的電路參數(shù)。2.2.1續(xù)流電感及變壓器參數(shù)確定根據(jù)電機的正常工作狀態(tài)參數(shù)，可得正常工作條件下直流電機反電動勢為：Em=Ce·n=0.132*1460=192.7 (2-1)對于三相橋式半控整流帶電動機負載的電路系統(tǒng)，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量L（mH）為：L=1.46×

20、;UIdmin (2-2)其中L-包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感。前者數(shù)值都較小，有時可忽略。Id的最小值Idmin一般去電動機額定電流的5%10%。則有： (2-3)供電電源電壓計算公式為 (2-4)其中 U2為變壓器輸出電壓 E為電機正常工作的反電動式即E= Unom 為觸發(fā)角 Rrec為回路總電阻 Inom為回路工作電流由負載電機參數(shù)，Unom=220V，Inom=136A，R=0.5考慮到電路中其他元器件的分壓這里取R=1則有： （2-5） 變壓器二次側電流有效值：I2=13×Id=13×136=78.52(A) （2-6）顯然選用輸出端電壓大于

21、304V的變壓器，方可滿足供電要求，聯(lián)系實際應選擇二次側輸出電壓為380V的變壓器。由半波整流變壓器一次測電流與二次側電流關系I1=0.472I2可知（設變壓器一次側輸入電壓為400V）變壓器額定輸出電功率： （2-7）由輸入端與輸出端功率關系：知輸入功率： (2-8)實際整流輸出電壓，可根據(jù)觸發(fā)角來調整，由變壓器數(shù)我們可以計算實際工作中的輸出電壓范圍。而且晶閘管觸發(fā)脈沖角度應該滿足，在觸發(fā)角=0時所要求的最小度數(shù)，設晶閘管的觸發(fā)脈沖角度為，則當=0 時=30°此時半波整流電路中的輸出電壓最大。最大觸發(fā)角，設電路中電阻只有電機電阻即R=0.5則有上面的公式可知：cos=Unom+Rr

22、ecInomu2×1.17=220+0.5×1361.17×380=0.887 (2-9)可以解得=28°即電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖電路起始角最大為58°最小為30°。本設計中初步整定為=60°。當=60時整流輸出電壓Ud=u2×1.17cos=380×1.17cos30°=385(V) (2-10)所以回路總電流 (2-11)由于電路實際工作中電阻值大于電機工作電阻所以實際工作電流值小于此值。由此可知續(xù)流電感值： (2-12)2.1.2晶閘管參數(shù)選擇根據(jù)晶閘管電流參數(shù)選擇原則公式：IN=(23)

23、×IT1.57 (2-13)其中： 考慮的安全裕量為23倍 IT為整流電路正常工作最大電流的有效值 IN為所選擇晶閘管的工作電流參數(shù)即選擇額定電流至少為：In=2×136×1.51.57=260(A) (2-14)的晶閘管作為本次設計電路的整流電路元件。根據(jù)三相半波整流電路分析知道晶閘管承受的最大反相電壓為變壓器的二次線電壓峰值的2.45倍，即晶閘管最大反向額定電壓：Uvt=2.45×380=931(V) (2-15)而晶閘管所承受的最大正向電壓為輸入電壓的峰值電壓：六、總體電路3.1整流電路圖3-1半波整流電路基本原理圖三相半波整流電路部分電路如圖3-

24、1所示嗎，其具體實現(xiàn)原理是，當三相正弦交流電壓加在晶閘管上，由于晶閘管的單向導通特性，當晶閘管兩端加上正向電壓，且存在觸發(fā)脈沖時晶閘管導通，整流輸出端有電壓輸出，當正弦電壓變負時晶閘管由于承受反向電壓截止，輸出端沒有電壓輸出，。從而實現(xiàn)整流變化。在圖示電路中當加在晶閘管兩端的兩相電壓，陽極端相電壓高于陰極時在觸發(fā)脈沖的觸發(fā)下，晶閘管就會導通。同理Q2、Q3也會在陽極電壓高于陰極電壓的時候觸發(fā)導通，從而實現(xiàn)三相電壓的整流。根據(jù)觸發(fā)角的不同可以適當調整輸出電壓，而且單相半波整流電路所帶負載不同，其輸出電壓波形也存在差異，在阻感負載下，如果L值很大，id波形基本平直。電路有如下特點：圖3-2半波整流

25、電路a=30°時波形(1) a30°時：整流電壓波形與電阻負載時相同。(2) a>30°時（如a=60°時的波形如圖3-2所示）。u2過零時，VT1不關斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，ud波形中出現(xiàn)負的部分。id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。(3) 阻感負載時的移相范圍為90°。若接電動機負載則相當于電壓源與電感、電阻負載串聯(lián)。四、總體電路設計4.1主電路原理分析主電路理論圖如圖1所示。假設將電路中的晶閘管換作二極管，并用VD表示，該電路就成為三相半波不可控整流電路。此時，三個二極管對應的相電壓中哪

26、一個的值最大，則該相對應的二極管導通，并使另兩相的二極管承受反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓。在相電壓的交點處，均出現(xiàn)了二極管換相，即電流由一個二極管向另一個二極管轉移，稱這些交點為自然換相點。自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角的起點，即=0。，要改變觸發(fā)角只能是在此基礎上增大它，即沿時間坐標軸向右移。當三個晶閘管的觸發(fā)角為0°時，相當于三相半波不可控整流電路的情況。增大值，將脈沖后移，整流電路的工作情況相應的發(fā)生變化。設變壓器二次側電壓有效值為220V，則相電壓交點處的電壓為。若反電動勢小于155.54V時，整流電路相當于工作在阻感負載情況

27、下nnom=1000r/min（因為在自然換相點處晶閘管導通，負載電壓等于相電壓）。根據(jù)任務書所給電機參數(shù)，當電機空載轉速為，且穩(wěn)定運行時，反電動勢為。晶閘管的觸發(fā)角為0°時，波形圖如圖2所示，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖2 觸發(fā)角為0°時的波形觸發(fā)角較小時，在觸發(fā)脈沖發(fā)出時交流電壓還沒有達到196V，晶閘管不導通，到196V以后在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導通；換相后VT1關斷，在VT2導通期間，uvt1= ua- ub= uab；VT3導通期間，uvt1= ua- uc= uac。 觸發(fā)角變大后，可以實現(xiàn)在觸發(fā)脈沖發(fā)出時

28、電壓達到196V，晶閘管直接導通，如圖3所示，觸發(fā)角為60°，從上到下波形依次是三相交流電壓波形，觸發(fā)脈沖波形，負載電壓波形，晶閘管電壓波形。圖3 觸發(fā)角為60°時的波形觸發(fā)角為當60°時，當U2過零時，由于電感的存在，阻止了電流的下降，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施加反相電壓使其關斷。這種情況下Ud波形中出現(xiàn)負的部分，若增大，Ud波形中負的部分將增多，至=90°時，Ud波形中正負面積相等，Ud的平均值為零。由此可見阻感負載時的移相范圍為90°。由于負載電流連續(xù)，Ud

29、可由式（3-1）求出，即 （3-1） Ud/U2與成余弦關系，如圖4中曲線2所示。如果負載中的電感量不是很大，則當>30°后，與電感量足夠大的情況相比較，ud中負的部分可能減少，整流電壓平均值ud略為增加，Ud/U2與的關系將介于圖4中的曲線1和2之間，曲線3給出了這種情況的一個例子。變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值I2可由式（3-2）求出，即 （3-2）由此晶閘管的額定電流IVT(AV)可由式（3-3）求出，即 （3-3）晶閘管兩端電壓波形如圖3所示，由于負載電流連續(xù)，晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，即 （3-4） 圖4 三相半波可控整流電路Ud/U2與的關系id波形有一定的脈動，這是電路工作的實際情況，因為負載中電感量不可能也不必非常大，往往只要能保證負載電流連續(xù)即可，這