1、三相半波可控整流电路课程设计MAIM IMSTITUTE OF TECHNOLOGY电力电子技术课程课程设计说明2013年6月9日摘要整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由 变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的 励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤 波器和变压器组成。 20世纪 70 年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸 管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流 成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电 压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减
2、 小电网与电路间的电干扰和故障影响） 。整流电路的种类有很多，有半波整 流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控 整流电路、三相桥式全控整流电路等。关键词： 整流，变压，触发，晶闸管，额定。、三相半波整流电路原理分析、三相半波整流电路数量分析2.1.1输出值的计算2.2.1晶闸管的有效值三、器件额定参数计算四、MATLAB软件介绍五、MATLAB软件电脑仿真i=r基于Matlab 的应用范围非常广，包括在信号和图像处理、通讯、控 制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领 域。运用Matlab软件的处理能力，我们对三相桥式整理电路进行仿真分析, 对
3、纯电阻性负载及电阻电感性负载时的工作情况进行对比分析与研究，用Matlab软件自带的Power System工具箱进行仿真，给出仿真结果，检验所建模型的正确性。、三相半波整流电路原理分析1.1.1纯电阻性半波整流电路原理组成三相半波可控整流电路纯电阻性负载，如图所示。图中 T为整流变压器，为 了得到中性线，整流变压器的二次接成星形，一次绕组接成三角形，使三次谐波都能够通过，减少了高次谐波对电网的影响。为了得到零线，整流变压器的二次绕组必须接成星形，而一次绕组多接成三角形，使其3次谐波能够通过，减少高在一起，称共阴极接法，这对触发电路有公共线者连线较方便，用得较广。1.2.1主电路设计其原理图如
4、图1所示。图1三相半波可控整流电路原理图1.3.1电路原理波形分析时的波形图1.1三相半波可控整流电路电阻负载， a =120稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差1200,规定3 t=2 n 13为控制角a 的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的 3 t=2 n /3处。在3 t1时刻触发 VT1,在3113 t2区间有uuuv、uu uw, u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压ud= uuo其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。在3 t2时刻触发VT
5、2在312313区间v相电压最高，由于uuv uv，VT2承受正向电压而导通，ud = uv。VT1两端电压uT仁uu-uv= uuv0，晶闸管VT1承受反向电压关断。在VT2导通期间，VT1两端电压uT仁uu-uv= uuv。在312时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相。在3 t3时刻触发VT3,在313314区间w相电压最高，由于uvv uw, VT3承受正向电压而导通，ud= uw。VT2两端电压uT2= uv-uw=uvw0，晶闸管 VT2承受反向电压关断。在 VT3导通期间VT1两端电压uT仁uu-uw= uuw。这样在一周期内，VT1只导通2n /3，在其余
6、n /3时间承受反向电压而处于关断状态。只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通，输出电压 ud波形是相电压的一部分， 每周期脉动三次， 是三相电源相电压正半波完整包络线， 输出 电流id与输出电压ud波形相同（id=ud/R）。电阻性负载a =0o时，VT1在VT2 VT3导通时仅承受反压，随着a的增加,晶闸管承受正向电压增加； 其他两个晶闸管承受的电压波形相同， 仅相位依次相 差120o。增大a，则整流电压相应减小。a =30o是输出电压、电流连续和断续的临界点。当 a 300时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶 闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通， 直到后一相的
7、晶闸管被触发导通。从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UFM=U2晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值， URMX U2 =U2 a =150o时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是 0o1500。如果将电路中的晶闸管换成整流管，那么整流元件就在 Wt1.Wt2.Wt3，处自然换相，并总是换到电压最高的一相上去，相应的输出 a相，b相，c相电压。因此相电压的交点就是三相半坡电路的自然换相点， 即该出的a=0。在Wt1-Wt2期间内，a相电压U最高，在Wt2-Wt3期间内，b相电压最高，在 Wt2时刻触发晶闸管T2,可使T2导通，此时T
8、1因承受反向电压而关断，负载上得到 b相电压 Ub. 如此，各晶闸管都按同样的规律依次触发导通并关断前面一个已导通的 晶闸管。图（a）所示，是三相电压触发脉冲。图（b）所示，各晶闸管上的触发导通脉冲相序应与电源的相序相同。各相触发脉冲依次间隔120，每相晶闸管各导电120，负载电流波形与整流电压 波形相同，是连续的。图（C）所示，输出的整流电压时三相交流相电压正半周期线。图（d）所示，是变压器a相绕组，即流经晶闸管T1的电流波形，可见变压 器绕组中通过的是直流脉冲电流。图（e）是晶闸管T1两端的电压Ut1的波形。二、三相半波整流电路数量分析2.1.1输出值的计算三相桥式全控整流电路中，整流输出
9、电压 Ud的波形在一个周期内脉动3次,且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/3周期） 进行计算即可。对于电阻性负载而言，当 0 V如时，各晶闸管上的触发脉冲,其相序与电源的相序相同，各相触发脉冲依次间隔 120,在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导电120,负载电流是连续的。增大a值, 即触发脉冲后移，则整流电压相应减小。当a =30时，从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各项仍导电 120。如果 ad0 0,例如a =120，如上图1.1所示，当导通的一相的相电压过零变负时,该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管虽然承受正
10、向电压，但它的触发脉冲还未到, 不会导通，姑输出电压和电流都为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流 断续，各晶闸管导电时间都小于120 。如果a角继续增大，那么整流电压将越 来越小。当a =150时，整流输出电压为零。故电阻负载时要求的移相范围为150。F面分两种情况来计算整流电压的平均值:30中寸，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有:U厂 2r/ U血2 sie td t) = 0.675J 21 + cosg /6 + 心当 a =150时， Ud = 0负载电流的平均值Id为心1d2.2.1晶闸管的有效值：(1)a 30。时,三.器件额定参数计算3.1.1变压器参数有要求之电压在
11、100V 当 a =120 时，U2=100V由公式 3-2，得 Ud=-58.456V3.2.1晶闸管参数把U2=100V, Ud=58.456V代入公式3-4知：考虑到一定的电压裕量, ld=Ud/R3.3.1变压器容量由 S= /3U2I2，把U2、l2代入知3.4.1晶闸管额定电压晶闸管电压定额（一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍）U N =(23)屁23.5.1晶闸管额定电流晶闸管通态平均电流:IT=IT/1.57考虑裕量，晶闸管电流定额（一般取其平均电流的 1.52 倍）1 N =(1.52) 1 T(AV)故晶闸管的额定电流取为20A四、MATLA敢件M
12、ATLA是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化一级交互 式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及 非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境 中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一 种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模 式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软 件中在数值计算方面首屈一指。MATLA可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实 现算法、创建用户界面、连接其
13、他编程语言的程序等，主融建模设计与分析等领 域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式于数学、工程中常用的形式 十分相似，故用MATLA来解决问题要比用C, FORTRAN语言完成相同的事情简单 快捷的多，并且MATLAB!吸收了想Maple等软件的优点，使MATLA成为一个强大 的数学软件。在新的版本中也加入了对 C FORTRANC+ JAVA勺支持。可以直 接调用用户也可以将自己编辑的实用程序导入到 MATLA函数库中方便以后调用， 此外许多MATLA爱好者都编辑了一些经典的程序实例，可供用户自由的调用下载 使用。Simulink是MATLA最重要的组件之一，它提供一个动态系统
14、建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观 的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simuli nk具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。Simulink 是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB勺框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛 应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simuli n
15、k 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行 建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速 率。为了创建动态系统模型， Simuli nk 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提 供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结 果。Simuli nk 是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设 计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像 处理系统，Simuli nk 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行 设计、仿真、执行和测试。 .构架在
16、Simuli nk基础之上的其他产品扩展了 Simuli nk多领域建模功 能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink与MATLA紧密集成，可以直接访问 MATLA大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测 试数据的定义。五、MATLAB软件电脑仿真5.1.1MATLAB软件运用电脑仿真电路模型（4）脉冲发 。当 a =0 a所示；当 。此时仿真5.2.1纯阻性负载三相半波可控整流电路a =0和a =60仿真图像相应的参数设置：（1）交流电压源参数设置 U=100 V f=25 HZ，三相电源 相位依次延迟120
17、。（ 2）晶闸管参数设置 Rn=0.001 Q ,Lon=0.0001 H，Rs=50 O ,Cs=250e6 F。（ 3）负载参数设置 R=10 O，L=0 H ，C=inf。生器的振幅为5 V，周期为0.04 S （即频率25 HZ）,脉冲宽度为2 时，设为0.003 3，0.016 6，0.029 9 S。此时的仿真结果如下图（ a =60时，触发信号初相位依次设为 0.01，0.023 3，0.036 6 S 结果如图（b）所示。IL 1AL1 J . A 一 X kw p1汕-2W.0 ).02 m 呱 0.怕餉财0 h控融为般貂般电朋婦三朋式粧歸电路种斜角跚黠果毗531仿真结果和实
18、际原理分析比较仿真结果和实际原理分析结果基本上保持一致。在某些方面还存在着误差,这些误差可以忽略不计。此次电子技术课程设计，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收 获了诸多，概而言之，大约以下几点:首先，我学会了对相关科技文献的搜索，一切科学研究都是建立在前人研究 的基础之上的。因此，对于相关文献资料的搜索显得尤为重要。在现代社会中， 随着计算机的普及以及网络技术的发展， 对于文献的搜索已经从图书馆的纸质资 料转移到网络平台下的电子文档。 通过毕业课程设计， 我详细的学习并掌握了中 国知网、万方数据库等数据库的搜索与使用。其次，在毕业课程设计的过程中， 又对学过的知识做了一次回顾， 并且更深
19、 层次的对所学的知识进行掌握，理解了以前不理解的内容。通过实际操作 MATLAB 软件更进一步加深了对仿真技术的认识，并能初步设计和处理一些常 见的三相整流电路故障。 了解了以前没有学习的内容， 使自己的知识面更加的丰 富，并慢慢喜欢上 MATLAB 给我们带来的方便。而后，通过对这次毕业课题的设计写作中， 不仅磨练了我的意志同时也大大 的加强了我对知识的主观需求。深刻体会到知识改变命运，这句话的精髓所在。 更加使我对知识的渴望无限的放大，努力学习不尽所求。最后，通过这次毕业课程设计还使我了解了科技论文的写作规范， 熟悉了系 列软件在文字处理与排版等方面的使用。总之，这次毕业课程设计不是简简单
20、单的完成了一个课题， 而是使我初步的 掌握了科学研究的步骤与方法， 更是一种成长， 一种经历。 这种磨练是金钱买不 到也换不来的。 通过这次毕业课题设计巩固了我的专业知识， 练习了我的实际操 作能力，锻炼了我分析解决问题的能力，为今后的学习打下了坚实的基础。七、 参考文献1. 王兆安 . 电力电子技术 . 机械工业出版社 .2009 2. 李传琦. 电力电子技术计算机仿真实验 .电子工业出版社 .20053.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB仿真.机械工业出版社.20064. 钟炎平. 电力电子电路设计 . 华中科技大学出版社 .2010致谢在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢余红英， 王明泉等老师在课程设计上给予我的指导、 提供给我 的支持和帮助， 这是我能顺利完成这次报告的主要原因， 更重要的是老师帮我解 决了许多技术上的难题， 让我能做得更加完善。 在此期间， 我不仅学到了许多新 的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学， 他们也为我解决了不少我不太明白的设计 上的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。
