三相半波可控整流電路

1、 電力電子技術課程設計說明書 三相半波可控整流電路 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： XXX 指導教師： XXX 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： XXXX班 學 號： 完成時間： 2015年06月 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

2、一步省去了編程的步驟。 本文主要介紹三相半波可控整流電路的主電路、觸發(fā)電路和保護電路的原理及電路仿真圖，輸入電壓為三相交流線電壓380V，通過降壓變壓器后由晶閘管轉換為直流。觸發(fā)電路控制晶閘管的導通，通過調節(jié)脈沖的觸發(fā)角可得到不同的輸出電壓。本文利用Simulink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，在觸發(fā)角的調節(jié)范圍為97°150°時輸出電壓為0100V。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；MATLAB仿真目 錄1 設計目的及要求1 1.1 設計目的1 1

3、.2 設計要求1 1.2.1 設計課題1 1.2.2 設計內容12 主電路設計2 2.1 主電路原理分析2 2.2 觸發(fā)角分析3 2.3 主要元器件選擇3 2.3.1 晶閘管參數(shù)計算與選擇3 2.3.2 觸發(fā)電路芯片選擇33 觸發(fā)電路的設計54 保護電路的設計6 4.1 過壓保護6 4.1.1 過壓的原因6 4.1.2 過壓保護的措施6 4.2 過流保護6 4.2.1 過流的原因6 4.2.2 過流保護的措施7 4.3 保護電路選擇75 MATLAB仿真8 5.1 仿真軟件MATLAB介紹8 5.1.1 MATLAB簡介8 5.1.2 Simulink簡介8 5.1.3 Simulink啟動與

4、退出9 5.2 MATLAB仿真模型10 5.3 MATLAB仿真結果及分析10心得體會12參考文獻13附 錄141 設計目的及要求1.1 設計目的整流電路是出現(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。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。 通過課程設計達到加強和鞏固所學的知識，加深對理論知識的理解；培養(yǎng)文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需

5、要的文獻資料；培養(yǎng)綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；培養(yǎng)綜合運用知識的能力和工程設計能力；培養(yǎng)運用仿真軟件的能力和方法；培養(yǎng)科技寫作水平等。1.2 設計要求1.2.1 設計課題 三相半波可控整流電路的設計：三相交流輸入線電壓380V，要求整流電壓在0100V連續(xù)可調。1.2.2 設計內容（1）、關于本課程學習情況簡述；（2）、主電路的設計、原理分析和器件的選擇；（3）、控制與驅動電路的設計；（4）、保護電路的設計；（5）、利用MATLAB軟件對自己的設計進行仿真。2 主電路設計2.1 主電路原理分析三相半波可控整流電路如圖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，

6、避免3次諧波電流流入電網(wǎng)，三個晶閘管分別接入a,b,c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。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可控整流電路。此時，三個二極管對應的相電壓中哪一個的值最大，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。圖1 三相半波可控整流電路原理圖圖2 觸發(fā)角為0°時的波形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

7、。，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。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。2.2 觸發(fā)角分析（1）、當30°時，負載電流連續(xù)，有 （1）（2）、當=0時，Ud最大，為。（3）、當30°時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有 （2） 2.3 主要元器件選擇2.3.1 晶閘管參數(shù)計算與選擇（1）、負載電流平均值為 。 （3）（2）

8、、晶閘管承受的最大反相電壓為變壓器二次側線電壓峰值，即 （4）（3）、由于晶閘管陰極與零線間的電壓即為整流輸出電壓，其最小值為0，而晶閘管陽極與零線間的最高電壓等于變壓器二次側相電壓的峰值，因此晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次側相電壓的峰值，即 （5） （4）、由公式（5）得晶閘管峰值電壓=1.414錯誤！未找到引用源。220=310V，晶閘管電壓安全裕量需是峰值電壓的23倍，故=（23）錯誤！未找到引用源。310V=620930V。（5）、由公式（3）得晶閘管電流平均值=380/2=190A (電阻R取2)晶閘管電流安全裕量需是額定值的1.52倍，故=（1.52）/1.73=1

9、65220A。（6）、故晶閘管的電壓范圍620930V，電流范圍165220A?？蛇x晶閘管型號為KK200-8或KS300-9。2.3.2 觸發(fā)電路芯片選擇(1) KJ004芯片電參數(shù)  1）、電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動土5(±10時功能正常)。 2）、KJ004電源電流：正電流15mA,負電流10mA。 3）、同步電壓：任意值。  4）、同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值)。 5）、移相范圍1700(同步電壓30V,同步輸入電阻15k)。 6）、鋸齒波幅度：10V(幅度以鋸齒波平頂為準)。 

10、;7）、輸出脈沖：  a）、寬度：400S2mS(通過改變脈寬阻容元件達到)； b）、幅度：13V；  c）、最大輸出能力100mA(流出脈沖電流)；  d）、輸出管反壓：BVCEO18V(測試條件Ie100A)。 8）、正負半周脈沖相位不均衡±30。  9）、使用環(huán)境溫度為四級：C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125。(2) KJ041芯片電參數(shù)  1）、電源電壓：直流+15V，允許波動±5%(±10功能正常)。 2）、電源電流：20mA。

11、3）、輸出脈沖： a脈沖幅度：1V； b最大輸出能力：20mA(流出脈沖電流)。 4）、輸入端二極管反壓：30V。 5）、制端正向電流：3mA。3 觸發(fā)電路的設計 驅動電路位于主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅動功率晶體管），稱為驅動電路。 驅動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號，以保證器件按要求可靠導通或關斷。圖3 三相半波整流電路觸發(fā)電路 如圖3

12、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，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)。4 保護電路的設計4.1 過壓保護 4.1.1 過壓的原因 (1)操作過電壓:由拉閘,合閘,快速直流開關的切斷等經常性操作中的電磁過程引起的過壓。 (2)浪涌過壓:由雷擊等偶然原因引起,從電網(wǎng)進入變換器的過壓。 (3)電力電子器件關斷過電壓:電力電子器件關斷時產生的過壓。 (4)在電力電子變換器-電動機調速系統(tǒng)中,由于電動機回饋

13、制動造成直流側直流電壓過高產生的過壓，也稱為泵升電壓。4.1.2 過壓保護的措施RC吸收電路也叫RC緩沖電路，它是電阻Rs與電容Cs串聯(lián)，并與開關并聯(lián)連接的電路結構。用于改進電力電子器件開通和關斷時刻所承受的電壓、電流波形。若開關斷開，蓄積在寄生電感中能量對開關的寄生電容充電的同時，通過吸收電阻對吸收電容充電。由于吸收電阻作用，阻抗變大，那么吸收電容也等效地增加了開關的并聯(lián)電容容量，為此，抑制開關斷開的電壓浪涌。開關接通時，吸收電容通過開關放電，其放電電流被吸收電阻所限制。 RC吸收電路的作用是為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡，利用電容兩端電壓

14、不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的(變壓器漏感或負載電感)，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。由于晶閘管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡就是常用的保護方法之一。4.2 過流保護 4.2.1 過流的原因 當電力電子變換器內部某一器件擊穿或短路,觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障,出現(xiàn)過載,直流側短路,可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產生環(huán)流或逆變失敗,以及交流電源電壓過高或 過低,缺相等,均可引起變換器內元件的電流超

15、過正常工作電流,即出現(xiàn)過流.由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設備差得多,因此,必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。4.2.2 過流保護的措施 （1）交流進線電抗器,或采用漏抗大的整流變壓器,利用電抗限制短路電流，但正常工作時有較大的交流壓降。 （2）電流檢測裝置：過流時發(fā)出信號,過流信號一方面可以封鎖觸發(fā)電路,使變換器的故障電流迅速下降至零,從而有效抑制了電流；另一方面控制過電繼電器,使交流接觸器觸點跳開,切斷電源。但過流繼電器和交流接觸器動作都需一定時間(100200ms)，故只有電流不大的情況這種保護才能奏效。 （3）直流快速開關：對于大、中容量變換器,快速熔斷器的價格高且更換不方便為

16、避免過流時燒斷快速熔斷器,采用動作時間只2ms的直流快速開關,它可先于快速熔斷器動作而保護電力電子器件。 （4）快速熔斷器：快速熔斷器是防止變換器過流損壞的最后一道防線。在晶閘管變換器中,快速熔斷器是應用最普遍的過流保護措施,可用于交流側,直流側和裝置主電路中。其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用,但要求正常工作時,快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對元件的短路故障所起的保護作用較差。4.3 保護電路選擇 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過電壓吸收電路，RC過電壓吸收電路可接于供電變壓器的兩端或電力電子電路的直流側

17、。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和直流快速熔斷器。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，如圖4所示。圖4 保護電路的設計5 MATLAB仿真5.1 仿真軟件MATLAB介紹5.1.1 MATLAB簡介 MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，即矩陣實驗室，是由美國The MathWorks公司于1984年推出的一種科學與工程計算語言。20世紀80年代初，MATLAB的創(chuàng)始人Cleve Moler博士在美國New Mexico大學講授線性代數(shù)課程時，構思并開發(fā)了MATLAB。 該軟件一經推出，就備受青睞和矚目，

18、其應用范圍也越來越廣闊。后來，Moler博士等一批數(shù)學家與軟件專家組建了The MathWorks軟件開發(fā)公司， 專門擴展并改進MATLAB。這樣， MATLAB就于1984年推出了正式版本，到2005年，MATLAB已經發(fā)展到了7.1版。與其他計算機語言相比較，MATLAB具有其獨樹一幟的特點：簡單易學；代碼短小高效；功能豐富，可擴展性強；強大的圖形表達功能；強有力的系統(tǒng)仿真功能。5.1.2 Simulink簡介 (1)Simulink是MATLAB的重要組成部分，提供建立系統(tǒng)模型、選擇仿真參數(shù)和數(shù)值算法、啟動仿真程序對該系統(tǒng)進行仿真、設置不同的輸出方式來觀察仿真結果等功能。Simulink

19、具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 (2)功能：Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系

20、統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。 (3)特點：豐富的可擴充的預定義模塊庫；交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖；以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理；通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼；提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成；使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用MATLAB算法；使用定步長或變步長運

21、行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型；圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為等。5.1.3 Simulink啟動與退出 （1）Simulink的啟動：在MATLAB的命令窗口輸入simulink或單擊MATLAB主窗口工具欄上的Simulink命令按鈕即可啟動Simulink。Simulink啟動后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器(Simulink Library Browser)窗口。 在MATLAB主窗口File菜單中選擇New菜單項下的Model命令

22、，在出現(xiàn)Simulink模塊庫瀏覽器的同時，還會出現(xiàn)一個名字為untitled的模型編輯窗口。在啟動Simulink模塊庫瀏覽器后再單擊其工具欄中的Create a new model命令按鈕，也會彈出模型編輯窗口。利用模型編輯窗口，可以通過鼠標的拖放操作創(chuàng)建一個模型。 模型創(chuàng)建完成后，從模型編輯窗口的File菜單項中選擇Save或Save As命令，可以將模型以模型文件的格式(擴展名為.mdl)存入磁盤。 如果要對一個已經存在的模型文件進行編輯修改，需要打開該模型文件，其方法是，在MATLAB命令窗口直接輸入模型文件名(不要加擴展名.mdl)。在模塊庫瀏覽器窗口或模型編輯窗口的File菜單中

23、選擇Open命令，然后選擇或輸入欲編輯模型的名字，也能打開已經存在的模型文件。另外，單擊模塊庫瀏覽器窗口工具欄上的Open a model命令按鈕或模型編輯窗口工具欄上的Open model命令按鈕，也能打開已經存在的模型文件。 （2）Simulink的退出：退出Simulink，只要關閉所有模型編輯窗口和Simulink模塊庫瀏覽器窗口即可。5.2 MATLAB仿真模型MATLAB仿真模型如圖5所示。圖5 三相半波整流電路MATLAB仿真模型5.3 MATLAB仿真結果及分析設置三相交流電壓為380V，頻率為50Hz，占空比為5%。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

24、形，晶閘管電壓波形。圖6 =122°時MATLAB仿真波形圖圖7 =113°時MATLAB仿真波形圖圖8 =97°時MATLAB仿真波形圖分析：所得波形基本與理論分析相符，在觸發(fā)脈沖的作用下晶閘管導通，直到電壓為0V。首先a相VT1導通，b相VT2關斷，c相VT3關斷；換相后b相VT2導通，a相VT1關斷，c相VT3關斷；再換相后c相VT3導通，a相VT1關斷，b相VT2關斷（相位角為）。當觸發(fā)角=122°時，根據(jù)上圖6得到仿真輸出電壓為30V，通過公式（2）計算得到理論值=0.675×380×1+cos(30°+122°)=30.03V。當觸發(fā)角=113°時，根據(jù)上圖7得到仿真輸出電壓為50V，通過公式（2）計算得到理論值=0.675×380×1+cos