《电力电子装置及系统》课程设计-三相桥式全控整流电路的设计与仿真.doc

武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书摘要整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单相或双相，又分为单拍电路和双拍电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。一般我们会研究带电阻性负载和电阻电感性负载的整流器，而这些负载往往要求整流器能输出在一定范围内变化的直流电压，因此，要改变整流电路的触发脉冲控制角来改变输出的直流平均电压。在设计出一个三相全控桥整流电路后，我们还可以利用Matlab软件中的Simulink软件对设计电路进行仿真，检验所设计的电路是否能满足整流的要求。关键词：整流电路 三相全控桥 仿真目录摘要11三相桥式全控整流电路的原理说明31.1 主电路及其基本原理31.2带电阻负载时的工作情况31.3电路结构图的设计61.4控制电路结构图的设计62三相桥式全控整流电路MATLAB的仿真82.1带电阻负载的三相桥式全控整流电路的仿真82.1带电阻负载的三相桥式全控整流电路的仿真122三相桥式全控整流电路输出的理论分析15心得体会16参考文献17三相桥式全控整流电路的设计与仿真1三相桥式全控整流电路的原理说明1.1 主电路及其基本原理三相桥式全控整流电路系统通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管主电路得到一个合适的输入电压，使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离，还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分。一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星形，选择晶闸管作为开关器件对电路的通断进行控制。其原理图如图1-1所示，习惯将其中阴极连接在一起的三个三极管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通。为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。且通过分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。图1-1 三相桥式全控整流电路原理图1.2带电阻负载时的工作情况我们可以先通过具体的分析来理解三相桥式全控电路的特点，接下来将对三相桥式全控整流电路带电阻性负载的工作波形进行分析。当晶闸管触发角=0时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压，此时电路的工作波形如图1-2所示。图1-2 带电阻负载=0时的波形=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电压波形的关系，各自然换相点既是相电压的交点，也是线电压的交点。从相电压波形看，共阴极组二极管导通时，以变压器二次侧的中点n为参考点，整流输出电压u为相电压在正半周的包络线，整流输出电压u为相电压在负半周的包络线，总的输出电压u=u-u （1-1）是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。 为了说明各晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期等分为六段，每段60，如图1-2中所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表1-1所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。表1-1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况时 段共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=ua-ucub- ucub- uauc- uauc-ub=uab=uac=ubc=uba=uca=ucb 当触发角改变时，电路的工作情况将发生改变，与=0时的情况相比，一周期中u波形仍由六段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号仍符合表1-1的规律。区别在于，晶闸管的起始导通时刻推迟了一定的角度，组成u的每一段线电压也因此推迟了，u平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化。如图1-3和图1-4所示。 图1-3 带电阻负载=30时的波形图1-4带电阻负载=90时的波形1.3电路结构图的设计 如图1-5所示，为所设计的三相桥式全控整流电路的主电路结构图，在该结构图中可以看出，主电路中主要包括三相交流电源模块，控制晶闸管控制角的模块，三相桥式整流电路模块和主电路所带的负载模块。图1-5三相桥式全控整流电路结构图当接通电源时，三相桥式全控整流电路主电路通电工作，同时通过同步电路连接的触发角控制电路也通电工作，形成触发脉冲，使主电路中晶闸管触发导通工作，再将经过整流后的直流电通给负载。1.4控制电路结构图的设计 控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶闸管触发电路，通过上网查找资料，可以利用KJ004可控硅移相电路来产生六路双脉冲触发信号。KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。因此，在次设计中所需要的三相全控触发电路可以由3个KJ004集成模块和其他的电路器件构成，形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可分别连接到VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。6路双脉冲模拟集成触发电路图结构图如图1-6所示，其原理图如图1-7所示：双路脉冲异相触发模块双路脉冲异相触发模块双路脉冲异相触发模块六个或门组成的模块晶闸管脉冲放大模块六个或门组成的模块图1-6 6路双脉冲模拟集成触发电路结构图图1-7 6路双脉冲模拟集成触发电路原理图2三相桥式全控整流电路MATLAB的仿真2.1带电阻负载的三相桥式全控整流电路的仿真在利用Matlab软件中的Simulink模块，对所设计的三相桥式全控整流电路进行仿真时，对于触发角控制模块，我们可以用Simulink中的六脉冲触发器模块来代替6路双脉冲模拟集成触发电路，而晶闸管整流部分，我们同样可以用里面自带的模型来代替，如仿真线路图中的通用变换桥模块，总的仿真电路图如图2-1所示，在仿真前，要对其中的一些元件和模块进行参数设置。 三相交流电源S1、S2、S3的电压幅值均设置为220V，频率均为50Hz，而其初始相位角则分别设置为0、-120和-240。在设置六路双脉冲触发电路的参数时，要注意要使该模块正常工作，其Block输入口必须输入常数值为零的信号，而通过控制其另一常熟模块的输入值来控制触发角的值，同时设置其频率为50Hz,脉冲宽度为10。对起整流作用的通用桥的参数设置，可以设置其缓冲器电阻值为10，电容值设置为4.7F，功率电力器件设置为0.01，负载为电阻性负载，其值设置为0.8,。仿真时间为0.04S，算法为ode23tb。所有参数设置完成后，便可以开始对电路进行仿真。图2-1 三相桥式全控整流电路带电阻负载仿真图图2-2 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形图2-3三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形图2-4三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形图2-5三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形 根据以上仿真波形经过分析可见，当60时，输出电压u的波形均为连续的，对于电阻性负载，输出电流i的波形与输出电压u波形的形状是一样的，也连续。当60时如=90时电阻负载情况下的工作波形中，此时输出电压u波形每60中有30为零，这是因为电阻负载时i的波形与u波形一致，一旦u降至零，流过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压为零，因此u波形不能出现负值。如果继续增大至120，整流输出电压u波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是0至120。 2.1带阻感负载的三相桥式全控整流电路的仿真当把图2-1所示的仿真电路图中的电阻负载改为阻感负载时，可以对三相桥式全控整流电路带阻感负载情况进行仿真如下图所示。图2-6 三相全控整流电路带阻感负载=0时的波形图2-7三相全控整流电路带阻感负载=30时的波形图2-8 三相全控整流电路带阻感负载=90波形在三相桥式全控整流电路带阻感负载时，在60时，u波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压u波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流的波形近似为一条水平线。当60时，阻感负载时的工作情况和电阻负载时不同，电阻负载时u波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，u波形会出现负的部分。而若电感L值足够大，u波形中正负面积将基本相等，u平均值近似为零。这表明带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为0至90。三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电动机传动），对于带反电动势负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。当带反电动势负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压，电流波形均相同，仅在计算I时有所不同。在这里就不再给出带反电动势负载时的波形图。2三相桥式全控整流电路输出的理论分析在以上的分析中已经说明，整流输出电压u的波形在一周期内脉动六次，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1/6周期）进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得到当整流输出电压连续时（即带阻感负载时）的平均值为 （2-1）带电阻负载时，当60时，（2-2）当60时，（2-3）心得体会这次的电力电子装置的课程设计任务是设计一个三相桥式全控整流电路，这一部分的内容在电力电子技术的相关课程中都学到过，而且是比较重要的内容，所以在课堂上，老师对这部分的内容讲解的非常详细，自己也多少已经有一定的了解，所以做起这门课设的时候，还是不会有摸不着头脑的感觉的。首先要做的就是，将课本上介绍这一内容的部分再次学习，并且对三相桥式全控整流电路的原理能了解的比较深入与透彻，然后再从网上查找相关资料，开始整流电路的设计和仿真。虽然如此，在真正开始做的时候，在许多方面还是遇到了很多的困难。在大二的时候，我们已经接触过课程设计，而那时候做课程设计时积累下的很多经验，在这次的课程设计中就被我所使用，所以，总的来说，这次的课程设计，相比大二第一次完成课程设计来讲，应该是了更丰富的经验与更多的体会。首先，这次在设计整流器原理图的时候，我就遇到了不小的难题，不知道如何设计触发电路。因为这一块在理论课的学习中是没有讲过的，所以得自己上网找资料进行设计。除了电路原理图这一大难题之外，熟练使用MATLAB并能对所设计的电路进行仿真也是相当有难度的，以前使用Simulink这一模块时，并没有多大的机会接触电力电子器件。所以在这次的电路仿真时，对立面的六路双脉冲触发电路和整流器通用桥