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电力电子技术课程设计说明书 三相半波可控整流电路的设计与仿真院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 雍 欣 指导教师： 胡小娣 职称 助教 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1305 学 号： 1330120532 完成时间： 2016年6月 湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化指导教师胡小娣学生姓名 雍 欣课题名称三相半波可控整流电路的设计与仿真内容及任务1、 设计任务 三相半波可控整流电路的设计与仿真二、设计内容1、主电路的设计、原理说明和器件的选择2、各参数的计算3、保护电路的设计4、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真三、设计要求1、三相交流输入：50HZ三相交流，相电压有效值为220V2、阻感负载；(R取32，L取32mH) 3、触发电路采用锯齿波同步触发电路4、输出电压平均值范围：0到240V5、仿真出分别为0，30，60，90的输出电压的波形主要参考资料1 王兆安. 集成化是电力电子技术的发展趋势J.变流技术与电力牵引，20092 陶彦辉. 基于双空间矢量调制方法分析矩阵变换器J.电子设计工程，20113 张家胜，张磊.电力电子技术M.东营：中国石油大学出版社，2004.64 林忠岳.电力电子技术M.重庆：重庆大学出版社，19975 莫正康.电力电子技术.(第3版)M.北京:机械工业出版社,20006 陈坚.电力电子变换和控制技术M.北京：高等教育出版社，2002教研室意见 教研室主任：年 月 日摘 要 整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。通常由主电路、滤波器和变压器组成。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。首先分析了三相半波可控整流电路的设计要求,确定了以晶闸管、变压器、电阻等一些元器件为主，外加触发电路和保护电路等单元电路设计成三相半波可控整流电路的总体方案，对主电路、触发电路、保护电路、等单元电路进行了设计和参数的计算。由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simtlink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink对三相半波整流电路进行建模，对不同控制角进行了仿真分析用以完成整个课程设计。 关键词：整流电路；触发电路；Matlab目 录1 绪论1 1.1 课题的背景与意义1 1.2 本设计的主要内容12 主电路设计2 2.1 电路原理图及原理分析2 2.2 各参数的计算3 2.2.1 输出值的计算3 2.2.2 晶闸管参数计算43 辅助电路设计5 3.1 保护电路的设计5 3.2 触发电路的设计64 建立仿真模型7 4.1 MATLAB软件简介7 4.2 仿真电路图7 4.3 仿真参数设置及波形7结束语11参考文献12致谢13附录14 附录A MATLAB仿真图141 绪论1.1 背景与意义 整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路。其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。 由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。国内三相半波可控整流电路技术不够熟练，设备不够先进。国外的三相半波可控整流电路设备完善技术比较熟练。1.2 本设计的主要内容本文主要完成三相半波整流电路的设计，通过对晶闸管和变压器的额定计算选取合适的元件并且通过使用MATLAB软件的SIMULINK模块建模并仿真，进而得到仿真电压电流波形。2 主电路设计2.1 电路原理图及原理分析 三相半波可控整流电路如图1所示。为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接,这种接法触发电路有公共端，连线方便。如果负载为阻感负载，且L值很大，则整流电路Id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。 30时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。30时，例如=60时的波形如图，当U2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。这种情况下Ud波形中出现负的部分，若增大，Ud波形中负的部分将增多，至=90时，Ud的平均值为零。可见阻感负载时的移相范围为90度。 图1 三相半波可控整流电路原理图 图2 三相半波可控整流电路阻感负载a=60时的波形2.2 各参数的计算2.2.1 输出值的计算由于负载电流连续求得为： （1）/与成余弦关系，如图4中曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，则当30后，与电感量足够大的情况相比较，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值ud略为增加，/与的关系将介于图4中的曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为： . （2）由此晶闸管的额定电流IVT(AV)为： （3） 晶闸管两端电压波形如图3所示，由于负载电流连续，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即： （4） 图3 三相半波可控整流电路/与的关系id波形有一定的脉动，这是电路工作的实际情况，因为负载中电感量不可能也不必非常大，往往只要能保证负载电流连续即可，这样id是有波动的，不是完全平直的水平线。通常，为简化分析及定量计算，可以将id近似为一条水平线，这与的近似对分析和计算的准确性并不产生很大影响。三相半波整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，因此其应用较少。2.2.2 晶闸管参数计算整流电压平均值：整流电流平均值：晶闸管电流的平均值：晶闸管电流的有效值：晶闸管的额定电流：3 辅助电路设计3.1 保护电路的设计 电力电子电路中保护电路包括过电压保护和过电流保护。 过电压保护一般采用RC过电压抑制电路，RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两端或电力电子电路的直流侧。 过电流保护分为过载和短路两种情况，一般过电流保护措施常采用快速熔断器、直流快速熔断器和电流继电器。在本设计的保护电路中对变压器一次侧和二次侧分别加上熔断器对其进行保护，对电机加上一个过载保护熔断器，如图4所示图4 保护电路设计3.2 触发电路的设计 如图5所示为触发电路。由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉冲发生器芯片KJ041形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的。触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。该电路可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。图5 三相半波整流电路触发电路4 建立仿真模型4.1 MATLAB软件简介 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。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，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。MATLAB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 MATLAB开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB软件操作起来简单，并且易学。非常适合初学者和做一些比较复杂的仿真图来说，MATLAB软件满足了这些要求。4.2 仿真电路图根据原理图用MATLAB软件画出正确的仿真电路图，整体模型见附录A。4.3 仿真参数设置及波形图6 三相电压波形图图7 负载电压波形形图图8 晶闸管电压波形图图9 晶闸管电流波形图图10 三相电压波形图11 负载电压波形图12 晶闸管电压波形图13 晶闸管电流波形图14 三相电压波形图15 负载电压波形图16 晶闸管电压波形图17 晶闸管电流波形图18 三相电压波形图19 负载电压波形图20 晶闸管电压波形图21 晶闸管电流波形 由波形图可以看出输出电压在不同触发角下的波形不同，并且可以从图中得到输出电压始终规定之间发生变化，所以可以知道三相半波可控整流电路的设计基本符合要求。但是由于外界因素的影响，所得结果有一点偏差。结束语这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识，尤其是在课本中没有完全介绍的。要完成这次课程设计，关靠书本知识是远远不够的，所以我查阅了很多关于电力电子的书籍，并且也通过网络查到了很多相关的知识，为这次课程设计做了很多帮助。 对于课程设计的内容，首先要做的应是对设计内容的理论理解，在理论充分理解的基础上，才能做好课程设计，才能设计出性能良好的电路。整流电路中，基本元件的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。设计过程中，我明白了整流电路的重要性以及整流电路设计方法的多样性。这次的课程设计是我设计时间最长的一次，也是收获最大的一次。虽然设计过程中遇到很多问题，尤其是保护电路的设计，因为课上没有讲到保护电路的内容，保护电路的理解不够全面，设计的时候是一头雾水，但还是在老师的帮助下，我一一解决了。另外通过这次课程设计，我对文档的编排也有了一定的掌握，这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电力电子这门课程，把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分，当然没有全部。整个课程设计过程中，由于理论知识的缺乏，以及对课程设计的不熟悉，课程设计还有很多不足之处，在以后的课程设计中，希望能有所改善。 参考文献1 王湘中，喻寿益.高维优化问题的改进进化策略J.控制理论与应用,20062 徐以荣，冷增祥著.电力电子技术基础M. 东南大学出版社,1999 3 黄俊，王兆安编.电力电子变流技术M. 机械工业出版社, 1994 4 钟炎平.电力电子电路设计M.华中科技大学出版社，20105 王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社，19996 张建华.三相半波可控整流电路仿真J. 电力自动化设备，2002(02) 7 王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20088 叶斌.电力电子应用技术及装置M.北京：铁道出版社，19999 李传琦主编.电力电子技术计算机仿真实验M. 电子工业出版社,2006 10 邓娜,曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应用J.装备制造技术,2008(01) 11 臧小惠.基于Simulink的三相桥式全控整流电路的建模与仿真J.内江科技，2007(02) 12 刘海昌,张晓杰.MATLAB在电力电子教学中的应用J.华北科技学院学报, 2007(02) 13 谢华博,张俊民.基于Matlab/Simulink的电力变换电路仿真J.电气电子教学学报,2007(04) 14 李鹏,皮薇薇.Matlab/Simulink在电力电子技术教学中的应用J.电脑知识与技术(学术交流),2007(18) 15 张建华,杨鹏.三相半波可控整流电路的计算机仿真J