三相全控整流电路实训报告.docx

精品文档电气工程学院2010级电力电子与电力传动实训报告项目名称： DC110V/1kW全控整流电路 项目负责人： 汪学鑫 项目成员： 汪学鑫 周讯 慕子翔 负责老师： 郭育华 卢国涛 指导老师： 郭育华 2013年 12月 4 日21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载。项目成绩：评阅人：指导老师： 年月日项目负责人：姓名 （签名）学号项目成员：姓名 （签名）学号项目成员：姓名 （签名） 学号摘要随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛，整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。通过实验接线和调试，三相交流输入通过同步变压器降压，再通过三相全控桥实验箱整流输出，由示波器观察输出波形。三相整流控制箱根据三相全控桥实验箱的输入电压，以及电路板上可变电阻调节，输出双窄脉冲波的触发信号，通过脉冲功放箱放大作为三相全控整流实验箱的控制信号。本次实验采用MATLAB软件中的SIMULINK平台进行电路设计，并进行仿真。在开环控制时，改变电压，可以实现整流输出电压在不同触发角时波形有着明显的区别，都是对称六脉波。在闭环控制时，其触发角主要由电压反馈电路，电流反馈电路进行调节，在示波器时基因数足够大的观察前提下，调节调压器，使该实验输出稳定的六脉波波形。经过验证，在实验过程中，闭环条件下，改变输入电压，或者是改变负载阻值，都能够使负载输出电压稳定不变；在闭环仿真中，将220V输入电源换为180V交流电源，再将1欧姆换为2欧姆负载接入，输出电压基本稳定，实现了闭环控制。目录、项目技术指标21.1 指标21.2 仿真软件2、项目的主电路设计22.1工作原理32.1.1三相桥式全空整流电路特性分析32.1.2 三相桥式全控整流电路定量分析62.1.3 晶闸管额定电流、额定电压的选择62.2 参数选择72.2.1 整流变压器参数计算7、项目的控制电路设计7、系统仿真84.1 仿真软件MATLAB84.2 仿真模型的建立94.2.1 开环控制94.2.2 闭环控制11、实验分析1351实验平台简介1352实验步骤及结果155.2.1 开环实验165.2.2 闭环实验17、结论、问题和体会18、 项目技术指标1.1 指标本项目是三相全控整流电路仿真，以下是项目的技术指标：.电压源输入电压：AC220V（单相或三相），电压波动15%输出电压：DC110V 输出功率：1kW恒压精度：优于5%电压调整率：优于5%负载整率：优于5%可采用电压闭环或电压和电流双闭环控制。.2电流源输入电压：AC220V（单相或三相），电压波动15%输出电流：DC10A输出功率：1kW恒压精度：优于5%电压调整率：优于5%负载整率：优于5%1.2 仿真软件本次实验采用MATLAB软件中的SIMULINK平台进行电路设计，并进行仿真。SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。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。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，其中的Sim Power Electronic 工具箱能够非常好的实现电力电子技术的相关仿真。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。、 项目的主电路设计通过查阅教材和实验指导书并结合在网上的结果，在MATLAB的SIMULINK仿真软件平台上，我们可以较为轻松的搭建出三相全控整流电路的主电路。仿真模型中的数据来源于实验室提供的实验器件的参数。 2.1工作原理2.1.1三相桥式全控整流电路特性分析三相桥式全控整流电路图是应用最为广泛的整流电路，其电路图如下：图2-1 三相桥式全控整流电路（1）三相桥式全控整流电路的特点：一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共阴极，2、4、6为共阳极。2 管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各 1，且不能为同 1 相器件。 对触发脉冲的要求： 1)按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序，相位依次差60。2)共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差120，共阳极组 VT4、VT6、VT2也依次差 120。3)同一相的上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4，VT3 与 VT6，VT5 与 VT2，脉冲相差180。Ud 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样，故该电路为 6 脉波整流电路。 需保证同时导通的 2 个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发（常用） 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 （2）带电阻负载时的工作情况： 1)当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续波形图：a=0（图2-2）、a=30（图2-3）、a=60（图2-4）2)当a60 时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图：a=90（图2-5）3)带电阻负载时三相桥式全控整流电路 a 角的移相范围是120（3）晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示：时段共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阴极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb表2-1晶闸管输出整流电压情况图2-2 =0图2-3 =30图2-4 =902.1.2 三相桥式全控整流电路定量分析（1）当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载 a60 时）的平均值为：Ud=1133+23+6U2sinwtdwt=2.34U2cos （2-1）（2）带电阻负载且 a 60时，整流电压平均值为：Ud=33+6U2sinwtdwt=2.34U21+cos3+ （2-2）输出电流平均值为Id=Ud/R2.1.3 晶闸管额定电流、额定电压的选择晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即URM=23U2=6U2（2-3）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即 UFM=2U2 （2-4）输出电压Ud为0200V，负载电阻 R=2，输出负载电流为：Id=UdR （2-5）晶闸管上流过电流为： I2=13Id （2-6）选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量通常取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。额定电流也要留一定裕量，一般取额定电流为通态平均电流的1.52倍。2.2 参数选择 根据电力电子与电力传动实训实验指导书及实验室设备选择各元器件的 参数。输入三相交流电压：AC 100V(线电压)；整流桥：理想的晶闸管组成的三相整流桥；滤波电感：5mH； 滤波电解电容：400uF；负载电阻：2。2.2.1整流变压器参数计算在晶闸管整流装置中，满足负载要求的交流电压往往与电网电压不一致，这就需要利用变压器来进行电压匹配。另外，为降低或减少晶闸管变流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器将晶闸管装置和电网隔离。因此，在晶闸管整流装置中一般都需要设置整流变压器，它的参数计算是一个重要的问题，对整流装置的性能有着直接的影响。通常情况下，整流变压器的初级电压是电网电压，是已知的，而整流变压器参数的计算是指根据负载的要求计算次级的相电压U2、相电流I2，初级容量S1次级容量S2和平均计算容量S。只有在这些参数正确计算之后，才能根据计算结果正确、合理地选择整流变压器或者自行设计整流变压器。考虑到整流装置的伏在不同，电路的运行情况不同，其交直流侧个点亮的基本关系也不同。为方便起见，本文以具有大电感的直流电动机负载为例，分析整流变压器参数的计算，其基本原则同样适用于其它性质的负载。、 项目的控制电路设计晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来 控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大,即可得到完整的三相全控桥触发电路。、 系统仿真4.1 仿真软件MATLABMATLAB是一种使用简便的工程计算语言。SIMULINK是在MATLAB环境中用于动态仿真的软件包,支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统的仿真。集成在SIMULINK中的电力系统模块PSB(PowerSystemBlockset)在电力电子仿真中具有很多优越性。PSB采用变步长积分算法,可以对非线性、刚性和非连续系统进行仿真,即保持了MATLAB的同一风格,又突出了电力电子的学科特点。PSB模块库在电力电子仿真方面有着诸多的优点：元器件的综合化；控制模块的多样化；测量仪表的可视化；输出手段的多样化；模块构建的开放性以及系统仿真的交互等诸多优点。因此在本次实训中采用SIMULINK作为仿真的平台。4.2 仿真模型的建立按照我们设计的主电路和电力电子技术课本的指导，我们利用SIMULINK软件的软件库中的软件按照设计的电路的顺序搭建起电路，按照事先确定好的参数对仿真电路中的各个元件的参数进行设置。4.2.1开环控制图4-1 开环控制仿真电路开环控制的仿真结果如下：（1）=0图4-2 =0时开环仿真结果图（2）=30图4-3 =30时开环仿真结果图（3）=60图4-4 =60时开环仿真结果图4.2.2 闭环控制图4-5 闭环控制仿真电路图4-6 闭环控制仿真结果注：当运行至3秒时，将220V输入电源换为180V交流电源，当运行至6秒时，将1欧姆换为2欧姆负载接入，得到的波形图。由图形可知，输出电压基本稳定，实现了闭环控制。由此可见，闭环控制有助于提高系统的精度和稳定性。 图4-7 输入185.2V，输出110.497V）图4-8 输入205.6V，输出110.492V）图4-9 输入216.7V，输出110.509V当负载电阻为1欧姆、1.5欧姆、2欧姆时，输出电压为110.695V、111.187V、111.412V。计算得到电压调整率为0.693，电阻调整率为0.494。4.2.3参数设置（1）输入电压参数设置图4-10 输入电压（2）全控桥参数设置图4-11 全控桥（3）同步六脉冲发生器参数设置4-12 同步六脉冲发生器5、实验分析5.1.实验平台简介“PESX-电力电子与电力传动开发平台”是为研究电力电子与电力传动技术而研制的通用开发平台。开发平台由主电路模块、负载模块、传感器、电源模块、驱动模块和控制模块六大类构成，其中控制模块分为专用芯片控制、单片机控制和DSP控制三种层次。常用的电力电子与电力传动系统（如整流电源、斩波电源、逆变器电源、大功率开关电源、三相 PWM整流器、 H型斩波器、直流传动、交流传动等）都可以在平台上实现，控制系统可根据开发者个人能力和喜好来选取。开发平台具有如下特点： 1)采用模块式结构。主电路、控制、电源、传感器等模块都采用独立的模块结构，且模块完全开放，开发可根据自己需要，象积木一样搭建自己的系统。 2)控制系统多层次。控制模块由专用控制器（TC787/SG3525）、单片机（MCU+CPLD）和 DSP（F2812）三类组成，满足多种主电路结构和不同层次的开发要求。 3)采用先进技术。平台中除有传统技术之外，还采用先进的技术和器件。主模块采用 IGBT。IGBT采用 Concept公司的专用驱动（国际上使用最广泛）、控制器采用高性能单片 MCU和 DSP，平台适用于先进技术的研究和产品开发。 4)考虑多种辅助功能。开发平台可提供多种辅助功能，如隔离的示波器供电电源、交直流电流和电压表、连接导线等，给开发者提供方便。52实验步骤及结果5.2.1 开环实验（1）实验步骤开环实验中所有测试点的电压检测都是相对于CS0点来测试的。测试过程中，万用表的黑表笔接CS0，红表笔接各测试点。此时，负载应该接灯箱电阻。 按各个实验模块的使用说明以及接线原理图接线。 把PESX-24三相控制中的开环/闭环开关拨到开环控制。 在接线正确的情况下，给PESX-21控制电源箱上电，调节给定电位使指示灯D29熄灭，观察CS4和CS5测试孔的电压大小（此时内外环的PI调节器封锁，结型场效应管导通，CS4和CS5电压都为0）。调节给定电位器指示灯D29变亮。用万用表观察CS3和CS2测试孔，观察两者电压的极性和大小关系（两者大小相等，极性相反）。观察CS4和CS5测试孔的极性和大小（CS4为负，CS5为正，两者都在10V左右）。 合上主电路上的QF2，按压启动按钮，给主电路通电。在整流输出接上示波器，调压器从0慢慢调节整流变压器使三相输入为额定值380V。调节给定电位器的大小，同时观察输出波形。通过调节PESX-24控制电路板上的W12电位器，使给定电压从0至-10V变化时，输出电压从0到满开放变化（此时触发角对应为0，给定电压对应为-10V）。分别调节W2、W4、W6电位器，观察输出波形的变化。重新调节W2、W4、W6电位器，使输出六脉波波形对称。 电压定相。使给定电压为给定满电压的10%即-1V，调节电位器W12使整流输出电压约为整流输出额定电压220V的10%即22V。使给定电压为给定满电压的90%，-9V，调节电位器W12使整流输出电压约为整流输出额定电压的220V的90%即198V。 关闭主电路，整流变压器为0，关闭PESX-21控制电源箱。（2）实验结果图5-9 输出的六脉波图5-10 整流输出电压为127V时的波形5.2.2 闭环实验（1