电力电子课程设计

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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：电气工程及其白动化

班级：电气本1305

学号：

完成时间：6月

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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

一、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

内2、各参数的计算

容

3、保护电路的设计

及

4、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真

任

三、设计要求

务

1、三相交流输入：50Hz三相交流，相电压有效值为220V

2、阻感负载;（R取32Q,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240V

5、仿真出Q分别为（）°,30°,6（）。，90。的输出电压的波形

[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,

主[2]陶彦辉.基于双空间矢最调制方法分析矩阵变换器[J].电子设计工程，

要[3]张家胜，张磊.电力电子技术[M].东营：中国石油大学出版社，.6

参

考[4]林忠岳.电力电子技术[M].重庆：重庆大学出版社，1997

资

[5]莫正康.电力电子技术.（第3版）[M].北京:机，戒工业出版社，

料

[6]陈坚.电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，

教

研

室

意教研室主任：

见

年月日

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摘要

整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。一般由主

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、俣护电路、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，而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。

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关键词：整流电路；触发电路；Matlab

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目录

1^^4I匕•••••••••••••••••••••••••••••••••••♦•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••♦•

1.1课题的背景与意义...................................0

1.2本设计的主要内容....................................1

2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..................................4

3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......................................6

4建立仿真模型...........................................7

4.1MATLAB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...................................................11

参考文献................................................12

致谢.....................................................13

附录.....................................................14

附录AMATLAB仿真图14

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1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。其交流测由三相电源供电。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些竟

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，经过对晶闸管和变

压器的额定计算选取合适的元件而且经过使用MATLAB软件的

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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。QW30。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。a>30°时，例如a=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

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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Q=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

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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：

[、大7Q/A

6

U.=-T—L垃U、sEwld(wf)=--U2cosd=1.1lU^cosd(1)

e+d2乃

3

Ud/5与a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a>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，整流电压平均值川略为增加，巩/“

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=/4=手〃=0577〃

(2)

由此晶闸管的额定电流IVT(AV)为：

/皿丫)二音厂0.3685(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:

L=心产2.450(4)

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图3三相半波可控整流电路与a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。一般，为简化

分析及定量计算，能够将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

9

整流电压平均值Ud:Ud=\MU2cosa=LI7x240xcos60=140AV

整流电流平均值L：乙二"二四=4.38A

R32

晶闸管电流的平均值:^T=1^=1X4.38=1.46A

晶闸管电流的有效值:IVT=-^Id=*x4.38=2.53A

晶闸管的额定电流：=0.368〃=0.368x4.38=1.6114

1.57]

3辅助电路设计

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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

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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

wsa"sb

OO<?

-15Vo-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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+15VO

VTjVTVT.

2VT3VT5VT6

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。

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图5三相半波整流电路触发电路

4建立仿真模型

4.1MATLAB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

MathematicalMaple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能够进行矩阵运算、

绘制函数和数据、实现算法、创立用户界面、连MATLAB开发

工作界面接其它编程语言的程序等，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，而且易学。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

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型见附录A。

4.3仿真参数设置及波形

图6二=0"三相电压波形图

OOls/dv

0010.020030040050.06

图7a=O〃负载电压波形形图

uyi

....................................I....................................................................................Y........................................

1^11^—^*"™**^I

001002003004005006

图8疗=0〃晶闸管电压波形图

IVII

30010020.03004005

图90=0〃晶闸管电流波形图

图10°-30〃三相电压波形

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u_dOOls/dr/

图11a=30"负载电压波形

图12。=30。晶闸管电压波形

图15a=60“负载电压波形

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图16。=60“晶闸管电压波形

C.010.020.03C04C.05C.06

图17a=60。晶闸管电流波形

图18a=90〃三相电压波形

图19a=90"负载电压波形

图20a=90。晶闸管电压波形

图21a-90“晶闸管电流波形

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由波形图能够看出输出电压在不同触发角下的波形不同，而且

能够从图中得到输出电压始终规定之间发生变化，因此能够知道

三相半波可控整流电路的设计基本符合要求。可是由于外界因素

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，特别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，因此我查阅了很多关于电力电子的书

籍，而且也经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

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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，特别是保护电路的

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。另外经过这次课程设计，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，希望能有所改进。

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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，

[2]徐以荣，冷增祥[著].电力电子技术基础[M].东南大学出版

社,1999

(31黄俊，王兆安编.电力电子变流技术[M].机械工业出版社，1994

14J钟炎平,电力电子电路设计[M].华中科技大学出版社，

[5]王维平.现代电力电子技术及应用[M].南京：东南大学出版

社，1999

16J张建华.三相半波可控整流电路仿真电力自动化设备，(02)

[7]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，

[8]叶斌.电力电子应用技术及装置[M].北京：铁道出版社，1999

[9J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，

[101邓娜,曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应

用山.装备制造技术,(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,(02)

[12]刘海昌，张晓杰.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].华北科

文档仅