三相半波整流电路的计算机仿真的电子报告.docx

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三相半波整流电路的计算机仿真的电子报告

三相半波整流电路的计算机仿真

 

学院:

电气工程与信息工程学院

班级:

电气工程及其自动化

姓名:

许金霞

学号:

08230338

指导教师:

杨巧玲

摘要

在三相半波可控整流电路物理模型的基础上,根据晶闸管的导通条件,建立了在不同条件下整流电路中物理量所适应的常微分方程组。

在此基础上利用MATLAB语言对整流器进行模拟仿真,并对其仿真结果进行分析。

MATLAB是一个高级的数学分析与运算软件,可以用作动态系统的建模与仿真。

它非常适用于矩阵的分析与运算。

在MATLAB中,矩阵的建立非常简单,只要给定一个向量然后用中括号括起来,里面的值就表示矩阵的元素值,并且可以直接进行矩阵运算及矩阵方程的计算。

具有编程简单、计算精度高、运算速度快、图形化环境好等特点。

关键词:

三相半波整流电路;晶闸管;MATLAB仿真

 

前言

第一章设计内容及要求

第二章方案论证

2.1电阻性负载

2.2.阻-感性负载

2.3晶闸管控制条件

第三章三相半波可控整流电路(电阻性负载)

3.1原理及原理接线图

3.2建立仿真模型

3.3仿真参数设置

3.4不同脉冲参数设置及仿真

3.5分析小结

第四章三相半波可控整流电路(阻-感性负载)

4.1原理及原理接线图

4.2建立仿真模型

4.3仿真参数设置

4.4不同脉冲参数设置及仿真

4.5分析小结

第五章设计体会

附录

参考文献

 

前言

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。

常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路,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对三相桥式全控整流电路进行建模,对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析,既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论,同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

 

第一章设计内容及要求

一、设计内容及技术要求

计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点,已经广泛应用电力电子电路(或系统)等的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析,减轻劳动强度,提高分析和设计能力,避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差,还可以与实物试制和调试相互补充,最大限度地降低设计成本,缩短系统研制周期。

可以说,电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和实验过程。

通过本次仿真,学生可以初步认识电力电子计算机仿真的优势,并掌握电力电子计算机仿真的基本方法。

1、晶闸管三相半波可控整流电路,参数要求:

电网频率f=50Hz;

电网额定电压U1=380V;

电网电压波动正负10%;

阻感负载电压波动0—510V连续可调。

2、设计内容

(1)制定设计方案;

(2)主电路的设计及主电路元件的选择

(3)驱动电路和保护电路设计及参数计算

(4)绘制电路原理图

(5)总体电路原理图及说明

3、设计的总体要求

(1)熟悉matlab/simulink/powersystem中的仿真模块用法和功能

(2)根据设计电路搭建仿真模型

(3)设置参数并进行仿真

(4)给出不同触发角时对应ud、id、i2和iVT1的波形。

4、设计的总体要求

(1)熟悉整流和触发电路的基本原理,能够运用所学的理论知识分析设计任务;

(2)掌握基本电路的数据分析、处理,描绘波形并加以判断;

(3)能正确设计电路,画出线路图,分析电路原理;

(4)广泛收集相关技术资料;

(5)按时完成课程设计任务,认真、正确的书写课程设计报告。

二、设计总结报告要求

1、设计题目、目录、设计的基本原理、简要说明本设计内容、用途及特点、达到的性能指标;

2、写出个部分设计过程、工作原理、元器件选择;

3、给出仿真结果;

4、附录、设计参考文献、设计总结体会;

5、按要求完成仿真报告。

 

第二章方案论证

单相整流电路线路简单,价格便宜,制造、调整、维修都比较容易,但其输出的直流电压脉动大,脉动频率低。

又因为它接在三相电网的一相上,当容量较大时易造成三相电网不平衡,因而只用在容量较小的地方。

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

2.1.电阻性负载

(1)当控制角a为零时输出电压最大,随着控制角增大,整流输出电压减小,到a=150。

时,输出电压为零。

所以此电路的移相范围是0°~150°。

(2)当a≤30°时,电压电流波形连续,各相晶闸管导通角均为120°;当a>30°时电压电流波形间断,各相晶闸管导通角为150°一a°

由此整流电路输出的平均电压Ud的计算分两段:

(1)当0°≤a≤30°时

(2)当30°

负载平均电流:

Id=Ud/Rd

晶闸管是轮流导通的,所以流过每个晶闸管的平均电流:

Idt=1/3Id

晶闸管承受的最大电压:

Utm=

U2

对三相半波可控整流电路电阻性负载而言,通过整流变压器二次绕组电流的波形与流过晶闸管电流的波形完全一样。

2.2.阻-感性负载

当a<=30°时,Ud波形和电阻性负载时一样,不过输出电流id是平直的直线。

随着控制角的增大超过30°时,整流电压波形出现负值,导致平均电压Ud降。

当a=90°时Ud波形正、负面积相等,平均电压Ud为零,所以三相半波电感性负载的有效移相范围是0°——90°。

电路各物理量的计算如下

Id=Ud/Rd

因为电流连续平直,负载电流有效值I即是负载电流平均值Id。

则有:

Idt=1/3Id,It=

Id,Utm=

U2

a>30°时,电路各物理量的计算公式如下

2.3晶闸管控制条件

晶闸管的正向导通条件是:

在阳极加上正向电压的同时,在门极与阴极间加上一定的正向门极电压,通常是在门极上加触发脉冲。

当阳极电压为负时,晶闸管截止。

对本文中的整流电路晶闸管正向电压、负向电压的条件分别如下:

a.VTH1正向电压的条件为i1≥0或u1≥ug;

b.VTH1负向电压的条件为i1<0或u1

c.VTH2正向电压的条件为i2≥0或u2≥ug;

d.VTH2负向电压的条件为i2<0或u2

e.VTH3正向电压的条件为i3≥0或u3≥ug;

f.VTH3负向电压的条件为i3<0或u3

对三相半波可控整流电路,每个周期需要3个触发脉冲,以便在每个周期相同的时间间隔中,VTH1,VTH2,VTH3轮流导通。

第三章三相半波可控整流电路(电阻性负载)

3.1原理及原理接线图:

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次谐波电流流入电网。

三个晶闸管分别接入a,b,c三相电源,它们的阴极连接在一起,称为共阴极接法,这种接法触发电路有共端连接方便假设将电路中的晶闸管换作二极管并用VD表示,该电路就成为三相半波不可控整流电路。

此时,三个二极管对应的相电压中哪一个的值较大,则该相对应的二级管导通,并使另两相的二极管承受反压关断,输出整流电压即为该相的相的相电压。

如图3-1。

图3-1

3.2建立仿真模型:

根据原理图利用MATLAB/SIMULINK软件中,电力电子模块库建立相应的仿真模型如图3-2.

图3-2

3.3仿真参数设置:

算法(solver)ode23tb,相对误差(relativetolerance)1e-3,开始时间0结束时间0.1s,如图3-3。

图3-3

脉冲参数,振幅5V,周期0.02,占空比5%,时相延迟为α*0.02/360如图3-4

图3-4

电源参数,频率50hz,电压100v,其相限角度分别为30°、150°、270°如图3-5,3-6,3-7.

图3-5图3-6

图3-7

晶闸管参数,Ron=0.001Ώ,Lon=0.0001Ώ,Vf=0V,Rs=50Ώ,Cs=250e-6F如图3-8.

图3-8

RLC参数,R=100Ώ,L=0H,C=inf,如图3-9.

图3-9

3.4不同脉冲参数设置及仿真:

设置触发脉冲α分别为0°。

其产生的相应波形如图3-10在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

图3-10

设置触发脉冲α分别为30°。

其产生的相应波形如图3-11在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

 

图3-11

设置触发脉冲α分别为60°。

其产生的相应波形如图3-12在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

图3-12

设置触发脉冲α分别为90°。

其产生的相应波形如图3-13在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

图3-13

3.5分析小结:

a=0时的工作原理分析:

晶闸管的电压波形,由3段组成:

第1段,VT1导通期间,为一管压降,可近似为uT1=0

第2段,在VT1关断后,VT2导通期间,uT1=ua-ub=uab,为一段线电压。

第3段,在VT3导通期间,uT1=ua-uc=uac,为另一段线电压。

a=30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态,各相仍导电120。

如果a﹥30°,例如a=60°时,整流电压的波形如图所示,当导通一相的相电压过零变负时,该相晶闸管关断。

此时下一相晶闸管虽承受正电压,但它的触发脉冲还未到,不会导通,因此输出电压电流均为零,直到触发脉冲出现为止。

这种情况下,负载电流断续,各晶闸管导通角为90°小于120°。

若a角继续增大,整流电压将越来越小,a=150°时,整流输出电压为零。

固电阻负载时a角的移相范围为150°。

第四章三相半波可控整流电路(阻-感性负载)

4.1原理及原理接线图:

变压器二次侧接成星形得到零线,而一次侧接成三角形,为△/Y接法。

三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源,其阴极连接在一起为共阴极接法,负载接电阻和电感。

如图4-1。

图4-1

4.2建立仿真模型:

根据原理图利用MATLAB/SIMULINK软件中,电力电子模块库建立相应的仿真模型如图4-2.

图4-2

4.3仿真参数设置:

算法(solver)ode23tb,相对误差(relativetolerance)1e-3,开始时间0结束时间0.1s,如图4-3。

图4-3

脉冲参数,振幅5V,周期0.02,占空比5%,时相延迟为α*0.02/360如图4-4

图4-4

电源参数,频率50hz,电压100v,其相限角度分别为30°、150°、270°如图4-5,4-6,4-7

图4-5图4-6

图4-7

晶闸管参数,Ron=0.001Ώ,Lon=0.0001Ώ,Vf=0V,Rs=50Ώ,Cs=250e-6F如图4-8

图4-8

RLC参数,R=10Ώ,L=10e-2H,C=inf,如图4-9

图4-9

电感大小对仿真结果的分析:

当电感L=10e-6时,负载电流波形为同负载电压波形的脉动波;当电感L=10e-2时,负载电流波形如图4-10—4-13所示;当电感L>=10时,负载电流波形为近似直线。

4.4不同脉冲参数设置及仿真:

设置触发脉冲α分别为0°。

其产生的相应波形如图4-10在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

图4-10

设置触发脉冲α分别为30°。

其产生的相应波形如图4-11在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

 

图4-11

设置触发脉冲α分别为60°。

其产生的相应波形如图4-12在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

图4-12

设置触发脉冲α分别为90°。

其产生的相应波形如图4-13在波形图中第一列波为电压波形,第二列波为脉冲波形,第三列波为负载电流波形,第四列波为负载电压波形,第五列波为晶闸管正相电压波形,第六列波为晶闸管反向波形。

 

图4-13

4.5分析小结:

a≤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。

a>30时,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0。

若a继续增大,Ud波形中负的部分将增多,至a=90°。

负载电流波形有一定的脉动,但为简化分析及定量计算,可将负载电流波形近似为一条水平线。

阻感负载时的移相范围为90。

 

第五章设计体会

这次电力电子技术课程设计,让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。

并通过对知识的综合利用,进行必要的分析,比较。

从而进一步验证了所学的理论知识。

指导我们在以后的学习,多动脑的同时,要善于自己去发现并解决问题。

这次的课程设计,还让我知道了最重要的是心态,在你拿到题目时会觉得困难,但是只要充满信心,就肯定会完成的。

通过电力电子技术课程设计,我加深了对课本专业知识的理解,平常都是理论知识的学习,在此次课程设计中,真正做到了自己查阅资料、完成一个基本的设计任务。

在此次的设计过程中,我更进一步地熟悉了三相半波整流电路的原理及MATLAB仿真电路的设计。

当然,在这个过程中我也遇到了困难,通过查阅资料,相互讨论,我准确地找出错误所在并及时纠正了,这也是我最大的收获,使自己的实践能力有了进一步的提高,让我对以后的工作学习有了更大的信心。

通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,通过这次课程设计,把以前所学过的知识重新温故,巩固了所学的知识。

除了对理论知识更深地理解,同时也培养了以下几点能力。

第一,提高了自己撰写课程设计报告水平,提高了自己的书面表达能力。

第二,提高了运用所学的各门知识解决问题的能力,在本次课程设计中,涉及到很多学科,学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。

第三,深刻理解了三相半波整流电路的原理及应用。

参考文献

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中国石油大学出版社,2004.6.

[2]林忠岳.电力电子变换技术[M].重庆:

重庆大学出版社,1997.

[3]莫正康.电力电子技术.(第3版)[M].北京:

机械工业出版社,2000.

[4]陈坚.电力电子学:

电力电子变换和控制技术[M].北京:

高等教育出版社,2002.1.

[5]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用.北京:

清华大学出版社,2002.

[6]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京:

机械工业出版社,2007.

[7]贺益康,潘再平.电力电子技术基础.浙江:

浙江大学出版社,2003.

[8]李维波.MATLAB在电气工程中的应用.北京:

中国电力出版社,2007.

[9]郑亚民,蒋保臣.基于Matlab/Simulink的整流滤波电路的建模与仿真[Jl.电子技术,2002.

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