三相桥式全控整流电路的设计纯电阻负载本科毕业论文文档格式.docx
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the
industrial
and
agricultural
economic
construction,
transportation,
space
technology,
modernization
national
defense,
medical,
environmental
protection,
hundreds
millions
people
in
all
areas
daily
life,
enter
after
twenty-first
Century
power
is
used
more
widely,
so
important.
In
recent
years
electronics
industry,
some
advanced
technologies
country,
processing
electric
been
than
half
total
energy.
Rectifiercircuitcanconvertacpowertodccircuit.Mostoftherectifiercircuitbytransformer,rectifiercircuitandfilter,etc.Itinthedcmotorspeed,generatorexcitationcontrol,electrolysis,electroplating,andotherfieldsiswidelyused.Rectifiercircuitisusuallyconsistsofmaincircuit,filterandtransformer.Sincethe1970s,themaincircuitismulti-purposesiliconrectifierdiodeandbraketubes.Filterbetweenthemaincircuitandtheload,usedtofilteroutthecommunicationcomponentofpulsatingdcvoltage.Transformersetornotdependingonthespecificsituation.Theroleofthetransformeristorealizethecommunicationbetweentheinputvoltageanddcoutputvoltagematching,andacpowergridandelectricalisolationbetweentherectifiercircuit.
This
paper
mainly
introduced
three-phase
full-bridge
controlled
rectifier
circuit
to
main
trigger
principle
control
circuit,
by
frequency
voltage380V
step-up
transformer
SCR
（
）
rectified
direct
current
for
load.ModelingandsimulationusingMatlab/simulink,andobservetheoutputwaveform.
Keywords:
electronics;
Rectifiercircuit；
Three-phasebridgecircuit
Ⅱ
目录
1设计任务和要求1
1.1课程设计的性质和目的1
1.2设计条件：
1
2三相全控整流电路2
2.1整流器件2
2.2整流原理2
2.2.1触发脉冲3
2.2.2带电阻负载时的工作情况4
3三相桥式全控整流电路仿真建模8
3.1仿真模块8
3.1.1交流电压源模块8
3.1.2晶闸管的仿真模型8
3.1.3同步6脉冲触发器的仿真模型10
3.1.4常数模块参数的设置10
3.1.5通用桥设置11
3.1.6显示模块12
3.1.7变压器模块12
3.2三相全控整流电路的matlab仿真12
3.2.1带电阻负载的仿真12
3.2.2设置模型参数13
3.2.3纯电阻负载示波器输出波形16
4总结与心得18
参考文献19
1设计任务和要求
1.1课程设计的性质和目的
性质：
是电气信息专业的必修实践性环节。
目的：
1、培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；
2、加深理解《电力电子技术》课程的基本理论；
3、初步掌握电力电子电路的设计方法。
4、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献
资料。
5、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
6、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
7、提高学生课程设计报告撰写水平。
（1）电源压：
交流380V/50HZ
（2）输出功率：
500KW
（3）移相范围0º
~120º
2三相全控整流电路
2.1整流器件
晶闸管因其各方面的性能均明显胜过以前的汞弧整流器，自开发以来立即受到普遍欢迎，虽然在二十世纪八十年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。
电力电子技术的核心是电力变换也就是变流技术。
通过对晶闸管等器件的控制从而实现电力变换。
晶闸管整流是电力电子技术中最基础的变流技术，通过它可实现电流从交流到直流的转换。
2.2整流原理
三相桥是应用最为广泛的整流电路，它是由两组三相半波整流电路串联而成的，一组为共阴极接线，另一组为共阳极接线，如图2-1所示。
若工作条件相同，则负载电流Id1=Id2，如果将零线切断，不影响电路工作，成为三相桥式全控整流电路，如图2-2所示。
图2-1三相半波共阴极组和共阳极组串联电路
图2-2三相桥式全控整流电路
阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极管。
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，经分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。
共阴极组正半周触发导通，共阳极组在负半周触发导通，在一个周期中变压器绕组中没有直流磁势，且每相绕组在正负半周都有电流流过，延长了变压器的导电时间，提高了变压器组的利用率。
2.2.1触发脉冲
三相桥式全控整流电路任意时刻都有两个晶闸管同时导通从而形成供电回路，其中共阴极组和共阳极且各1个，且不能为同一相器件。
触发脉冲相位依次关60度，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度；
共阳极组VT4、VT6、VT2的脉冲相差120度，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲也相差120度。
直流电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用宽脉冲触发或双脉冲触发，宽脉冲触发为脉冲宽度大于60度（一般取80度---100度）；
双脉冲触发是在某个晶闸管触发的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60度，脉宽一般为20—30，双脉冲触发的电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小，宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱合，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。
虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。
因此常用的是双脉冲触发。
如图2-3
图2-3三相全桥触发脉冲的两种形式
（a、a1）双脉冲触发b宽脉冲触发
2.2.2带电阻负载时的工作情况
（1）α=0°
时的负载工作情况
假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角α=0时，各晶闸管均在自然换相点换相。
共阳极的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通，共阴极的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。
任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载的电压为某一线电压，此电路工作波形如图2-4所示。
ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ
图2-4三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0°
时的波形
由图中变压器二次绕组相电压与线电压的波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。
在分析Ud的波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。
从相电压波形看，以变压二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线，当共阳极导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud=Ud1-Ud2是两条包络线的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。
直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压Ud这两个相电压相减是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形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6段，每段为60度，如图2-4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所示。
由此表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6
由图2-4晶闸管Uvt1的波形图看出，晶闸管一周期中有120°
处于通态，240°
处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的负载电压Ud波形相同。
表2-1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0时晶闸管工作情况
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT3
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT4
整流输出电压
Ua-Ub=Uab
Ua-Uc=Uac
Ub-Uc=Ubc
Ub-Ua=Uba
Uc-Ua=Uca
Uc-Ub=Ucb
（2）α=60°
图2-5为α=60°
时的波形，由图中分析知，Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，Ud平均值降低，并且Ud出现了为零的点。
因此α≤60°
时，电压波形连续。
图2-5三相全控整流电路带电阻负载α=60°
（3）α=90°
图2-6为α=90°
时的电阻负载波形，此时Ud波形每60°
中有30°
为零，这是因为电阻负载id波形与Ud波形相同，当Ud降至零，id也降至零，通过晶闸管的电流即降至零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零，因此Ud波形不会出现负值。
如果继续增大至120°
，则整流电压Ud波形将全为零，其平均值也为零，因此，带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是120度。
图2-6三相桥式全控整流电路带电阻负载α=90°
3三相桥式全控整流电路仿真建模
3.1仿真模块
3.1.1交流电压源模块
线电压为380伏，频率为50HZ
3.1.2晶闸管的仿真模型
（1）晶闸管组件的符号和仿真模型
晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。
晶闸管的仿真模型由电阻Ron、电感Lon、直流电压源Uf和开关SW串联组成。
开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由晶闸管的电压Uab、电流Iab和门极触发信号g决定。
晶闸管组件的符号和仿真模型图如图3-1所示。
图3-1晶闸管组件的符号和仿真模型
晶闸管模块还包括一个Rs-Cs串联缓冲电路，它通常与晶闸管并联。
缓冲电路的Rs和Cs值可以设置，当指定Cs=inf时，缓冲电路为纯电阻，当指定为Rs=0时，缓冲电路为电容。
当指定Rs=inf或Cs=0时，缓冲电路去除。
（2）晶闸管组件的静态伏安特性
图3-2晶闸管的静态伏安特性
晶闸管的静态伏安特性如图3-2所示。
当阳极和阴极之间的电压大于Uf且门极触发脉冲为（g>
0）时，晶闸管由断态转变为开态。
该触发脉冲的幅值必须大于0且有一定的持续时间，以保证晶闸管阳极电流大于掣住电流。
当晶闸管的阳极电流下降到零（Iak=0）或阳极和阴极之间施加反向电压的时间大于或等于晶闸管的关断时间Tq时，晶闸管关断。
如果阳极和阴极之间施加反向电压的持续时间小于晶闸管的关断时间Tq，晶闸管仍可能会导通，除非没有门极触发信号（即g=0）且阳极电流小于掣住电流。
另外，在导通时，当阳极电流小于参数对话框中设置的掣住电流时，晶闸管将立即关断。
晶闸管关断时间Tq取决于载流子的恢复时间：
它包括“阳极电流下降到零的时间”和“晶闸管正向阻断的时间”。
图3-3晶闸管组件的简化仿真模型
（3）晶闸管组件的仿真模型和输入、输出
①晶闸管组件的仿真模型以及输入、输出
晶闸管组件的仿真模型有详细（标准）模型和简化模型两种。
为了提高仿真速度，可以采用简化的晶闸管模型，如图11所示。
从晶闸管模块图标中可以看出，它有两个输入和两个输出。
第一个输入a和输出k对应于晶闸管阳极和阴极。
第二个输入g为加在门极上的逻辑信号（g）。
第二个输出m用于测量晶闸管的电流和电压输出量[Iak,Uak]。
②晶闸管仿真组件的参数
晶闸管组件要设置的组件参数有：
晶闸管组件内电阴Ron，单位（Ω），设置为0；
晶闸管组件内电感Lon,单位（H），因为电阻参数设置为0，所以内电感不能设置为0，将其设置0.001；
晶闸管组件的正向管压降Uf,单位（V）,设置为0.8；
初始电流Ic,单位（A），初始值设置是一个复杂的工作，为了配合晶闸管进行仿真，通常将其设为0；
缓冲电阻Rs,单位（Ω）为了在模型中消除缓冲，可将Rs设置为inf；
缓冲电容Cs,单位（F）为了在模块中消除缓冲，可将电容Cs参数设置为0。
3.1.3同步6脉冲触发器的仿真模型
图3-4同步六脉冲触发器和晶闸管整流器桥
（1）同步6脉冲触发器仿真模块的功能
同步6脉冲触发器模块用于触发三相全控整流器桥的6个晶闸管，模块的图标如图12，同步6脉冲触发器还可以给双脉冲，双脉冲间隔为60度，触发器输出的1-6号脉冲依次送给三相全控整流器桥对应编号的6个晶闸管。
采用PowerSystem模块库中的“UniversalBridge"
模块（整流器件选择晶闸管），则同步6脉冲触发器的输出端可以直接与三相整流桥的脉冲输入端相连接。
（2）同步6脉冲触发器的输入和输出
"
alpha-deg"
是移相控制角信号输入端，该输入端可与"
常数"
模块相连，也可与控制系统中的控制器输出端相连，从而对触发脉冲进行移相控制。
如果勾选DoublePulsing,触发器就能给出间隔60度的双脉冲。
输入AB、BC、CA是同步线电压Uab、Ubc、Uca输入端，同步电压就是连接整流器桥的三相交流电压的线电压；
输入Block为触发器模块的使能端，用于对触发器模块的开通与封锁操作。
当施加大于0的信号时，触发脉冲被封锁；
当施加等于0的信号时，触发脉冲开通。
输出为一个6维脉冲向量，它包含6个触发脉冲。
（3）同步六脉冲触发器的参数
同步电压频率，单位（Hz）,通常为电网频率；
脉冲宽度，单位为度；
双脉冲，此为复选框，如果勾选，触发器就能给出间隔60度的双脉冲。
3.1.4常数模块参数的设置
此模块只有一个输出端，无输入端，在本例中只要改变参数对话框中的数值的大小，即改变了触发信号的控制角。
3.1.5通用桥设置
图3-5通用桥仿真图标
（1）仿真模块的功能
通用桥是由6个功率开关组件组成的桥式三相变换器模块。
电力电子组件的类别可通过对话框进行设置。
电力电子组件的类型有Diode桥、Thyristor桥、MOSFET-Diode桥、IGBT-Diode桥、理想开关桥，并且可将桥臂数目设置为1、2、3，分别代表一个桥臂、两个桥臂、三个桥臂，各自包含2个开关器件、4个开关器件、6个开关器件。
前二者实现单相变流，后者实现三相变流。
除二极管桥外，其它桥的"
g（pulses）"
输入端可接受来自外部模块的触发信号。
通用桥模块内部结构其图标如图14。
图3-6通用桥模块结构图
（2）通用变换器仿真模块的参数
设置桥的结构为三相，缓冲电阻Rs：
单位为Ω，为了消除模块中的缓冲电阻Rs的参数设置为inf。
缓冲电容Cs：
单位为伏，为了消除模块中的缓冲电路，可将缓冲电容Cs的参数设定为inf,本仿真中电力电子器件选择Thyristor桥,内电阻Ron单位为Ω，内阻设置为0.1,内电感Lon设置为0缓冲电阻设置为1e-3，缓冲电容设置为4.7e-6；
ForwardvoltageVf：
器件的导通压降，设置为0.8伏。
3.1.6显示模块
图3-7示波器极其参数设定
scope模块，相当于示波器，显示比较仪输出特性曲线的结果。
从上到下依次观察整流电路部分的电压，电流，触发脉冲，负载两边电压，和流过负载的电流5项参数。
3.1.7变压器模块
图3-8变压器模型
本次课程设计采用两个变压器，一个作整流变压器，一个作同步变压器
3.2三相全控整流电路的matlab仿真
3.2.1带电阻负载的仿真
利用SimPowerSystems建立三相全控整流桥的仿真模型如图15。
用"
UniversalBridge"
模块实现三相晶闸管桥式电路，在SimPowerSystems/extralibrary/controlblocks中的"
Synchronized6-pulsegenerator"
模块产生六脉冲触发。
图3-9三相桥式全控整流电路模型
3.2.2设置模型参数
三相桥式全控整流电路，电源相电压为220V，整流器输出电压为100V（相电压）设置模型参数如下：
（1）电源参数设置：
三相电源的电压峰值340V，频率为50HZ，相位分别为0、-120、
-240.
图3-10电源参数
（2）整流器变压器参数设置：
一次绕组联结（wingding1connection）选择Delta（D11）,线电压为380V；
二次绕组联结（wingding2connection）选择Y，线电压为173v，在要求不高时变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变
图3-11整流变压器参数设定
（3）同步变压器参数设置：
二次绕组联结（wingding2connection）选择Y，线电压为15v，其他参数可以保持默认值不变。
图3-12同步变压器参数设定
（4）三相晶闸管整流器参数设置：
使用默认值。
图3-13三相晶闸管整流器参数设置
（5）负载参数设置：
R的值为5欧姆。
图3-14负载参数设置
（6）6脉冲发生器设置：
频率为50HZ，脉冲宽度取1，选择双脉冲触发方式。
图3-156脉冲发生器设置
（7）触发角设置：
给定alph设置为需要的数值
图3-16触发角设置
3.2.3纯电阻负载示波器输出波形
图3-17α=0°
图3-18α=30°
图3-19α=60°
图3-20α=120°
4总结与心得
通过此次电力电子课程设计我不但得到了将知识融入实际的机会，同时也巩固了自己本学期所学的知识。
上学期我们就做过数字电子技术课程设计，做完后就觉得受益匪浅。
这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计。
通过对三相桥式全控整流电路的研究，更加深刻的理解了整流电路的线路、原理，以及触发电路，加深了对触发电路的功能了解。
还有保护电路，认识了保护电路的重要，并对其深入了研究。
整个课程设计的过程中，虽然遇到了很多棘手的问题，但通过查阅书刊以及网上查阅资料最终得到了有效的解决，感觉收获很多。
本实验要用MATLAB进行仿真。
由于触发电路比较复杂，所以直接使用了Simulink里面原有的脉冲发生模块。
在仿真实验中比较关键的是参数的设置。
仿真做完了之后是做硬件实验。
通过此次课程设计，熟悉了MATLAB和Protel的使用方法,它们都是与我们专业密切联系的软件。
其中掌握了用Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作。
此外，通过这次课程设计使自己了解到电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的课程。
电力电子装置的应用是十分重要的。
并且自己也在最初的不很懂到最终理解了三相桥式全控整流电路的原理以及应用觉得收获很多。
参考文献
[1]周渊深.电力电子技术与Matlab仿真[M].
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