三相半波整流电路设计.docx
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三相半波整流电路设计
晶闸管三相半波整流电路的设计与仿真说明书
学院：
电信工程学院
班级：
电气工程及其自动化
（2）班
姓名：
***
学号：
********
********
摘要
三相整流电路有三相半波整流电路、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对三相半波整流电路进行建模，对不同控制角、故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相半波整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。
关键词:
三相半波整流电路、晶闸管、MATLAB仿真
第一章设计任务与设计要求..........................4
1、设计任务...................................4
2、设计要求...................................5
第二章方案设计....................................6
第三章系统设计....................................7
1、主电路设计.................................7
2、控制电路设计...............................9
3、保护电路设计...............................12
第四章系统参数计算................................16
1、主电路参数计算.............................16
2、保护电路参数计算...........................17
第五章系统仿真....................................19
1、仿真电路...................................19
2、仿真参数...................................19
3、仿真波形...................................20
设计体会...........................................29
参考文献...........................................30
第一章、设计任务及要求
一、设计题目
三相半波整流电路的负载分析。
二、设计目标及技术要求
掌握三相半波整流电路的工作原理和分析方法，设计三相半波可控整流电路；利用MATLAB中的Simulink对三相半波整流电路进行建模，调整负载、触发角等参数进行系统仿真，输出相关波形并分析实验结果。
三、给定仿真或实验条件
晶闸管三相半波整流电路，参数要求：
电网频率f=50Hz
电网额定电压U=380v
负载性质：
电阻（10Ω）
电阻（10Ω）、电感（10mH）。
四、具体设计过程要求
（1）了解整流和触发电路的基本原理。
（2）掌握三相半波可控整流电路的工作原理和设计方法，制定三相半波可控整流电路的设计方案。
（3）根据设计要求，选择合适的器件，组建整流主回路、控制回路。
（4）设计驱动电路、保护回路，并计算各器件参数。
（5）对系统进行建模、仿真，改变负载性质和负载大小，观察、绘制输出波形，并分析实验结果。
五、仿真、实验结果分析要求等
（1）熟悉matlab/simulink/powersystem中的仿真模块用法及功能；
（2）根据设计电路搭建仿真模型；
（3）设置不同负载参数并进行仿真；
（4）绘制不同触发角时对应的电压电流波形。
六、设计的心得体会要求等
附主要参考书目
1、三相半波可控整流电路的负载分析
第二章、设计方案
单相可控整流电路结构简单，对触发电路要求较低，但其输出直流脉动大，对电网属于非对称负载，因此，一般只用于中小容量的场合。
如果负载容量较大，或要求输出之脉动较小时，应采用三相可控整流电路或多路整流电路，即变压器的一次侧是三相的，而二次侧是三相或多项的。
这样一方面对电网来讲属于对称负载，另一方面可以在直流输出端得到多脉波电路，可以显著改善装置或系统的性能。
本设计按要求用三相半波整流电路。
按控制要求，要实现负载电压连续可调，可利用相控整流电路原理，把控制信号的大小转化为整流电流中各晶闸管的门极触发角α，用以控制晶闸管在一个周期中导通的起始时刻，从而实现对整流电路输出电压平均值的控制。
整体设计方案如图2-1所示。
电源三相半波整流电路负载
触
触同步电路发
发信
模集成触发号
块
图2-1总体框架
第三章、系统设计
一、主电路
三相半波可控整流电路如图3-1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次谐波电流流人电网。
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公共端，连线方便。
图3-1三相半波可控整流电路阻感性负载
如图3-2，在wt1、wt3、wt5出对应着自然换相点，对该三相半波可控整流电路而言，这三个自然换相点是其对应的晶闸管触发导通的最早时刻，即自然换向点就是个晶闸管触发角a的起点（a=0的点，对应wt1=π/6、wt3=5π/6、wt5=3π/2）。
U2UaUbUc
Wt1wt3wt5wt
图3-2二次侧电压波形
如图3-1为三相半波整流电路带阻感性负载时的电路及波形，假设电感足够大，负载保持连续且基本平直（近似为一条直线），电路已处于稳态。
当a≤π/6时，电路工作波形与电阻负载一样，负载电流均连续；当a>π/6时，如果负载电感足够大，电感储能足够大，电感储能足以使晶闸管在U2过零变负以后仍然维持导通，直到下一相的晶闸管触发导通，才发生换流，也就是说，在a>π/6时，由于电感的作用，仍然能使各相的晶闸管触发导通2π/3，从而保证电流的连续，在这种情况下，Ud的波形中会出现负的部分，随着a的增大，Ud的波形中负的部分增多，至a=π/2时，Ud波形中正负部分的面积相等，相当于Ud的平均值为零。
可见，阻感负载时触发角a的移向范围为0-π/2。
基本数量关系：
1）整流输出电压平均值Ud为
当a=0时，Ud=1.17U2，当a=π/2时，Ud=0，可见触发角a的移向范围为0-π/2。
2）整流输出电压有效值U为
3）整流输出电路平均值Id=Ud/R,流过每个晶闸管电流的平均值Idvt=Id/3。
4）流过变压器二次绕组的电流也就是流过晶闸管的电流，其有效值为：
二、控制电路设计
要实现负载电压在0-510V之间连续可调，可利用相控整流电路的基本原理，把控制信号的大小转化为整流电流中个晶闸管的门极触发角α，用以控制晶闸管在一个周期中导通的起始时刻，从而实现对整流电路输出电压平均值的控制。
移向控制电路就是用来产生前沿相位受控于控制设定信号幅值的脉冲信号，并按主电路结构形式为各晶闸管分配合适的脉冲，这些脉冲经驱动后作为晶闸管的门极驱动信号，这样只要改变设定信号幅值就能控制门极触发脉冲发出时刻的相位，从而实现对整流电路输出电压平均值的调控。
图3-2相控整流装置系统结构
门
极
控移相驱
制控制动整流器主负
设电路与电路载
定隔
离
电
路
图3-2相控整流装置系统结构
图3-3为典型移相控制电路系统结构
移
相
控制设定脉脉冲门
冲整形极
形与分驱
同步信号成配环动
环节
节
图3-3典型移相控制电路系统结构图
图3-3所示为一典型的脉冲形成原理图
0
Usy
0
Upa
0
Ug
图3-3典型的脉冲形成原理图
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。
本设计采用集成触发芯片KJ004，设计电路如图3-4所示。
对于三相半控整流电路，需要三组这样的触发脉冲即可。
同步信号KJ004
816+15v
712
-15v511
+15v3
41
-15v9
图3-4KJ004触发电路
如图3-5为直流供电电路：
图3-5直流供电电路
三、保护电路
（1）过电流保护：
可控硅允许的过电流能力较差，既是在短时间流过的短路电流或过载的电流很小时，如不及时的切除，就会损坏可控硅元件，因此，除了在选择是留有充分裕量外，还需采取恰当的保护措施。
保护措施有：
自动开关保护；快速熔断器保护。
图3-4为可控硅快速熔断器保护
图3-4可控硅快速熔断器保护
（2）过电压保护：
过电压有操作过电压和浪涌过电压两种。
操作过电压是由于变压器合闸、拉闸以及可控硅本身关断所引起的，浪涌过电压是由于雷击等原因，从电网侵入的偶然性过电压，可控硅元件承受过电压能力也是较差的，发生过电压时，也会是元件损伤，因此必须采取有效措施。
a、交流侧过电压保护
阻容吸收装置
变压器拉闸时，由于磁通突然的减少，在副极绕组中产生一个很高的瞬变电压，严重时其峰值电压可达正常值的8-10倍，采用阻容吸收装置可将过电压降低到正常的1.25倍。
图3-5过电压保护
b、直流侧过电压保护
直流侧过电压是由于快速熔断器熔断时整流变压器储能的释放和平波电抗器的储能的释放引起的。
1）、操作过电压保护
当快速熔断器切断过载电流时，由整流变压器储能释放所产生的过电压，虽然交流侧吸收装置可以吸收一部分，但变压器过载比空载的储能大，因此还会有一部分能量通过导通的可控硅反映到直流侧来，一般大、中容量的可控硅整流装置均采用阻容吸收装置保护。
2）、浪涌过电压保护
由于电网受到雷击或高于电源电压的浪涌电压侵入直流侧，而阻容吸收装置不一定能完全吸收，因而设置压敏电阻作浪涌过电压的保护。
图3-6直流侧阻容吸收装置
c、可控硅关断过电压保护
可控硅正向导通关断时，由于空穴积蓄效应，使可控硅反向阻断能力的恢复需要一段时间，在这段时间里可控硅元件流过反向电流，此反向电流接近终止时
很大，与线路电感共同作用产生过电压可是元件击穿，所以必须采用保护措施，一般可在可控硅元件两端并联阻容吸收装置。
图3-7可控硅关断过电压保护
第三章、电路参数计算
一、主电路参数计算
1、整流变压器参数计算
按要求U2=380
Ud=1.17U2cosa
当a=0时，Ud取得最大值
Ud=
取负载电阻R=100Ω，则负载电流
Id=Ud/R=510/100=0.51A
二次侧电流，有效值
I2=0.577Id=0.577*0.51=0.29A
整流变压器容量为
P=3U2I2=3*435.9*0.29=379.2VA取P=380VA
整流变压器参数如下：
相数三相
接法/Y-11
容量380VA
原级电压380V
副级电压435.9V
2、晶闸管参数计算
晶闸管额定正向平均电流计算
It=（0.5-0.8）Id=（0.5-0.8）*2*0.51=（0.51-0.816）A
晶闸管正反向峰值电压计算
Vf=Vr=（5-8）U2=（2179.5-3487.2）V
二、保护电路计算
（1）、快速熔断器参数计算
Ikr≤5/6*1.57It=5/6*1.57*0.816=1A
则应选额定电压为500V，额定电流为2A的熔断器。
（2）、交流侧变压器原级阻容吸收装置参数计算
变压器每相VA数为：
VA=380/3=126.67VA
阻容保护采用三角形接线，则电容C1为
C1≥6I%*VA/U2*U2=0.034F
取C1=0.35F
电阻R1为
（3）、交流侧变压器副级阻容吸收装置参数计算
阻容吸收装置采用三角形接法
电容C2为
电阻R2为
Ω取R2=1400Ω
（4）、直流侧阻容吸收装置参数计算
电容C3为
电阻R3为
（5）、浪涌过电压保护装置参数计算
压敏电阻计算
（6）、晶闸管关断过电压保护
电容C4=（2-4）It*0.001=1-2μF
电阻R4取10Ω
第五章、电路Matlab/Simulink仿真
一、仿真电路
三相半波整流电路Matlab/Simulink电路如图5-1所示：
图5-1三相半波整流电路Matlab/Simulink电路
二、仿真参数
1、电源参数设置
三相电源a、b、c电压设为220V，频率设为50Hz，相角依次设为0、240、120。
2、触发脉冲参数设置
三相触发脉冲G1、G2、G3的触发角设置通过公式M=（π/6+α）/2π*0.02，计算设定，其中a的范围为0-π/2，G1、G2、G3触发角互差120度。
触发脉冲的幅值设置为5，脉冲宽度设置为5，脉冲周期设置为0.02s。
3、负载参数设置
通过仿真发现负载电阻和电感的值决定着负载电流和电压的大小和波形，电感太大二次侧电流波形毛刺多，负载流电流几乎平直，但电流上升速度慢，电感太小负载电流波形不平滑，甚至不连续，但上升速度快，相反电阻太大输出电流波形不平滑但上升速度快，电阻太小输出电流波形平滑，但上升速度慢。
实验波形如下图所示：
（1）、电阻R=100不变，电感L=1或0.001变化时的波形比较：
1）、负载R=100
图5-2负载为R=100L=1e-3a=
时的波形
图5-3负载为R=100L=1a=
时的波形
图5-4负载为R=100L=1e-3a=30时的波形
图5-5负载为R=100L=1a=30时的波形
图5-6负载为R=100L=1e-3a=60时的波形
图5-7负载为R=100L=1a=60时的波形
图5-8负载为R=100L=1e-3a=90时的波形
图5-9负载为R=100L=1a=90时的波形
（2）电感为L=10R=100或1000变化时的波形比较
图5-10负载为L=10R=100a=0时的波形
图5-11负载为L=10R=1000a=0时的波形
图5-12负载为L=10R=100a=30时的波形
图5-13负载为L=10R=1000a=30时的波形
图5-14负载为L=10R=100a=60时的波形
图5-15负载为L=10R=1000a=60时的波形
图5-16负载为L=10R=100a=90时的波形
图5-17负载为L=10R=1000a=90时的波形
由以上波形可以看出：
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。
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.
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