三相桥式整流电路设计与仿真电力电子报告书1.docx

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三相桥式整流电路设计与仿真电力电子报告书1

目录

1.三相桥式整流原理1

1.1三相桥式整流主电路1

1.2三相桥式整流原理说明1

2.触发电路的设计4

2.1芯片的连接4

2.2触发电路的原理说明5

3.保护电路的设计6

3.1电力电子器件的保护6

3.2晶闸管的保护电路6

3.3直流侧阻容保护电路7

3.4交流侧阻容保护电路8

4.参数的计算9

4.1整流变压器参数9

4.2晶闸管参数10

4.3平波电抗器的选择11

5.MATLAB的建模与仿真11

5.1MATLAB建模与参数设置12

5.2MATLAB仿真13

5.3仿真结果分析15

6.心得体会16

7.参考文献17

三相桥式整流电路的设计

1.三相桥式整流原理

1.1三相桥式整流主电路

目前，在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。

习惯将电路中阴极连在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

将晶闸管按照图示的顺序编号，即共阴极组中的与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。

按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。

三相桥式全控整流电路通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管电路得到一个合适的输入电压，是晶闸管在较大的功率因素下运行。

本设计中，主电路由三大部分构成，分别为主电路、触发电路、保护电路。

接通电路时，主电路通电，同时触发电路也通电工作，形成触发脉冲。

图1-1主电路原理图

1.2三相桥式整流原理说明

整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。

假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。

此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。

而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。

这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。

此时电路工作波形如图1-1所示。

从触发角α=0o时的情况可以总结出三相桥式全控整流的一些特点如下：

（1）每个时刻均需要两个晶闸管同时导通，行成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。

（2）对触发脉冲的要求：

六个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差600；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差1200，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差1200；同一相的上下两个桥臂脉冲相差1800。

（3）整流输出电压一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样。

图1-2α=0o时波形

从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成。

区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。

晶闸管电压波形也相应发生变化如图1-3所示。

图中同时给出了变压器二次侧a相电流 ia 的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。

图1-3α=30o时的波形

由以上分析可见，当α≤60o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。

当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。

这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。

图1-4α＝90o时的波形

2.触发电路的设计

2.1芯片的连接

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管具有下面的特性：

（1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

（2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

（3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

（4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

图2-1双脉冲触发电路

根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。

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个晶闸管均有触发脉冲。

在触发某个晶闸管的同时，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60o，脉宽一般为20o—30o，称为双脉冲触发。

双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。

触发电路如图2-1所示。

2.2触发电路的原理说明

如图2-1所示，触发电压的形成用KJ004芯片完成。

KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。

电路原理见下图：

锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。

对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。

同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。

触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。

KJ004芯片内部结构如图2-2所示。

图2-2KJ004芯片内部结构图

双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。

实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。

如图2-1所示，KJ041的1-6脚管为单脉冲信号输入。

把单脉冲信号由10-15脚管两两同时输出形成双脉冲信号，10-15脚管两两同时输出对应输送给VT6-VT1晶闸管。

（1）假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号，则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号，即只有15脚管和14脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，则此时VT1和VT2同时导通；

（2）再过60度后，15脚管停止输出信号，而13脚管开始给VT3输出信号，即只有14脚管和13脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，此时VT2和VT3同时导通；

（3）再过60度后，14脚管停止输出信号，而12脚管开始给VT4输出信号，即只有13脚管和12脚管有信号输出，其他脚管没有输出信号，此时VT3和VT4同时导通；

（4）再过60度后，13脚管停止输出信号，而11脚管开始给VT5输出信号，即只有12脚管和11脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通；

（5）再过60度后，12脚管停止输出信号，而10脚管开始给VT6输出信号，即只有11脚管和10脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通；

（6）再过60度后，11脚管停止输出信号，而15脚管开始给VT1输出信号，即只有10脚管和15脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通。

3.保护电路的设计

3.1电力电子器件的保护

电力电子装置中可能发生过电压和过电流。

而过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

其中内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换向过电压和关断过电压。

而当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能发生过电流。

为了保护设备安全，必须设置保护电路。

保护电路包括过电压与过电流保护，大致可以分为两种情况：

一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。

3.2晶闸管的保护电路

（1）晶闸管的过电流保护：

过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。

对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。

如图3-1所示：

图3-1串联电感及熔断器抑制回路

（2）晶闸管的过电压保护：

晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。

晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。

当阻断能力恢复时，因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压，即换相过电压。

为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。

如图3-2所示。

图3-2并联RC电路阻容吸收回路

3.3直流侧阻容保护电路

直流侧也可能发生过电压，在图3-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关切断时，因直流侧电抗器释放储能，会在整流器直流输出端造成过电压。

另外，由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。

三相交流点经过二极管整流桥变为脉动直流电，经过R1给C充电，电路正常工作无过电压时电容两端保持交流电的峰值电压，而后整流桥给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。

由于与C并联的R2阻值很大，电容的放电非常慢，因此整流桥输出的电流也非常小。

一旦出现过电压，过电压的能量被电容吸收，电容的容量足够大，可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使电流电压不超过额定值。

过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常的峰值。

由此可以看出，R2越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常的时间也越长，因此大小收到两次过电压时间最小间隔的限制。

图3-3直流侧阻容保护

3.4交流侧阻容保护电路

变压器一般为降压型，即电源电压u高于变压器次级电压。

电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。

在进行电源拉闸断电是也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开使激磁电流从一定得数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为Ldi/dt，在电感一定得情况下，电流的变换越大，产生的过电压也越大。

这个电压的大小与拉闸瞬间电流的参数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。

可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生的机理是完全不同的。

过电压幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都是很短暂的，即点电压的能量并不是很大的。

利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的。

图8为电源侧阻容保护原理图。

图（a）和图（b）为三相阻容保护电路，RC网络连接成星型，如图（a），也可以连接成三角型，如图（b）。

电容越大对过电压的吸收作用越明显。

图3-4交流侧阻容保护

4.参数的计算

4.1整流变压器参数

由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V，由变压器为

接法可知变压器二次侧相电压为：

（1）

变比为：

（2﹚

变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：

﹙3﹚

﹙4﹚

而在三相桥式全控中

﹙5﹚

﹙6﹚

所以变压器的容量分别如下：

变压器次级容量为：

﹙7﹚

变压器初级容量为：

﹙8﹚

变压器容量为：

﹙9﹚

即：

变压器参数归纳如下：

初级绕组三角形接法

，

；次级绕组星形接法，

；容量选择为10kW。

4.2晶闸管参数

（1）晶闸管的额定电压

由三相全控桥式整流电路的波形分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值

﹙10﹚

故桥臂的工作电压幅值为：

﹙11﹚

考虑裕量，则额定电压为：

﹙12﹚

（2）晶闸管的额定电流

晶闸管电流的有效值为：

﹙13﹚

考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：

﹙14﹚

4.3平波电抗器的选择

为了保证稳定运行时电流波形的连续，控制直流电流断续范围，在电枢回路中设置了平波电抗器。

电动机在电路中的等效电阻：

（15）

平波电抗器的电感：

（16）

5.MATLAB的建模与仿真

5.1MATLAB建模与参数设置

启动MATLAB，在MATLAB提示符下输入powerlib命令，则可以打开SimPowetSystems。

其中包括电源模块组、电路元件模块组、电机模块组等。

进入SIMLINK后新建文档，根据晶闸管三相桥式整流电路的结构，在模型窗口建立主电路仿真模型，绘制加入同步装置和脉冲触发器等的三相桥式整流系统模型如图5-1所示。

双击各模块，在建立的对话框内设置相应的参数。

图5-1三相桥式全控整流电路仿真图

同步脉冲触发器模块用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，同步6脉冲触发器可以给双脉冲，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桥对应标号的6个晶闸管。

三相整流桥模块使用工具箱中的电力电子库中的通用整流桥臂模块，则同步6脉冲器的输出直接和三相整流桥的脉冲输入端相连。

同步6脉冲触发器的各个引脚功能如下。

Alpha_deg:

此端子为移相控制角信号的输入端，单位是度。

AB、BC、CA：

三相电源的三线电压输入，同步线电压就是整流桥的三相交流电压的线电压。

BLOCK：

触发器控制端，输入为0时，开放触发器，输入大于0时，则锁存触发器。

故用于与触发器模块的开通与封锁操作。

PLUSE：

6脉冲输出信号。

图5-2同步6脉冲触发器

三相桥式全控整流器的建模可以直接调用通用变换器桥仿真模块。

交流电压源Ua、Ub、Uc等于U2为179.6V，频率为50Hz，Ua相序为0度，Ub相序为-120度，Uc相序为-240度。

RC中的参数为：

R为1欧，L为0H，C为（1e-6）F。

RL中的参数为：

R的参数为0.721欧，L（平波电抗器）的参数为4.4mH。

DC的参数-220V。

6脉冲触发器的参数设置如图所示。

图5-36脉冲触发器的参数设置

5.2MATLAB仿真

打开仿真参数窗口，选择ODE123S算法，将相对误差设置1e-3，仿真开始时间设置为0，停止时间设置为0.04秒。

在下面的仿真图中Ud、Id为负载电压（V）和负载电流（A）。

（1）触发角为0度是的波形

图5-4触发角为0度时ud、id的波形图

（2）触发角为30度时的波形

图5-5触发角为30度时ud、id的波形图

（3）触发角为90度时的波形

图5-6触发角为90度时ud、id的波形图

5.3仿真结果分析

由仿真出的触发角分别为0度、30度和90度的Ud、Id波形图和图1-2图1-3、图1-4比较可知，三相桥式全控整流电路接反电动势负载时，在负载电感足够大以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同、仅在计算Id时有所不同，接反电动势阻感负载时的Id为：

﹙17）

6.心得体会

通过这次课程设计，复习了电力电子的知识，深刻理解三相桥式全控整流电路的工作原理，并学会利用Matlab和Simulink对电路系统进行建模和仿真。

根据课程设计任务，在三相桥式全控整流电路分析原理的基础上，掌握实际电路中触发电路的工作情况，分析电路中各个部分保护电路的设计方法。

当负载为直流电动机时，考虑电路中平波电抗器的选择。

根据设计任务中要求，分析计算出相应元件的参数。

通过对电力电子的仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，在应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

采用Matlab/Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。

应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。

应用Matlab对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，它是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术仿真较好辅助工具。

通过这次课程设计，将三相桥式全控整流电路的原理与实际应用中触发电路、保护电路的设计结合起来。

分析具体问题，将所有因素综合考虑。

在这次课设中学习了如何通过Matlab进行电路系统的建模与仿真，并对仿真结果进行分析与理论进行比较分析。

在课设过程中虽然遇到一些问题，但通过请教老师和同学，查找资料解决问题，提高了自己在分析问题解决问题的能力。

将理论知识与实际问题能够结合起来，通过学习利用Matlab对电路的分析结果进行仿真并验证。

感谢老师在这次课程设计中的帮助和指导。

7.参考文献

[1]王兆安、刘进军,电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2008

[2]王维平,现代电力电子技术及应用.南京：

东南大学出版社，1999

[3]魏连荣,电力电子技术及应用.北京：

化学工业出版社，2009

[4]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计.机械工业出版社,2004

[5]马建国,电子系统设计.北京：

高等教育出版社,2005

[6]王锁萍,电子设计自动化教程.四川：

电子科技大学出版社2002