电力电子课程设计 2.docx
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电力电子课程设计2
学号：
课程设计
题目
三相全控桥式整流器的设计
学院
自动化学院
专业
自动化
班级
自动化1303
姓名
指导教师
周颖
2015
年
12
月
6
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
自动化1303
指导教师：
周颖工作单位：
自动化学院
题目:
三相全控桥式整流器的设计
初始条件：
带反电动势阻感负载，R=1Ω,L=∞,U2=220V,LB=1mH,EM=—400V,β＝60°
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.计算Ud、Id与
的值，此时送回电网的有功功率是多少？
2.设计变流器主电路，根据以下“设计参数说明”中参数进行计算，（选做运用仿真软件进行相关输出仿真）.
3.说明变流器工作原理，触发电路控制设计及保护电路设计说明，相关辅助电路和考虑因素说明.
4.完成对器件选择，参数相关计算及波形输出图（具体见设计参数说明）.
5.报告要求打印或手写装订（格式按原课程设计格式要求进行，图文清晰规范适当）.
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
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，并与相关文献中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.
本次三相桥式电路整流器的设计采用的是三相全控桥整流电路，因为触发角为120度，因此电路存在有源逆变.设计在带阻感负载下完成.系统电路设计任务主要包括，三相桥式整流器主电路设计，晶闸管相控触发电路设计，过电流和过电压保护电路设计三个部分，因而整个系统设计就大体从这三个电路部分来设计完成.
关键词：
Simulink，三相桥整流，有源逆变
目录
1、问题重述1
1.1问题背景1
1.2需要解决的问题1
2、定义与符号说明2
3、问题a的解答2
4、问题b的解答3
4.1主电路原理分析3
4.2设计变流器主电路4
4.3进行Simulink仿真5
4．3.1建立仿真模型5
4．3.2仿真参数的设置7
4.3.3仿真结果及波形分析7
5、触发电路的设计8
5.1电路图的选择8
5.2触发电路原理说明9
6、保护电路的设计11
6.1过电压保护11
6.2过电流保护13
7、参考文献15
三相全控桥式整流器的设计
1、问题重述
1.1问题背景
本次的课程设计，其目的是让学生掌握其电路的组成、定性计算、工作原理.对三相全控桥式整流电路的设计.而三相桥式整流电路作用是给直流电动机供电，可以知道这是一个交流到直流的变换电路，即整流电路.直流电动机负载可以看成是三相全控桥式电路接一个反电动势负载，由此可以得出此设计的重点在于设计三相全控桥式晶闸管整流电路实现交流到直流的转换，且保证输出的直流电压和电流能使电动机工作在电动状态即可.然后分别对主电路及触发电路进行设计.
1.2需要解决的问题
a.计算Ud、Id与
的值，此时送回电网的有功功率是多少？
b.设计变流器主电路，根据以下“设计参数说明”中参数进行计算，（选做运用仿真软件进行相关输出仿真）.
c.说明变流器工作原理，触发电路控制设计及保护电路设计说明，相关辅助电路和考虑因素说明.
d.完成对器件选择，参数相关计算及波形输出图（具体见设计参数说明）.
e.报告要求打印或手写装订（格式按原课程设计格式要求进行，图文清晰规范适当）.
2、定义与符号说明
3、问题a的解答
解：
由题意可列出如下3个等式：
Ud＝2.34U2cos（π-β）－ΔUd
ΔUd＝3XBId∕π
Id＝（Ud－EM）∕R
三式联立求解，得
Ud＝[2.34πU2Rcos（π-β）＋3XBEM]∕（πR＋3XB）＝－290.3（V）
Id＝109.7（A）
由下式可计算换流重叠角：
－
＝2XBId∕
U2＝0.1279
＝0.6279
γ＝128.90－120＝8.90
送回电网的有功功率为
P=
=400×109.7-109.72×109.7×1=31.85（W）
4、问题b的解答
4.1主电路原理分析
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，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3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3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2.编号如图示，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6.
图1主电路原理图
其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲.宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相.接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π／3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线.所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路.同理，三相半波整流电路称为3脉动整流电路.α>0时，Ud的波形出现缺口，随着α角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低.当α=2π／3时，输出电压为零，所以电阻性负载时，α的移相范围是0～2π／3；当0≤α≤π／3时，电流连续，每个晶闸管导通2π／3；当π／3≤α≤2π／3时，电流断续，晶闸管导通小于2π／3.因此α=π／3是电阻性负载电流连续和断续的分界点.而题目给出的要求是β＝60°，输于电流断续，且是有源逆变.
表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况
时段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
共阴极组中
导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中
导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压Ud
Ua-Ub
=Uab
Ua-Uc
=Uac
Ub-Uc
=Ubc
Ub-Ua
=Uba
Uc-Ua
=Uca
Uc-Ub
=Ucb
4.2设计变流器主电路
根据题目要求，需要设计过流保护装置以及带反电动势阻感负载，主电路图如下：
图2主电路原理图
4.3进行Simulink仿真
4．3.1建立仿真模型
（1）首先建立一个仿真的新文件，命名为EQ.
（2）提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有三相交流电源，晶闸管、
RLC负载等.
表4-1三相整流电路模型主要元器件
元器件名称
提取元器件路径
交流电源
Electricalsource/ACvoltagesource
三相电压-电流测量单元
Measurements/Three-phaseV-Imeasurement
三相晶闸管整流器
Extralibrary/three-phaselibrary/6-pulsethyristorbridge
RLC负载
Elements/seriesRLCbridge
6脉冲发生器
Extralibrary/controlblocks/synchronized6-pulsegenerator
触发角设定
Simulink/sources/constans
（3）将器件建立系统模型图如下
根据三相桥式全控整流电路的原理可以利用Simulink内的模块建立仿真模型如图3所示，设置三个交流电压源Va，Vb，Vc相位角依次相差120°，得到整流桥的三相电源.用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换.6个PULSEgenerator产生整流桥的触发脉冲，且从上到下分别给1～6号晶闸管触发脉冲.
图3三相桥式全控整流电路仿真模型
4．3.2仿真参数的设置
1）电源参数设置：
三相电源的电压峰值为220V×
，可表示为“220*sqrt
（2）”，频率为50Hz，相位分别为0、-120°、-240°.
2）三相晶闸管整流器参数设置：
使用默认值.
3）6脉冲发生器设置：
频率为50Hz，脉冲宽度取1°，取双脉冲触发方式.
4）触发角设置：
可以根据需要将alph设置为120°.
5）采用变步长算法ode23tb（stiff／TR．BDF2）.
6）负载可以根据需要设成纯电阻、纯电感、阻感等，本次仿真中为电阻负载R=1Ω.根据要求阻感负载应该无穷大，而实际情况并不存在，因此在这里取L=10H.
4.3.3仿真结果及波形分析
设置仿真时间0.06s，数值算法采用ode23tb（stiff／TR．BDF2）.启动仿真，根据三相桥式全控整流电路的原理图，控制脚为120度时候的波形.
图4simulink仿真波形
5、触发电路的设计
5.1电路图的选择
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6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6所示.
5.2触发电路原理说明
如图7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7所示.
图7KJ004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7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；
重复以上步骤即得到三相桥式全控整流电路要求的触发信号.
6、保护电路的设计
较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏.因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施.
6.1过电压保护
电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地中间都存在着分布电容，如图8所示.
图8交流则过电压
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.
在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压.另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压.上述过电压都发生在电路正常工作地状态，一般叫做操作过电压.
雷击和其他电磁感应也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生地时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的.
对于上面的这些过电压，我们可以采用下面的措施进行保护：
（1）阻容保护
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，这种保护方式叫做阻容保护.起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制形成的寄生的震荡.图9为电源侧阻容保护原理图.图（a）为单相阻容保护电路，图（b）和图（c）为三相阻容保护电路，RC网络连接成星型，如图（b），也可以连接成三角型，如图（c）.电容越大对过电压的吸收作用越明显.
图9阻容保护
在图9中，图（a）为单相阻容保护，阻容网络直接接在电源端，吸收电源过电压.图（b）为接线形式为星型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压.图（c）为接线三角型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压.显然，三角型接线方式电容的耐压要为星型接线的
倍.但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星型接线的电容容量应为三角型
倍.也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的.
（2）整流式阻容保护
阻容保护电路的RC直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热.为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路，阻容式RC保护电路如图10所示.
图10整流式保护电路
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.
6.2过电流保护
电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流.过电流有过载荷短路两种情况.常用的过电路保护措施如图11所示.一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施.针对某种电力器件，可能有些保护措施是有效的而另外一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意.
图11过流保护电路图
交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流.应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏.
来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减到0，器件关断.这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护.与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值.
快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用.根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联.接法不同，保护效果也有差异.熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型.
7参考文献
[1]周海波.ZHOUHai-bo基于Multisim的电力电子仿真实验教学[期刊论文]-长江工程职业技术学院学报
2008,25
（2）
[2]曲振江;赵秋Multisim8.0在电子类仿真教学中的应用2006（06）
[3]王维平《现代电力电子技术及应用》东南大学出版社，1999
[4]魏明.祖丙广.耿传勇.王珉从交流侧谐波控制角度看单相可控整流应采用的波型[期刊论文]-山东建筑工程学
院学报2000,15
（2）
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
三相桥式整流变流器设计
课程设计答辩或质疑记录：
1、由于建模为一个电流源，通用变换器桥不能与RL电阻电感期间相串联，需加入一个高电阻缓冲电路，使得输入电流波形发生改变，需要注意.
2、测量逆变带电阻电感负载时，应输入负信号-200V，否则没有Ud，Id波形.
3、测量逆变带电阻电感负载时，负电动势DC的值不宜过小，若过小，则无法形成逆流回路.
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果可信（例如：
系统建模、求解，仿真结果）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
周颖
2015年12月7日
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