三相半波可控整流电路.docx
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三相半波可控整流电路
《电力电子技术》课程设计说明书
三相半波可控整流电路
学院：
电气与信息工程学院
学生姓名：
XXX
指导教师：
XXX职称副教授
专业：
电气工程及其自动化
班级：
XXXX班
学号：
完成时间：
2015年06月
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。
本文主要介绍三相半波可控整流电路的主电路、触发电路和保护电路的原理及电路仿真图，输入电压为三相交流线电压380V，通过降压变压器后由晶闸管转换为直流。
触发电路控制晶闸管的导通，通过调节脉冲的触发角可得到不同的输出电压。
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，在触发角的调节范围为97°～150°时输出电压为0～100V。
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
1设计目的及要求1
1.1设计目的1
1.2设计要求1
1.2.1设计课题1
1.2.2设计内容1
2主电路设计2
2.1主电路原理分析2
2.2触发角分析3
2.3主要元器件选择3
2.3.1晶闸管参数计算与选择3
2.3.2触发电路芯片选择3
3触发电路的设计5
4保护电路的设计6
4.1过压保护6
4.1.1过压的原因6
4.1.2过压保护的措施6
4.2过流保护6
4.2.1过流的原因6
4.2.2过流保护的措施7
4.3保护电路选择7
5MATLAB仿真8
5.1仿真软件MATLAB介绍8
5.1.1MATLAB简介8
5.1.2Simulink简介8
5.1.3Simulink启动与退出9
5.2MATLAB仿真模型10
5.3MATLAB仿真结果及分析10
心得体会12
参考文献13
附录14
1设计目的及要求
1.1设计目的
整流电路是出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电，电路形式多种多样。
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，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。
通过课程设计达到加强和巩固所学的知识，加深对理论知识的理解；培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；培养综合运用知识的能力和工程设计能力；培养运用仿真软件的能力和方法；培养科技写作水平等。
1.2设计要求
1.2.1设计课题
三相半波可控整流电路的设计：
三相交流输入线电压380V，要求整流电压在0～100V连续可调。
1.2.2设计内容
（1）、关于本课程学习情况简述；
（2）、主电路的设计、原理分析和器件的选择；
（3）、控制与驱动电路的设计；
（4）、保护电路的设计；
（5）、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。
2主电路设计
2.1主电路原理分析
三相半波可控整流电路如图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次谐波电流流入电网，三个晶闸管分别接入a,b,c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。
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最大，则该相对应的二极管导通，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电压。
在相电压的交点处，均出现了二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，称这些交点为自然换相点。
图1三相半波可控整流电路原理图
图2触发角为0°时的波形
自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0。
，要改变触发角只能是在此基础上增大它，即沿时间坐标轴向右移。
当三个晶闸管的触发角为0°时，相当于三相半波可控整流电路的情况。
增大α值，将脉冲后移，整流电路的工作情况相应的发生变化。
晶闸管的触发角为0°时，波形图如图2所示，从上到下波形依次是三相交流电压波形，触发脉冲波形，负载电压波形，晶闸管电压波形。
2.2触发角分析
（1）、当α≤30°时，负载电流连续，有
（1）
（2）、当α=0时，Ud最大，为
。
（3）、当α＞30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有
（2）
2.3主要元器件选择
2.3.1晶闸管参数计算与选择
（1）、负载电流平均值为
。
（3）
（2）、晶闸管承受的最大反相电压为变压器二次侧线电压峰值，即
（4）
（3）、由于晶闸管阴极与零线间的电压即为整流输出电压
，其最小值为0，而晶闸管阳极与零线间的最高电压等于变压器二次侧相电压的峰值，因此晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次侧相电压的峰值，即
（5）
（4）、由公式（5）得晶闸管峰值电压
=1.414错误！
未找到引用源。
220=310V，晶闸管电压安全裕量需是峰值电压的2～3倍，故
=（2～3）错误！
未找到引用源。
310V=620～930V。
（5）、由公式（3）得晶闸管电流平均值
=380/2=190A（电阻R取2
）
晶闸管电流安全裕量需是额定值的1.5～2倍，故
=（1.5～2）
/1.73=165～220A。
（6）、故晶闸管的电压范围620～930V，电流范围165～220A。
可选晶闸管型号为KK200-8或KS300-9。
2.3.2触发电路芯片选择
（1）KJ004芯片电参数
1）、电源电压：
直流+15V、-15V,允许波动土5％（±10％时功能正常）。
2）、KJ004电源电流：
正电流≤15mA,负电流≤10mA。
3）、同步电压：
任意值。
4）、同步输入端允许最大同步电流：
6mA（有效值）。
5）、移相范围≥1700（同步电压30V,同步输入电阻15kΩ）。
6）、锯齿波幅度：
≥10V（幅度以锯齿波平顶为准）。
7）、输出脉冲：
a）、宽度：
400μS—2mS（通过改变脉宽阻容元件达到）； b）、幅度：
≥13V； c）、最大输出能力100mA（流出脉冲电流）； d）、输出管反压：
BVCEO≥18V（测试条件Ie≤100μA）。
8）、正负半周脉冲相位不均衡≤±30。
9）、使用环境温度为四级：
C：
0—70℃ R：
-55—85℃ E：
-40—85℃ M：
-55—125℃。
（2）KJ041芯片电参数
1）、电源电压：
直流+15V，允许波动±5%（±10功能正常）。
2）、电源电流：
≤20mA。
3）、输出脉冲：
a．脉冲幅度：
≥1V；b．最大输出能力：
20mA（流出脉冲电流）。
4）、输入端二极管反压：
≥30V。
5）、制端正向电流：
≤3mA。
3触发电路的设计
驱动电路位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。
驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。
图3三相半波整流电路触发电路
如图3所示为触发电路。
由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉冲发生器芯片KJ041形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的。
触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。
该电路可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。
4保护电路的设计
4.1过压保护
4.1.1过压的原因
（1）操作过电压:
由拉闸,合闸,快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。
（2）浪涌过压:
由雷击等偶然原因引起,从电网进入变换器的过压。
（3）电力电子器件关断过电压:
电力电子器件关断时产生的过压。
（4）在电力电子变换器-电动机调速系统中,由于电动机回馈制动造成直流侧直流电压过高产生的过压，也称为泵升电压。
4.1.2过压保护的措施
RC吸收电路也叫RC缓冲电路，它是电阻Rs与电容Cs串联，并与开关并联连接的电路结构。
用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。
若开关断开，蓄积在寄生电感中能量对开关的寄生电容充电的同时，通过吸收电阻对吸收电容充电。
由于吸收电阻作用，阻抗变大，那么吸收电容也等效地增加了开关的并联电容容量，为此，抑制开关断开的电压浪涌。
开关接通时，吸收电容通过开关放电，其放电电流被吸收电阻所限制。
RC吸收电路的作用是为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。
因为电路总是存在电感的（变压器漏感或负载电感），所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。
同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。
由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。
RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。
4.2过流保护
4.2.1过流的原因
当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路,触发电路或控制电路发生故障,出现过载,直流侧短路,可逆传动系统产生环流或逆变失败,以及交流电源电压过高或过低,缺相等,均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流,即出现过流.由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多,因此,必须对变换器进行适当的过流保护。
4.2.2过流保护的措施
（1）交流进线电抗器,或采用漏抗大的整流变压器,利用电抗限制短路电流，但正常工作时有较大的交流压降。
（2）电流检测装置：
过流时发出信号,过流信号一方面可以封锁触发电路,使变换器的故障电流迅速下降至零,从而有效抑制了电流；另一方面控制过电继电器,使交流接触器触点跳开,切断电源。
但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间（100～200ms），故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。
（3）直流快速开关：
对于大、中容量变换器,快速熔断器的价格高且更换不方便为避免过流时烧断快速熔断器,采用动作时间只2ms的直流快速开关,它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。
（4）快速熔断器：
快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。
在晶闸管变换器中,快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施,可用于交流侧,直流侧和装置主电路中。
其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用,但要求正常工作时,快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。
4.3保护电路选择
电力电子电路中保护电路包括过电压保护和过电流保护。
过电压保护一般采用RC过电压吸收电路，RC过电压吸收电路可接于供电变压器的两端或电力电子电路的直流侧。
过电流保护分为过载和短路两种情况，一般过电流保护措施常采用快速熔断器和直流快速熔断器。
在本设计的保护电路中对变压器一次侧和二次侧分别加上熔断器对其进行保护，如图4所示。
图4保护电路的设计
5MATLAB仿真
5.1仿真软件MATLAB介绍
5.1.1MATLAB简介
MATLAB是MATrixLABoratory的缩写，即矩阵实验室，是由美国TheMathWorks公司于1984年推出的一种科学与工程计算语言。
20世纪80年代初，MATLAB的创始人CleveMoler博士在美国NewMexico大学讲授线性代数课程时，构思并开发了MATLAB。
该软件一经推出，就备受青睐和瞩目，其应用范围也越来越广阔。
后来，Moler博士等一批数学家与软件专家组建了TheMathWorks软件开发公司，专门扩展并改进MATLAB。
这样，MATLAB就于1984年推出了正式版本，到2005年，MATLAB已经发展到了7.1版。
与其他计算机语言相比较，MATLAB具有其独树一帜的特点：
简单易学；代码短小高效；功能丰富，可扩展性强；强大的图形表达功能；强有力的系统仿真功能。
5.1.2Simulink简介
（1）Simulink是MATLAB的重要组成部分，提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
（2）功能：
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
（3）特点：
丰富的可扩充的预定义模块库；交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法；使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,RapidAccelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为等。
5.1.3Simulink启动与退出
（1）Simulink的启动：
在MATLAB的命令窗口输入simulink或单击MATLAB主窗口工具栏上的Simulink命令按钮即可启动Simulink。
Simulink启动后会显示Simulink模块库浏览器（SimulinkLibraryBrowser）窗口。
在MATLAB主窗口File菜单中选择New菜单项下的Model命令，在出现Simulink模块库浏览器的同时，还会出现一个名字为untitled的模型编辑窗口。
在启动Simulink模块库浏览器后再单击其工具栏中的Createanewmodel命令按钮，也会弹出模型编辑窗口。
利用模型编辑窗口，可以通过鼠标的拖放操作创建一个模型。
模型创建完成后，从模型编辑窗口的File菜单项中选择Save或SaveAs命令，可以将模型以模型文件的格式（扩展名为.mdl）存入磁盘。
如果要对一个已经存在的模型文件进行编辑修改，需要打开该模型文件，其方法是，在MATLAB命令窗口直接输入模型文件名（不要加扩展名.mdl）。
在模块库浏览器窗口或模型编辑窗口的File菜单中选择Open命令，然后选择或输入欲编辑模型的名字，也能打开已经存在的模型文件。
另外，单击模块库浏览器窗口工具栏上的Openamodel命令按钮或模型编辑窗口工具栏上的Openmodel命令按钮，也能打开已经存在的模型文件。
（2）Simulink的退出：
退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和Simulink模块库浏览器窗口即可。
5.2MATLAB仿真模型
MATLAB仿真模型如图5所示。
图5三相半波整流电路MATLAB仿真模型
5.3MATLAB仿真结果及分析
设置三相交流电压为380V，频率为50Hz，占空比为5%。
从上到下波形依次是三相交流电压波形，触发脉冲波形，负载电压波形，晶闸管电压波形。
图6α=122°时MATLAB仿真波形图
图7α=113°时MATLAB仿真波形图
图8α=97°时MATLAB仿真波形图
分析：
所得波形基本与理论分析相符，在触发脉冲的作用下晶闸管导通，直到电压
为0V。
首先a相VT1导通，b相VT2关断，c相VT3关断；换相后b相VT2导通，a相VT1关断，c相VT3关断；再换相后c相VT3导通，a相VT1关断，b相VT2关断（相位角为
）。
当触发角α=122°时，根据上图6得到仿真输出电压为30V，通过公式
（2）计算得到理论值
=0.675×380×[1+cos（30°+122°）]=30.03V。
当触发角α=113°时，根据上图7得到仿真输出电压为50V，通过公式
（2）计算得到理论值
=0.675×380×[1+cos（30°+113°）]=51.65V。
当触发角α=97°时，根据上图8得到仿真输出电压为100V，通过公式
（2）计算得到理论值
=0.675×380×[1+cos（30°+97°）]=102.13V。
通过计算与仿真结果的比较，可得到输出电压0～100V的触发角α的调节范围为97°～150°。
心得体会
通过本次课程设计三相半波整流电路，让我有很多感受和体会，深切的感受到了电子技术在日常生活中的广泛应用，更加理解理论联系实际的意义，为以后的工作、学习奠定了基础。
本次课程设计中主要还是通过查阅课本、图书馆相关资料并上网查有关芯片的引脚图才得以顺利完成。
在同学的帮助下设计出了电路，通过MATLAB仿真成功，同时也意识到了自己的一些不足之处，对课本非重点知识理解不够深入，比如KJ004，不知道具体如何使用，以后应该加强对课本知识的理解，不能局限于考试的内容。
参考文献
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附录
系统总图：
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