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
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：
220V／100A三相半波可控整流电路
院（系）：
专业班级：
学号：
42
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
2014-12-29至2015-1-9
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
新能源学院教研室：
电气
学号
42
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
220V／100A三相半波可控整流电路
课程设计（论文）任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
为1台额定电压220V、功率为20kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速
设计任务
1、方案的经济技术论证。
2、主电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。
5、触发电路设计或选择。
6、绘制相关电路图。
7、进行matlab仿真。
要求
1、完成4000字左右说明书。
2、文中的理论分析与计算要正确。
3、文中的图表工整、规范。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源：
三相380V。
2、整流输出电压Ud在0～220V连续可调。
3、整流输出电流最大值100A。
4、直流电动机负载。
5、根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。
进度计划
第1天：
集中学习；第2天：
收集资料；第3天：
方案论证；第4天：
主电路设计；第5天：
选择器件；第6天：
确定变压器变比及容量；第7天：
确定平波电抗器；第8天：
触发电路设计；第9天：
总结并撰写说明书；第10天：
答辩
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。
滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
变压器设置与否视具体情况而定。
变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。
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。
国内三相半波可控整流电路技术不够熟练，设备不够先进。
国外的三相半波可控整流电路设备完善技术比较熟练。
关键词：
整流；变压；触发；晶闸管；
第1章绪论
电力电子技术概况
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。
它是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。
因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。
电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。
电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。
近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。
电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。
这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。
利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。
这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。
电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。
它的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等
本文设计内容
为1台额定电压220V、功率为20kW的直流电动机提供直流可调电源，以实现直流电动机的调速
设计任务
1、方案的经济技术论证。
2、主电路设计。
3、通过计算选择整流器件的具体型号。
4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。
5、触发电路设计或选择。
6、绘制相关电路图。
7、进行matlab仿真。
要求
4、完成4000字左右说明书。
5、文中的理论分析与计算要正确。
6、文中的图表工整、规范。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、交流电源：
三相380V。
2、整流输出电压Ud在0～220V连续可调。
3、整流输出电流最大值100A。
4、直流电动机负载。
5、根据实际工作情况，最小控制角取20～300左右。
第2章
三相半波可控整流电路设计
三相半波可控整流电路总体设计方案
整流电路，即将交流电能转换为直流电能的电路。
它也是电力电子电路中出现最早的一种。
整流电路种类繁多，应用广泛。
按其组成器件可分为不控整流电路、半空整流电路和全控整流电路。
后两种电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩波整流电路。
相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路，因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。
当整流容量较大，或要求直流电压脉动较小时，多采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。
在当中最为基础的就是三相半波可控整流电路。
总体方案框图如图2.1所示。
触发电路
整流输出
整流电路
三相交流电源380V
保护电路
图2.1总体方案框图
具体电路设计
主电路设计
为了得到零线变压器二次侧接成星形得到零线，为了给三次谐波电流提供通路，减少高次谐波的影响，变压器一次绕组接成三角形，为△/Y接法。
三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。
如图2.2.
图2.2三相半波可控整流电路原理图（阻-感性负载）
如果负载为阻感负载，且L值很大，则整流电路Id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。
α≤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。
α﹥30°时，例如α=60°时的波形如图，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，若α增大，Ud波形中负的部分将增多，至α=90°时，Ud的平均值为零。
可见阻感负载时的移相范围为90度。
图2.3阻感负载时的电路及α=60︒时的波形
图2.4阻感负载时的电路及α=90︒时的波形
由于负载电流连续，即 Ud=1.17U2cosα
Ud/ U2与成余弦关系，如果负载中的电感量不是很大，则当α﹥30°后，与电感量足够大的U2情况相比较，Ud中负的部分将会减少，整流电压平均值Ud略为增加，Ud/ U2与α的关系将发生变化，即
L很大，如曲线2所示。
L不是很大，则当α>30︒后，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3 所示。
图2.5
三相半波可控整流电路Ud/U2与α的关系变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为
（2-1）
由此可求出晶闸管的额定电流为
（2-2）
由于负载电流连续，晶闸管反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即
（2-3）
三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，因此其应用较少。
控制电路设计
如图2.6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。
图2.6 三相半波整流电路触发电路
由于三相半波整流电路中晶闸管需要在不同的时候导通，而且要保持与三相交流电频率保持一致，所以需要具体设计触发晶闸管的导通脉冲。
本设计中采用Kj004脉冲触发集成芯片实现，集成芯片具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等特点而受到广泛应用。
其脉冲形成原理与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,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其内部原理图见图2.7：
图2.7 KJ004触发芯片内部原理图
触发电路的定相问题，触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压
保持固定、正确的相位关系其具体措施如下：
（1）同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致
（2）触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系
（3）同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240︒，上升段起始的30︒和终了的30︒线性度不好，舍去不用，使用中间的180︒。
（4）使Ud=0的触发角α为90︒。
当α<90︒时为整流工作，α>90︒时为逆变工作
（5）将α=90︒确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90︒的移相范围。
于是α=90︒与同步电压的300︒对应，也就是α=0︒与同步电压的210︒对应。
α=0︒对应于ua的30︒的位置，则同步信号的180︒与ua的0︒对应。
（6）变压器接法：
主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结具体外部电路实现见电路原理图部分。
保护电路设计
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过电压抑制电路，RC过电压抑制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、直流快速熔断器和电流继电器。
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，对电机加上一个过载保护熔断器，如图2.8所示。
图2.8 保护电路的设计
元器件型号选择
变压器参数计算与选择
1．变压器的变比：
若将变压器看作是理想变压器，不计变压器的励磁电流，根据变压器的磁动
势平衡原理，得
（2-4）
由此得出变压器的变比
（2-5）
2．变压器的容量S：
（2-6）
考虑到安全性以及损耗问题，变压器应选变比为2.018,容量为2*104 W
3．平波电抗器的确定如图2.9所示，id波形在一个周期内有部分时间为零的情况，称为电流断续。
与此对应，若id波形不出现为0的情况，称为电流连续。
当a<δ时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。
为了使晶闸管可靠导通，要求触发电路有足够的宽度，保证当wt=δ时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲依然存在。
这样，相当于触发角被推迟为δ，即a=δ. 负载为直流电动机时，如果出现电流断流则电动机的机械特性将很软。
从图2.7看出，导通角θ越小，则电流波形的低部就越窄。
电流平均值是与电流波形的面积成正比的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多地降低反电势。
因此，当电流断续时，随着Id的增大，转速降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。
较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花，其电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。
图2.9 负载为直流电动机
为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来
减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。
有了电感，当u2小于E甚至u2值变负时，晶闸管仍然导通。
只要电感量足够大就能使电流连续，晶闸管每次导通180度，这时整流电压ud的波形和电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。
针对电动机在低速轻载时电流连续的情况，给出ud和id的波形，如图2.10
图2.10 低速轻载电流连续的波形
为保证电流连续所需要的电感值L
可由下式求出：
Idmin为最小负载电流，一般取电动机额定电流的5％—10％，若取5％，则Idmin = 20K/220*5％=4.55A 平波电抗器L=2.87*U2 /Idmin=2.87 * 109/4.55=69H
晶闸管参数计算与选择
额定电压UN
在选用管子时，
额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。
根据三相桥式可控整流工作原理，晶闸管所承受的最大反向电压Umax为√6U2=265.9V，从而得出UN。
晶闸管的额定电压UN =（2～3）Umax =（2～3）*265.9=531.8～797.7V 额定电流IN
通过以上计算分析，在本次课程设计中所采用的晶闸管类型为KP50A
系统仿真
matlab仿真软件简介
MatLab 控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准计算软件，1999年春MatLab 5.3版问世，使MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。
特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现，使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而即使学生没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础，仍可通过仿真来认知非线性对系统动态的影响。
MATLAB是MATrix LABoratory的缩写，是由美国MathWorks公司开发的工程计算软件，迄今MATLAB已推出了5.3版．当今数学类科技应用软件可分为两类，一类是数值计算型，如MATLAB，Xmath，Gauss等，这类软件擅长数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica,Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率低．现在，MATLAB已经发展成为适合多学科的功能强大的大型软件．在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、数理统计、数值分析、优化技术、自动控制、数字信号处理、图像处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具，成为大学生、研究生和博士生必须掌握的基本技能．同时，MATLAB也被研究单位和工业部门广泛应用，使科学研究和解决各种具体问题的效率大大提高．MATLAB集成环境主要包括五个部分：
MATLAB语言、MATLAB作环境、句柄图形、MATLAB数学函数库和 MATLAB API（application program interface）MATLAB语言是以数组为基本数据单位，包括控制流程语句、函数、数据结构、输人输出及面向对象等特点的高级语言，具有以下主要特点：
l）运算符和库函数极其丰富，语言简洁，编程效率高．MATLAB除了提供和C语言一样的运算符外，还提供广泛的矩阵和向量运算符．利用其运算符和库函数可使其程序相当简短，两三行语句就可实现几十行甚至几百行C或FORTRAN编写的程序功能．
2）既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句、if语句和switch语句），又有面向对象的编程特性．
3）图形功能强大．它既包括对二维和三维数据可视化、图像处理、动画制作
等高层次的绘图命令，也包括可以完全修改图形局部及编制完整图形界面的、低层次的绘图命令．
4）功能强大的工具箱．工具箱可分为两类：
功能性工具箱和学科性工具箱．功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互的功能．而学科性工具箱是专业性比较强的，如优化工具箱、统计工具箱、控制工具箱、小波工具箱、图像处理工具箱、通信工具箱等．
5）易于扩充．除内部函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可修改源文件和加人自己的文件，它们可以与库函数一样被调用．
matlab仿真模型建立
根据原理图用matalb软件画出正确的三相半波可控整流电路（阻-感性负载）仿真电路图如图2.11所示：
图2.11三相半波可控整流电路仿真模型（阻-感性负载）
matlab仿真波形及数据分析
设置触发脉冲α分别为0°、30°、60°、90°。
与其产生的相应波形分别如图2.12、图2.13、图2.14、图2.15。
在波形图中第一列波为流过晶闸管电流波形，第二列波为流过晶闸管电压波形，第三列波为负载电流波形，第四列波为负载电压波形。
图2.12 α=0°三相半波可控整流电路原理图（阻-感性负载）波形图
图2.13 α=30°三相半波可控整流电路原理图（阻-感性负载）波形图
图2.14 α=60°三相半波可控整流电路原理图（阻-感性负载）波形图
图2.15 α=90°三相半波可控整流电路原理图（阻-感性负载）波形图
第3章课程设计总结
电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节，它训练了我们的综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
电力电子技术课程设计是配合变流电路理论教学，为我们电气工程及其自动化专业开设的专业基础技术技能设计，课程设计对我们是一个非常重要的实践教学环节。
通过设计，使我们巩固和加深了对变流电路基本理论的理解，提高了运用电路基本理论分析和处理实际问题的能力，培养了我们的创新精神和创新能力。
而这次初次尝试电子版的设计又提高了我对电脑的运用技能，并尝试用MATLAB仿真，也有效的利用了网上大量的学习资源，让我在设计上比以前有所超越。
总之这次设计大大的提高了我的综合的学习能力，让我能将所学的知识融会贯通，并在学习技能上渐渐成熟。
参考文献
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